DE2304897C3

DE2304897C3 - Beschwerungsmittel für Bohrspülungen

Info

Publication number: DE2304897C3
Application number: DE19732304897
Authority: DE
Inventors: Artur Dipl.-Berging. Dr. 5940 Lennestadt Bergmann; Walter Dr. 2847 Barnstorf Bulian; Gerhard 5025 Stommeln Dam; Dieter Dr. 4100 Duisburg Menzel; Heinz Dr. 5000 Koeln Senff
Original assignee: Metallgesellschaft AG; Wintershall AG
Current assignee: GEA Group AG; Wintershall AG
Priority date: 1973-02-01
Filing date: 1973-02-01
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2304897B2; DE2304897A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschwerungsmittel auf Basis Eisenoxid fur die Beschwerung von Bohrspülungen.

Spülflüssigkeilen haben bei Tiefbohrungen die Aufgabe, das durch die Bohrwerkzeuge gelöste Gestein auszutragen. Derartige Spülflüssigkeiten werden zur Erhöhung des spezifischen Gewichtes mit geringen Mengen Beschwerungsmitteln versehen, die aber selbst eine hohe Dichte aufweisen müssen. Bekannte Beschwerungsmittel sind beispielsweise Schwerspat, Quarz, Eisenoxide, Bleioxide. Zinkstaub (US-PS 20 99 825). fevier Pyrit, Galenit (NL-PS 50 J53). Derartige Beschwerungsmittel sedimentieren in unerwünschter Weise leicht in der Bohrflüssigkeit. Ein aus US-PS 22 60 499 bekannter Vorschlag versucht das Sedimentieren des Beschwerungsmittels dadurch zu vermeiden, daß Beschwerungsmittel, wie Schwerspat, Eisenoxide oder Bleioxide in wäßriger Phase mit hochkolloidalem Ton behandelt, die Dispersion getrocknet und das getrocknete Gut wieder pulverisiert wird. Die gewonnenen, mit ca. 2% hochkoüoidalcm Ton überzogenen Teilchen aus Beschwerungsmittel lassen sich leichter mit Wasser benetzen und sedimentieren nicht so schnell wie nicht überzogene Beschwerungsmittel.

Weitere bekannte Vorschlage sehen den Einsatz von üblicherweise als Mineralfarbe verwendetem Eisenoxid vor (DEPS 4 48 !12) wie auch von Eisenoxiden in Mischung mit Stabilisierungsmitteln wie Graphit (US-PS 25 51874) oder Magnesiumalurninat (US-PS 2b 86 593).

Aus der LlS-PS 22 98 984 sind Beschwerungsmittel auf Basis von Eisenoxid bekannt, die durch Abrösten von Pyrit gewonnen worden sind. Ein solches technisches Eisenoxid mit hohem Gesamtschwefelge- liitii vwisi einen Anteil von mehr als etwa 80% Ee^Oi auf. hat eine Dichte bis /u 5 und soll für Bohrspülungen bevorzugt in einer Korngroße unter 75 Mikron eingesetzt werden. Spezielle Korrizusammensetziingen werden nicht angegeben, und es wird auch keine Aussage über die Beschaffenheit des Einzelkorns i'em.ichl.

Ahere Vorschlüge geben Verfahren an, um durch Akn'.trn von fiolationspynt (DE PS 21 J9 952) mit aiMhließemler Abschreckung und Laugung (DEf)S ?.?. in 272) oder durch Glühen von Eisenmineralen ein L'i-eiiTMftev ReschwcrungsiniUcl zu gewinnen (DE-OS ' I Ii.' /* 1 Il

Metalloxidische Beschwerungs'mittel der vorbekannten Verfahren haben für wasserbasische Spülungen praktisch keinen Eingang in die technische Bohrpraxis gefunden, da deren große Härte und scharfkantige ί Kornform 7U unerwünschtem Verschleiß an Bohrwerkzeugen und Bohrvorrichtungen führte, die Mittel zu schnell sedimentierten und auch nicht in den erforderlichen Mengen und Spezifikationen zur Verfugung standen.

in Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschwerungsmittel für Bohrspülflüssigkeiten bereitzustellen, wobei in diesen Bohrspülungen die Sedimentation des Beschwerungsmittels praktisch vermieden wird und das Beschwerungsmittel die spültechnisch wichti gen Eigenschaften der Bohrspülung nicht nachteilig beeinträchtigt

Die Erfindung löst diese Aufgabe '.?ei einem Beschwerungsmitlei für Bohrspülungen aus einem über 80% Fe₂O₃ enthaltenden, durch Abrösten von Pyrit

.'ι· gewonnenen Eisenoxid mit einer Dichte von etwa 4,5 bis 5,0, einer Kornfeinheit unter 75 Mikron und poröser Oberflächenstruktur. Das Beschwerungsmittel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die durch Abrösten von Flotationspyrit in einer Wirbelschicht gewonnenen Eisenoxidpartikel eine abgerundete Kornform und eine Kornverteilung von

50 bis 55 Gew.-% 10 bis 15Gew.-% 10 bis 15Gew.-% 20 bis 30Gew.-%

30 bis 75 Mikron

20 bis 30 Mikron

10 bis 20 Mikron

bis 10 Mikron

aufweisen.

Die mit Eisenoxid gemäß der Erfindung beschwerten Bohrspülflüssigkeiten führen zu verminderter Schleif wirkung an Bohrwerkzeugen und -vorrichtungen und verminderter Sedimentation des Beschwerungsmittels. In Bohrspülflüssigkeiten aus an sich bekannter ölbasischer, wasserbasischer oder Emulsions-Spülung, die erfindungsgemäßes Eisen(III)-Oxid mit über 80% Fe₂O₃ von abgerundeter Kornform, einer Dichte von etwa 4,5 bis 5,0, einer Kornfeinheit unter 75 Mikron, sowie einem Kornanteil unter 10 Mikron von max. 50 Gew.-% enthalten, beträgt die Sedimentations-Geschwindigkeit maximal dem halben Wert der von bekannten Beschwerungsmitteln.

Die flüssige Phase der mit dem erfindungsgemäßen Beschwerungsmittel beschwerten Bohrspülflüssigkeit kann eine an sich bekannte Spülung avf Basis öl. Wasser oder Öl/Wasser-Emulsion sein. Derartige wasserbasisc'ie Spülungen enthalten beispielsweise Tone und hochtemperatu.'behandelte Verbindungen des Polyacrylnitril, ferner Schwermetallsalze der Huminsäure, Carboxymethylzellulose (DE-PS 14 83 798).

Weitere geeignete wasserbasische Spülmittel sind ferner solche, die Magnesia anstelle von quellbarem Ton enthalten und nach DE-PS 10 20 585 erhältlich sind. Bekannte Spülungen auf Basis von ölen oder nichtwäßrigen Flüssigkeiten sind den US-PS 22 17 926 und 20 99 825 zu entnehmen.

Das Beschwerungsmittel gemäß der Erfindung ist ein technisches Eisen(lll)-Oxid mit einem Gehalt an Fe/)) von mindestens 80 und bis zu 98%. Die restlichen Anteile bestehen im wesentlichen aus Kieselsäure, Aluminiumoxid und weniger als 1% Schwefel neben gegebenenfalls geringen Mengen Schwermctallen wie Blei, /ink, Kupfer, Nickel. Der wasserlösliche Anteil liegt mit 0,1% unter dem der üblichen Beschwerungs-

mittel, wie üblichem Schwerspat Für das Beschwerungsmittel aus Fe₂O₃ gemäß der Erfindung ist ferner eine abgerundete Kornform charakteristisch, während bei einer solchermaßen kleinen äußeren Oberfläche gleichzeitig eine Porosität der Kornpartikel von wesentlicher Bedeutung ist Diese innere Oberfläche beträgt gemessen nach BET-Methode (J. Amer. Chem. Soc. 60 [1938], S. 309-319) im allgemeinen 2 bis 3 mVg. Die poröse Beschaffenheit des Korns führt durch Kapillarwirkung eine gute Benetzbarkeit sowohl durch Wasser als auch durch nichtwäßrige Medien herbei, und das Beschwerungsmittel besitzt eine hervorragende Dispergierbarkeit Letztere charakterisiert auch das Sedimentationsverhalten. So sedimentiert gegenüber üblichem Schwerspat das erfindungsgemäß eingesetzte Beschwerungsmittel aus Eisen(IH)-Oxid halb so schnell, und gegenüber üblichem Hämatit oder Magnetit beträgt die Sedimentationsgeschwindigkeit weniger als ein Drittel derjenigen der letztgenannten Stoffe. Das Beschwerungsrajuel liegt ferner in einer bestimmten Kornfeinheit unter ?5 Mikron vor. Dabei beträgt der Kornanteil unter 10 Mikron nicht mehr als 30 Gew.-%. Die Kornzusammensetzung des Beschwerungsmittels weist folgende Anteile auf:

50 bis 55 Gew.-%
10 bis 15Gew.-%
10 bis 15Gew.-°/o
20 bis 3OGew.-^u/o

30 bis 75 Mikron

20 bis 30 Mikron

10 bis 20 Mikron

bis 10 Mikron

Bei dieser Kornzusammensetzung beträgt das Schüttgewicht des Besci.werungsmittels 1,4 bis 1,7 g/ml und das nach DIN 53 194 bestimmte St^nipfvolumen 35 bis 55 ml/100 g, was einem Stampfgewicht von 1,8 bis 2,9 g/ml entspricht.

Das Beschwerungsmittel für Bohrspülungen gemäß der Erfindung wird durch Abrösten von flotiertem Pyrit in der Wirbelschicht hergestellt, wie es im Verfahren gemäß der DE-PS 21 39 952 beschrieben ist.

Erfindungsgemäß beschwerte Bohrspülflüssigkeiten haben beispielsweise folgende Zusammensetzung:

1) Ton-Süßwasser-Spülung mit einem spez. Gewicht von 1,50

10001 Wasser
60 kg Bentonit

I Okg Carboxymethylzellulose
715 kg Beschwerungsmittel mit einem spez. Gewicht von 4,7 (hergestellt nach DE-PS 21 39 952)

2) Ton-Salzwasser-Spülung mit einem spez. Gewicht von 1,90

10001 Wasser

30 kg Attapulgit

40 kg Bentonit

30 kg Carboxymethylzellulose
300 kg Kochsalz
1420 kg Beschwerungsmittel wie in I)

3) Öl-Spülung mit einem spez. Gewicht von 2,40

1000 I unbeschwerte Öl/Asphalt-Spülung
3060 kg Beschwerungsmittel wie in 1)

4) Magnesia-Spülung mit einem spez. Gewicht von 1,60

1000 I Wasser
230 kg Kochsalz
430 kg MgCI₂ · 6 H₂O
50 kg MgO (Bohrmagnesia)

40 kg Schutzkolloid
735 kg Beschwerungsmittel wie in 1)

In einer Bohrung in einem Bohrfeld wurden Spülungen mit dem Beschwerungsmittel gemäß der Erfindung verwendet. Im Verlauf der Bohrung wurden aus geologischen Gründen zwei Spülungstypen eingesetzt Nachdem das erste Bohrloch mit einer beschwerten Ton-Süßwasser-Spülung gemäß 1) gebohrt worden

ίο war, wurde ab 1200 m die Ablenkung mit einer beschwerten Ton-Salzwasser-Spülung 2) gebohrt, das spezifische Gewicht der Spülungen lag je nach Erfordernis bei 1,4 bis 1,9.

Bei Anwendung dieser Bohrspülungen mit Beschwerungsmittel gemäß der Erfindung zeigte sich, daß das Beschwerungsmittel sich rasch in die Spülflüssigkeit einarbeiten läßt, und daß bereits nach einem Umlauf das erwünschte spezifische Gewicht eingestellt ist, während es bei Schwerspat mindestens zweier Umläufe bedarf.

2<) Es zeigte sich ferner, daß während der Zirkulation der Bohrspülung kein Absitzen des Beschwerungsmitteis eintritt, und es ist insbesondere zu vermerken, daß auch bei einem Stillstand des Bohrspülungskreislaufes bis zu 10 Tagen praktisch keine nennenswerte Sedimentation des Beschwerungsmittels eintritt. Weiterhin unterliegt das Beschwerungsmittel auch keiner njnnenswerten Zerkleinerung durch den Bohrvorgang, so daß auch über einen längeren Bohrzeitraum ein konstantes Spülungssystem vorliegt. Überraschenderweise ist aber

m auch der Verschleiß bzw. der Abrieb an Metallteilen der Bohreinrichtungen unter Verwendung von mit erfindungsgemäßem Beschwerungsmittel beschwerten Spülungen deutlich geringer als bei mit Schwerspat beschwerten Spülungen sonst gleicher Zusammenset-

Γ) zung, wie in Verschleißversuchen ermittelt wurde. Dies ist auf die abgerundete Kornform wie auch die Porosität des Korns des erfindungsgemäß eingesetzten Beschwerungsmittels aus Eisen(III)-Oxid zurückzuführen. Durch die Verwendung des spezieüen E;scn(III)-Oxids in

w Bohrspülungen, insbesondere in wasserbasischen Spülungen, kann auch der Filterkuchen an den Bohrwandungen leicht durch Säuren wieder entfernt werden. Schließlich hat es sich als Vorteil der erfindungsgemäß beschwerten Bohrspülung erwiesen, daß die durch das

•r> Beschwerungsmittel bewirkte Rotfärbung der Spülflüssigkeit beim Anbohren eines Sauergases leicht und deutlich nach schwarz umschlägt und darüber hinaus das System nicht unbeträchtliche Mengen Schwefelwasserstoff zu binden vermag. Diese Reaktivität des

•o Beschwerungsmittels übt damit eine gewisse Pufferwirkung aus und schafft am Bohrloch für das Arbeitspersona! die Möglichkeit, sich rechtzeitig durch weitere Spülmaßnahmen auf das Auftreten von Schwefelwasserstoff einzustellen.

V) In den nachfolgenden Beispielen wird, wenn nicht anders erwähnt, ein Eleschwerungsmittel aus Eisen(III)-Oxid verwendet, wie es nach dem Verfahren der DE-PS 2139 952 erhältlich ist. Das poröse, eisenoxidische Beschwerungsmittel abgerundeter Kornform weist

h«· folgende Kornzusamrnensetzungen auf:

50 bis 55Gew.-%
10 bis l5Gew.-%
10 bis l5Gew.-%
20 bis 30Gew.-%

30 bis 75 Mikron

20 bis 30 Mikron

10 bis 20 Mikron

bis 10 Mikron

Soweit in den Beispielen als Vergleichssubstanz Schwerspat und handelsübliches, natürliches Eisen(III)-

Oxid als Beschwerungsmittel eingesetzt wurden, wiesen diese die gleiche Kornzusammensetzung auf.

Beispiel 1

In einem RührgefäÖ wurde eine Ton-Süßwasser-Spülung aus den Komponenten 1 I Wasser; 60 g Bentonit, 10 g Carboxymethylzellulose bereitet und mit 715 g (635 g/l) eisenoxidiichen Beschwermittels auf ein spez. Gewicht von 1,50 beschwert. Die Suspension wurde nach 60minütigem Kühren (nach den Richtlinien des Arbeitsausschusses Spülung im Wirtschaftsverband Erdölgewinnung, Hannover, Juni 1968) auf ihre rheologischen Eigenschaften und den Wasserverlust untersucht. Die Abrasivität der Suspension wurde in Anlehnung an die Prüfvorschrift mit dem Abrasivitäts-Testgerät der Fa. Baroid Division der National Lead Company bestimmt. Als Abrasivitätsmaß wurde (in Abänderung der Original-Prüfvorschrift) die Abtragung des Meßstabes in Milligramm anstelle »inch« verwendet.

Das Absetzverhalten (Sedimentation) des Beschwerungsmittels in der Spülflüssigkeit wurde durch die Dispergierbarkeit ausgedrückt. Dazu wurde die Zeit bestimmt, die notwendig ist, um bei einer Rührgeschwindigkeit von 1000 UpM das geforderte spezifische Gewicht der Suspension zu erhalten, gemessen vom Zeitpunkt des Eintragens des Beschwerungsmittels in die unbeschwerte Spülung. Der Endpunkt ist erreicht, wenn drei in verschiedenen Höhen der Suspension gezogene Proben das gleiche spez. Gewicht aufweisen.

In der nachstehenden Tabelle sind die erhaltenen Daten aufgeführt. Es zeigt sich, daß die erfindungsgemäß beschwerte Bohrspülung eine geringere Abrasivität als herkömmliche Bohrspülungen (Beispiel 5,6) zeigt, rascher dispergierbar ist und damit weniger sedimentiert UiJ ferner auch verbesserte, Theologische anwendungstechnische Daten aufweist. Zur Vervollständigung sind in der Tabelle die charakteristischen Daten des verwendeten Beschwerungsmittels (hergestellt nach DE-PS 21 39 952) mit aufgeführt.

Beschwermittels eingerührt und damit ein spezifisches Gewicht von 2,40 erhalten. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist die sehr hoch beschwerte Spülflüssigkeil nach sehr kurzer Zeit homogen suspendiert und besitzt eine äußerst geringe Abrasivität.

Die anwendungstechnischen Daten dieser Spülung sind sehr gut.

¹⁽¹ Beispiel 4

Es wurde eine Magnesia-Spülung aus den Komponenten 1 1 Wasser, 230 g Kochsalz, 430 g Magnesiumii chlorid, 50 g handelsübliche Bohrmagnesia sowie 40 g eines Schutzkolloids bereitet und mit 735 g (525 g/l) eisenoxidischen Beschwermittels auf ein spez. Gewicht von 1,60 beschwert. Aus den ¹^„ten der Tabelle geht

korvnr AcR A.o Wo<r.U,,. or, α ί· ...I „: „.. ;

... ., -.- „„„».„„,..„. ._Ku _U„₅ ,_„,,. ₆U,„₆i.

-'' Abrasivität aufweist sowie eine geringe Zeit bis zur Einstellung des konstanten, spezifischen Gewichts benötigt.

Beispiel 5

Eine Ton-Salzwasser-Spülung, wie in Beispiel 2 beschrieben, wurde mit 1575 g handelsüblichem Baryt (1280 g/l) auf ein spezifisches Gewicht von 1.90 beschwert. Es zeigte sich (si-jhe Tabelle), daß die Suspension bis zum Erreichen dt_-s konstanten, geforderten spezifischen Gewichts etwa die doppelte Zeit der bei Verwendung des eisenoxidischen Beschwermitlels nach den Beispielen 1 bis 4 benötigten erfordert. Die Abrasivität weist ebenfalls gegenüber den Beispielen 1 bis 4 einen erhöhten Wert auf. Die anwendungstechnisehen Daten sind gegenüber denen der Beispiele I bis 4 leicht abfallend.

Beispiel b Beispiel 2

Es wurde eine Ton-Salzwasser-Spülung aus den Komponenten 1 I Wasser, 30 g Attapulgit, 40 g ßentonit, 30 g Carboxymethylzellulose und 300 g Kochsalz bereist und mit 1420 g eisenoxidischem Beschwermittel (1155 g/l) auf ein spez. Gewicht von 1,90 beschwert. Die anwendungstechnischen Prüfungen wurden in der im Beispiel 1 angegebenen Weise durchgeführt.

Die anwendungstechnischen Daten, sowie die Abrasivität und die Dispergierbarkeit sind in der Tabelle aufgeführt.

Es zeigte sich dabei, daß auch in diesem Spülungstyp bei geringer Abrasivität und schneller Einarbeitbarkeit des Bcschwcrmittels in die Spülflüssigkeit eine Suspension mit sehr guten anwendungstechnischen Daten erhallen wurde. Die Charaktcristika des eingesetzten Beschwermittels sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt.

Beispiel 3

In Il einer handelsüblichen Ölspülung auf Basis Asphalt und Dies 'il werden 3060 g cisenoxidischen Nach Beispiel 1 wurde eine Ton-Salzwasser-Spülung bereitet und anschließend mit 1355 g (1100 g/l) eines natürlichen eisenoxidischen Beschwermittels des Handels auf ein spez. Gewicht von 1,90 beschwert. Die Tests wurden gemäß Beispiel 1 vorgenommen. Ei zeigte sich, daß die Zeit bis zur Einstellung eines konstanten, spezifischen Gewichtes rund das Fünffache der in den Beispielen 1 bis 4 benötigten war. Außerdem weist die Suspension eine wesentlich höhere Ahrasivitit als die Spülungen der Beispiele 1 bis4 auf. Die Viskositätswerte werden ebenfalls gegenüber denen der Beispiele 1 bis 4 erhöht. Eine Viskositätserhöhung der Spülflüssigkeif hat Nachteile bei Tiefbohrungen.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Beschwerung von in der Bohrpraxis üblichen Spülungslypen mit porösem Eisenoxid abgerundeter Kornform und bestimmter Kornzusammensetzung anwendungstechnische Vorteile bringt, besonders im Hinblick auf die Einarbeitbi.ikeit des Beschwermittels in die Spülung (Dispergierbarkeit), die Abrasivität der beschwerten Spülung und die anwendungstechnischen Daten. Diese Vorteile zeigen sich besonders deutlich im Vergleich zu Bohrspülungen, die mil natürlichen eisenoxidischen Stoffen oder handelsüblichem Baryt beschwert sind.

Ucispiele

Spiilungslyp

Spe/ilisches Gewicht der Spülung ArI lies Hcschwcrmittcls

Meschwermillel/usal/ in g/l

Anwendungsteehmsehe Daten Scheinbare Viskosiliil in el' ι ί' iVitii ί ioNttiiKC Thixotropic

Wiisserverlusl nach M) min Ahr;isivitiit in mg Oispergierbarkeit in min

Ion-Süß	Icm-Sal/	Ol	Miigncsiii	Tmi-Siil/	I iin-Siil/
1.50	1.4(1	2.40	I.fill	I.¹'	I.¹»
	gemäß I	»Indung		llandcls- baryt	natürl. I iscii(i\itl IvO, des Handels
	1155	3060	525	12X0	ί K)(I
26	.ti	to	27	43	fi5
1 M	1(1	H)	!'.!	2¹'	αι
S		5	S	IO	2^{)
2.x	2.5	2.1	2.(1	3.0	4.1
I I	Kl	h	l.t	2>	X 7
7	(>	4	7	12

Charakleristik des Uesehuermiltels	dl.!)
(hergeslelH nach I)Ii-PS 21 .t<) ^l)52)	d.O
¹¹. I e	2.0
'.· SiO	1.4
"■■ AIO.	O.OX
Ni. Cu. l'b. /n	4.70
¹ uasserliisliehe lieslandteile	2.5
Spe/iHsLhes Gewicht	1.5(1
IiI l-()herlläche ni7g	45
Schüttuewichl g/cm'
St.impluilumen ml/100 g
Slamplgewichl n/cni'

64.0 3.5 0» 0.5 0.07 4.X(I 2.x 1.65 50
2.00

61.0 6.0 2,0 1.4 0.08 4.70

1.50

45

63.0 5.1 1.4 0.') O.OX 4.X0

1.60 40 2.50

Claims

Patentanspruch:

Beschwerungsmittel für Bohrspülungen aus einem über 80% Fe₂O₃ enthaltenden, durch Abrösten von Pyrit gewonnenen Eisenoxid mit einer Dichte von etwa 4,5 bis 5,0, einer Kornfeinheit unter 75 Mikron und poröser Oberflächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Abrösten von Flotationspyrit in einer Wirbelschicht gewonnenen Eisenoxidpartikel eine abgerundete Kornform und eine Kornverteilung von

50 bis 55 Gcw.-o/o 10 bis 15Gew.-% 10 bis 15Gew.-% 20 bis 30Gew.-%

30 bis 75 Mikron

20 bis 30 Mikron

10 bis 10 Mikron

bis 10 Mikron

aufweisen.