DE2838479C2 - Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt - Google Patents
Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung
einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt, wobei man
Kugeidichtungen. deren Dichte geringer ist als die Dichte der Trägerflüssigkeit, mit dieser Flüssigkeit in
das Bohrloch einführt.
Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 27 54 910 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zum
Aufbrechen der Formationen durch die Injektion einer Flüssigkeit unter hohem Druck. Die Flüssigkeit wird
dabei unter ansteigendem Druck in das Bohrloch eingeführt, bis der Berstdruck für die Formation erreicht
ist. Zum Zeitpunkt des Aufbrechens der Formation werden die Kugeldicb'jjngen der Flüssigkeit beigegeben
und setzen sich bei abfallendem Druck durch das Druckdifferential der in die Formation einströmenden
Flüssigkeit auf die Perforationen auf.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart
auszugestalten, daß ein Abdichten der Perforationen durch die Kugeldichtungen mit einem hohen Aufsetzwirkungsgrad
möglich ist. ohne daß ein Aufbrechen der Formation eintritt.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches
angegebenen Merkmale. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemälien Verfahrens
wird auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen.
Nach der Erfindung injiziert man die die Kugeldichtungen enthaltende Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz,
der unterhalb desjenigen liegt, der die Formation um die Bohrlochauskleidung aufbrechen würde und mit
einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Kugeldichtungen
entgegen der Auftriebskraft nach unten zu den abzudichtenden Perforationen zu führen.
Hierdurch läßt sich in einer optimalen Weise ein I00°/oiger Aufsetzwirkungsgrad erzielen, d.h., jede
injizierte Kugeldichtung setzt sich auf eine nicht abgedichtete Perforation auf und verschließt diese.
Nach der Behandlung der Kohlenwasserstoff führenden Formation gleicht man den Druck der Flüssigkeit
innerhalb der Bohrlochauskleidung aus, womit die Kugeldichtungen von den Perforationen, welche sie
abgedichtet haben, freigegeben werden. Die Kugeldichtungen sind leichter als die Behandlungsflüssigkeit und
steigen dementsprechend durch die Bohrlochauskleidung nach oben. Ein Kugelfänger kann vorgesehen sein,
um die Kugeldichtungen abzusondern, bevor sie Einrichtungsgegenstände erreichen, die sie verstopfen
oder beschädigen können.
Einzelheiten werden durch die nachfolgende Beschreibung der Erfindung anhand verschiedener Beispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich. Dabei zeigt im einzelnen
Fig. I einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung, in
welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt
wird,
Fig.2 die Darstellung eines Bohrlochkopfes zur
Steuerung des Kohlenwasserstoffstromes aus dem Bohrloch einschließlich eines teilweise aufgeschnittenen
Kugeifängers zur Aussonderung der Kugeldichtungen,
Fig.3 eine grafische Darstellung des Aufsetzwirkungsgrades,
aufgetragen über der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund von Experimenten,
F i g. 4 eine grafische Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit
innerhalb der Bohrlochauskleidung, aufgetragen über dem normalisierten Dichteunterschied
zwischen einer Kugeldichtung und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund durchgeführter Experimente, und
Fig.5 eine grafische Darstellung des Aufsetzwirkungsgrades,
aufgetragen über dem normalisierten Dichteunterschied zwischen einer Kugeidichtung und
der Behandlungsflüssigkeit aufgrund durchgeführter Experimente.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Fig.! dargestellt- Das in F i g. 1 gezeigte Bohrloch 1 ist
mit einer Bohrlochauskleidung 2 versehen, iie bis zum Fuß der Bohrung läuft und mit einer Betonumhüllung
außen umgeben ist, die die Bohrlochauskleidung an ihrem Platz festhält und die durchdrungenen Formationen
oder Schichten isoliert. Die Betonumhüllung 3 erstreckt sich von dem Fuß der Bohrung zumindest bis
zu einem Punkt oberhalb der fördernden Formation 5. Um die Kohlenwasserstoffe aus der produzierenden
Formation 5 zu fördern oder abziehen zu können, ist es erforderlich, eine Verbindung zwischen der produzierenden
Formation 5 und dem Inneren der Bohrlochauskleidung 2 herzustellen. Dies wird über Perforationen 4
erzielt, die durch die Bohrlochauskleidung 2 und die Zementumhüllung 3 mit Hilfe eines hinlänglich bekannten
Strahl- oder Schußgerätes eingebracht werden.
Die aus der fördernden Formation 5 durch die Perforationen 4 in das Innere der Bohrlochauskleidung
2 einströmenden Kohlenwasserstoffe werden über eine Förderleitu-g 6 zur Oberfläche transportiert. Ein
Dichtungsstück 7 ist im Bereich des unteren Endes der Förderleitung 6, und zwar oberhalb der höchsten
Perforation, angeordnet, um eine Druckdichtung zwischen der Förderleitung 6 und der Bohrlochauskleidung
2 zu schaffen. Es werden nicht immer Förderleitungen eingesetzt, sondern in manchen Fäuen auch das gesamte
innere Volumen der Bohrlochauskleidung ausgenutzt, um die Kohlenwasserstoffe zur Erdoberfläche zu führen.
Wenn in der Vergangenheit Kugeldichtungen zur Ableitung während eir.es Formationsaufbrechvorganges
eingesetzt werden sollten, wählte man meist Kugeldichtungen mit eir.er größeren Dichte als die
Dichte der Behandlungsflüssigkeit aus. Es soll zunächst zum besseren Verständnis der Erfindung der Aufsetzmechanismus
dieser herkömmlichen Kugeldichtungen untersucht werden. Die Geschwindigkeit der Kugeldichtungen
mit einer größeren Dichte als diejenige der Flüssigkeit in dem Bohrloch besteht aus zwei Komponenten.
Jede Kugeidichtung besitzt eine »Sink«-Geschwindigkeit, die auf der Differenz der Dichten
zwischen der Kugeidichtung und der Flüssigkeit beruht und jeweils als vertikal abwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente
vorliegt. Die zweite Komponente der Geschwindigkeit der Kugeldichte beruht auf den
Zugkräften, die von der sich um die Kugeldichtung bewegenden Flüssigkeit auf die Kugeidichtung übertragen
wird. Diese Geserwindigkeitskomponente liegt in
der Richtung der Flüssigkeitsströmung. Innerhalb der
Förderleitung und innerhalb der Bohrlochauskleidung oberhalb der Perforationen wird die Geschwindigkeitskomponeiite,
die auf der Flüssigkeitsströmung beruiit, im wesentlichen abwärts gerichtet sein.
Unmittelbar oberhalb des perforierten Bereiches der Bohrlochauskleidung nimmt die Flüssigkeit eine horizontale
Geschwindigkeitskomponente an, die radial nach außen und durch die Perforationen 4 gerichtet ist.
Der Strom durch jede Perforation muß hinreichend sein, um die Kugeldichtung 10 auf die Perforation zu ziehen,
bevor die Kugeldichtung an dieser Perforation vorbeisinkt. Wenn der Strom der Behandlungsflüssigkeit durch
verschiedene Perforationen die Kugeidichtung nicht auf eine Perforation zieht, bevor die Kugeidichtung an der
niedrigsten Perforation vorbeisinkt, fällt die Kugeldichtung lediglich in den Bereich des Rattenloches 8 am
■ Fuße des Bohrloches ab, wo sie verbleibt.
Bei der Erfindung werden Kugeldichtungen 10 verwendet, deren Dichte geringer ist als diejenige der
Behandiungsflüssigkeit. Innerhalb ries Bohrloches besitzt
jede Kugeldichtung eine Geschwindigkeit, die aus zwei Komponenten besteht. Die ers\e Geschwindigkeitskomponente
ist senkrecht nach oben als »Steig«- Geschwindigkeit gerichtet und beruht auf dem Auftrieb
der Kugeldichtung in der Flüssigkeit. Die zweite Gescliwindigkeitskomponente beruht auf den Übertragungskräften,
die durch die Bewegung der Flüssigkeit um die Kugeldichtung auf diese übertragen wird.
Oberhalb der Perforationen ist diese Geschwindigkeitskomponente im allgemeinen nach unten gerichtet. Es ist
wesentlich, daß die nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente in der Förderleitung 6 und innerhalb
der Bohrlochauskleidung 2 oberhalb der Perforation 4 ausreicht, urn eine Kraft auf die Kugeldichtungen zu
übertragen, die größer isi als die aufwärts gerichtete
Auftriebskraft auf die Kugeldichtung. Dies führt dazu, daß die Kugeldichtungen nach unten in den Bereich der
Bohrlochauskleidung geführt werden, der die Perforationen trägt. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit muß
jedoch mit einem Durchsatz geführt werden, der geringer ist als derjenige, der ein Aufreißen der
Formation bewirken würde.
Wenn die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kugeldichtungen eingesetzt werden, setzen
sie sich niemals in dem Bereich de" Rattenloches 8 ab. Das bedeutet, daß unterhalb der untersten
Perforation, durch welches noch Behandlungsflüssigkeit fließt, aufgrund des Auftriebes sich keine Kugeldichtung
aufhalten wird. Unterhalb der untersten, eine Behandlungsflüssigkeit aufnehmenden Perforation steht die
Flüssigkeit in dem Bohrloch still. Da dort keine abwärts gerichteten Kräfte auf die Kugeldichtung wirken, um
diese unterhalb der untersten Behandlungsflüssigkeit aufnehmenden Perforation zu halten, dominieren die
aufwärts gerichteten Auftriebkräfte auf die Kugcldichtung in diesem Bereich. Dementsprechend ist bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren die Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung eine Funktion der
vertikalen Posttim innerhalb der Bohrlochauskleidung. Unterhalb der untersten Perforation und möglicherweise
höher, wenn nur wenig Flüssigkeit abwärts und durch die unteren Perforationen fließt, ist die resultierende
Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung aufwärts gerichtet aufgrund des Überwiegens der
Auftriebskraft übe r die abwärts gerichtete von der Flüssigkeit übertragene Kraft. Oberhalb der höchsten
Perforation und möglicherweise niedriger, wenn nur
wenig Flüssigkeit durch die höchsten Perforationen fließt, ist die resultierende Vertikalgeschwindigkeit
einer jeden Kugeldichtung abwärts gerichtet, da die abwärts gerichteten, von der Flüssigkeit übertragenen
Kräfte gegenüber der Auftriebskraft überwiegen.
Die Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit, verbleiben
innerhalb des perforierten Bereiches der Bohrlochauskleidung, durch welchen die Flüssigkeit strömt, oder
bewegen sich hierauf zu, bis sich die Kugeldichtungcn auf eine der Perforationen aufsetzen. Während sie sich
innerhalb dieses Bereiches der Bohrlochauskleidung aufhalten, übt die Bewegung der Flüssigkeit in Richtung
auf und durch die Perforationen eine Kraft aus auf die Kugeldichtungen, um diese in Richtung auf die
Perforationen zu führen, wo sie sich dann aufsetzen und durch die Druckdifferenz gehalten werden. Wenn die
Kugeldichtungen die perforierte Zone erreichen, führen die von dem Flüssigkeitsstrom durch die Perforationen
übertragenen Kräfte dazu, daß einige der Kugeidichtungen sich auf einige der Perforationen aufsetzen, wobei
es sich hier normalerweise um die Perforationen handelt, die ein überdurchschnittlich hiohes Volumen an
Flüssigkeit aufnehmen. Damit werden einzelne Perforationen abgedichtet, bis ein so großer Teil des
perforierten Bereiches hinreichend abgedichtet ist, um den Durchsatz durch diesen Bereich zu vermindern. Die
Verminderung des Durchsatzes führt zu einer Verringerung
der abwärts gerichteten Kräfte, die auf die schwebenden Kugeldichtungen übertragen werden, bis
zu einem Wert, der geringer ist als der aufwärts gerichtete Auftrieb. Wenn dieser Wert erreicht ist,
steigen die in dem teilweise abgedichteten Bereich schwebenden Kugeldichtungen an, bis die Strömungskräfte der Flüssigkeit, die in die Perforationen einfließt,
die Kugeldichtungen auf die Perforationen aufsetzt. Wenn während der Behandlung infolge dieser eine
Ein Kugelfänger 30. der diese Aufgabe erfüllt, ist in Fi g. 2 dargestellt.
Die F i g. 2 zeigt eine typische Ausbildung einer Bohrlochkopfeinrichtung für eine Förderbohrung. Die
Bohrlochausklcidung 2 erstreckt sich ein wenig bis über
das Bodenniveau und halt die Bohrlocheinfassung oder den »Vielfachanschluß« 20. Die Förderleitung 6 befindet
sich innerhalb der Bohrlochauskleidung 2 und stellt eine
Verbindung zu eiern unteren Ende des Hauptventils 21 her. Das Hauptventil 21 steuert den öl- und Gasstrom
aus der Bohrung. Oberhalb des Hauptventils 21 ist ein T 25 vorgesehen, das eine Verbindung mit dem Bohrloch
entweder über das Kopfventil 22. oder das Seitenventil 23 herstellt. Am oberen Ende des Kopfventils kann eine
unterschiedliche Einrichtung angeordnet sein, wobei eine Verbindung zu dieser Einrichtung von dem
Bohrloch hergestellt wird, indem man das Kopfventil 22
und das Kopfventil 21 öffnet. Normalerweise wird das Kopfventil 22 in einer geschlossenen Stellung gehalten.
Die Füiucruiig aus uei Building iiieöi uuicii das T 25
und seitlich über das Seitenventil 23 ab. Das Seitenventil 23 leitet den Flüssigkeitsstrom von dem Bohrlochkopf
zu der Sammelleitung 26.
Ein Kugelfänger 30, der im Schnitt dargestellt ist,
befindet sich stromabwärts von dem Seitenventil und stromaufwärts von einer Drosselstcllc 24. Die geförderte
Flüssigkeit durchströmt den Kugelfänger 30, wobei die Kugeldichtungen hierin eingeschlossen werden.
Nachdem die geförderte Flüssigkeit die Drosselstelle durchlaufen hat, wird sie in der Sammelleitung 26 einer
Trenneinrichtung und anschließend entweder Vorratsbehältern oder einer Transportierung zugeführt.
Bei dem Kugelfänger 30 handelt es sich im wesentlichen um ein T mit einem Ablenkeinsatz 34, der
ein Ablenkgitter 35 trägt, der am stromabwärtigen Ende des T eingesetzt ist. Das Ablenkgitter 35 gestattet, einen
Flüssigkeitsdurchstrom ohne Gegenstände in der Größe
[>A..rA_...:*~.~ .«xfr.Ai ...:_*J fr.u..· Λ'·η nn^u ....·»_ Aar K11 iiaM ΐ/*Η 11 ιπαρπ Ht irr*h 7i ilaccpn Vn^iicrcu/oic«» ict
t-itviatiuii KUWtIIiUt miu, mutt utu itat.ii utituii *.*.. .«uqv·«-.«.··.».*»«■·· · -— *·- - — · ——o" " ~·-— *-*·
gerichtete Strömung und die sich hieraus ergebende Kraft die Kugeldichtungen zu den unteren Perforatio- w
nen hin. Auf diese Weise kann eine schwebende Kugeldichtung tatsächlich abwärts, aufwärts und zurück
zu dem perforierten Bereich geführt werden, bis eine offene Flüssigkeit aufnehmende Perforation gefunden
ist.
Im Ergebnis führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, daß alle Kugeldichtungen, die in das Bohrloch
injiziert und zu der perforierten Zone der Bohrlochauskleidung hin transportiert werden, sich auf die
Flüssigkeit führenden Perforationen aufsetzen und diese >o
abdichten mit einem unveränderlichen Wirkungsgrad von 100%. Das bedeutet, daß jede Kugeldichtung sich
auf eine Perforation aufsetzt und diese abdichtet, solange eine Perforation existiert, durch welche
Flüssigkeit strömt, sofern der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrlochauskleidung abwärts oberhalb der obersten
Perforation ausreicht, um eine hinreichende abwärts gerichtete Kraft auf die jeweilige Kugeldichtung
auszuüben, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtung wirkt.
Nach Beendigung der Behandlung mit Kugeldichtungen, die eine geringere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit
besitzen, wie die Erfindung lehrt, lösen sich alle Kugeldichtungen von den Perforationen und wandern
aufwärts. Es sollte dementsprechend eine Einrichtung vorgesehen sein, um die Kugeldichtungen anszusondern,
bevor sie Einrichtungsgegenstände durchlaufen, die hierdurch verstopft oder beschädigt werden können.
das Ablenkgitter 35 in einem schrägen Winkel innerhalb des Kugelfängers 30 angeordnet, so daß eine Kugeldichtung,
die an das Ablenkgitter 35 anstößt, in den Fuß 32 des T abgelenkt wird. Eine Kappe 33 ist am unteren
Ende des Fußes 32 aufgesetzt, die leicht abgenommen werden kann, wenn das Seitenventil geschlossen und ein
Druckausgleich erreicht ist, um das herausnehmen der eingefangenen Kugeldichtungen zu ermöglichen.
Versuchsbeispiele
Es wurden Versuchsbeispiele durchgeführt, um den Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen zu bestimmen,
wenn die Kugeldichtungen eine Dichte besit7*n, die größer als diejenige der Behandlungsflüssigkeit ist,
und wenn die Kugeldichtungen eine Dichte besitzen, die geringer als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit ist
Die Laborversuche wurden ausgelegt, um das Aufsetzen der Kugeldichtungen auf den Perforationen in einer
Bohrlochauskleidung zu simulieren. Die Experimentiereinrichtung umfaßte ein 244 cm langes Plexiglas-(Lucite-)Rohr
mit einem Durchmesser von 76,2 mm, das einen Abschnitt der Bohrlochauskieidung repräsentierte.
Das Lucite-Rohr wurde vertikal in dem Labor angeordnet, wobei das untere Ende dicht verschlossen
wurde. Zwischen 91 cm und 122 cm von dem Boden wurden 5 vertikal ausgerichtete Löcher durch die Wand
des Rohres gebohrt, die die Perforationen darstellten. Die Löcher besaßen einer. Durchmesser von 9,5 mm und
einen mittigen Abstand von 50,8 mm.
Ein 90°-Knie wurde an dem oberen Ende des
Luciie-Rohres befestigt und über eine Förderleitung ;in
eine Pumpe angeschlossen. Die Pumpe zog Flüssigkeit von einem Reservoir ;ib und pumpte diese bei
unterschiedlichem gesteuertem Durchsatz durch die Förderleitung in das obere Ende des Rohres hinein. Die
Flüssigkeit strömte durch das Lucite-Rohr abwärts, durch die Perforationen und wurde durch eine weitere
Förderleitung in das Reservoir zurückgeführt.
Ur.p die Kugeldichiungen zu injizieren, wurde eine
entsprechende öffnung in das Knie eingebracht und ein Rohr von 25,4 mm Durchmesser wurde in der öffnung
verschweißt. Das Ende des 25.4-mm-Durchmesser-Rohres
wurde koaxial zu dem Lucite-Rohr am oberen Ende des Rohres ausgerichtet. Die Kugeldichtungen wurden
in das l.ucite-Rohr durch das Rohr mit dem Durchmesser
von 25.4 mm eingeführt.
Der Flüssigkeitsdurchsatz in das obere Ende des Lucite-Rohres wurde gemessen. Es wurde angenommen,
daß der Durchsatz durch jede der Perforationen gleich war, so daß man die Annahme traf, daß jede
Perforation 1/5 des gemessenen Durchsatzes, der in das obere Ende des Lucite-Rohres eingeführt wurde,
aufnahm.
Während der ersten Phase der Versuchsdurchführung wurde Wasser mit einer Dichte von 1,0g/cmJ als
Flüssigkeit eingesetzt. Starre Kugeldichtungen wurden aus vier verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen
Dichten hergestellt. Die Kugeln besaßen jeweils einen Durchmesser von 19,1 mm und waren aus
Polypropylen (Dichte 0,84 bis 0,86 g/cm3). Nylon, (Dichte 1,11 g/cm3), Acetal (Dichte 1,39 g/cm3) bzw.
Teflon (Dichte 2,17 g/cm3) hergestellt. Diese Kügeldichtungen
besaßen keinen elastomeren Überzug, wogegen in der Praxis Kugeldichiungen normalerweise eingesetzt
werden, die einen elastomeren Überzug besitzen, so daß eine bessere Dichtung erreicht wird. Der Zweck
dieser Experimente war jedoch, die Aufsetzcharakteristika
zu bestimmen und nicht die Abdichicharakierisiika.
so daß ein elastomerer Überzug nicht erforderlich war.
Bei dem Versuch wurde allgemein ein spezifischer Flüssigkeitsdurchsatz durch die Perforationen aufgestellt,
die Kugeldichtungen wurden durch das 25,4-mm-Durchmesser-Rohr in das obere Ende des 244 cm
langen Rohres injiziert und es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtungen auf die Perforationen aufsetzten
oder nicht. Das Versuchsprogramm wurde durchgeführt mit Kugeldichtungen aller 4 Materialien, die in das Rohr
injiziert wurden, während Wasser das Rohr mit verschiedenen Durchsätzen durchströmte.
Bei einer einzigen Versuchsreihe wurden 10 Kugeln des gleichen Materials jeweils eine nach der anderen
oben in das 244-cm-Lucite-Rohr injiziert. Es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtung auf eine der
Perforationen aufsetzte. Wenn sich eine Kugel auf eine Perforation aufsetzte, wurde diese vor der Freigabe der
nächsten Kugel entfernt, so daß jeweils 5 offene Perforationen für jede Kugel zum Aufsetzen frei waren.
Während einer einzigen Versuchsreihe verblieben die Flüssigkeit und deren Durchsatz unverändert.
Nachdem alle 10 Kugeln eingeführt waren, wurde die Anzahl der geschlossenen Perforationen als Aufsetzwirkungsgrad
unter diesen Bedingungen bestimmt und als Prozentzahl ausgedrückt
Es wurden Versuche durchgeführt, um in einer Regressionskurve den Aufsetzwsrkangsgrad über dem
Durchsatz für alle zu untersuchenden Kugeldichtungen aufzutragen. Die Werte dieser Regressionskurven
wurden dann verwendet, um die grafische Darstellung gemäß Fig. 3 aufzuzeichnen. Die grafische Darstellung
gemäß F i g. 3 zeigt den Aufsetzwirkungsgrad für die untersuchten Kugeldichtungen über dem Durchsatz. Da
in dem Lucite-Rohr 5 Perforationen vorgesehen waren, läßt sich der Durchsatz durch jede Perforation leicht
bestimmen, indem man den Gesamtdurchsatz durch 5 teilt. Die F i g. 3 zeigt, daß der Aufsatzwirkungsgrad der
Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit stark abnimmt, mit
abnehmendem Durchsatz. Zum Vergleich verbleibt der Aufsetzwirkungsgrad der auftreibenden Kugeldichtungen
(0,84 g/cm3) bei 100% bis herab zu einem Durchsatz von etwa 0,9465 l/sec. Unter diesem Durchsatz fällt der
Aufsetzwirkungsgrad auf 0% ab. Wie zu einem späteren Zeitpunkt noch diskutiert und erläutert werden wird,
sich Veränderungen in dem Dichteunterschied erforderlich, um einen Aufsetzwirkungsgrad von 100% bei
Durchsetzen von unter 0,9465 l/sec für diese spezielle Situation zu erhalten.
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, liegt der Grund dafür, daß Kugeldichtungen herkömmlich nicht
für Formationsbehandlungen eingesetzt worden sind, darin, daß der Aufsetzwirkungsgrad bei den Behandlungsdurchsätzen
sehr gering ist. Die Fig. 3 bestätigt diese Annahme für Kugeldichtungen mit einer Dichte,
die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit. Ein Gesamtdurchsatz von unter 1,5775 l/sec, der einem
Durchsatz von etwa 0,3155 l/sec pro Perforation entspricht, simuliert einen relativ hohen Durchsatz, bei
welchem Formationsbehandlungen durchgeführt werden können, ohne daß die Formation aufbricht. Bei
diesem Durchsatz liegt der Aufsetzwirkungsgrad für Kugeln, die dichter als die Flüssigkeit sind, bei oder in
der Nähe von 0%. Wenn die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist der
Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen in erster Linie eine Funktion des Durchsatzes durch die
Perforation. Je größer der Durchsatz durch die Perforation ist, umso größer ist der Aufsetzwirkungsgrad.
Der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der
Flüssigkeit, ist jedoch grundsätzlich ein statistisches Phänomen. Eine Veränderung der Zahl, des Abstandes
und der Ausrichtung der Perforationen beeinflußt mit hoher Wahrscheinlichkeit den genauen Aufsetzwirkungsgrad,
der in einer vorgegebenen Situation erwartet werden kann. Da das Aufsetzen der Kugeldichtungen
mit einer Dichte, die größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ein statistisches Phänomen ist, liegt dementsprechend
immer die Möglichkeit vor, daß zuwenige ode/ zuviele Kugeldichtungen sich aufsetzen, um die
angestrebte Ableitung zu erzielen. Nichtsdestoweniger ist der Aufsetzwirkungsgrad bei Behandlungsdurchsätzen
von Kugeldichtungen, die schwerer sind als die Flüssigkeit, sehr schlecht
Im Gegensatz zur Wirksamkeit der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als die Dichte der
Flüssigkeit, liegt die Wirksamkeit der auftreibenden Kiigeldichtungen. Wie bereits oben erwähnt wurde,
liegt der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte von 0,84 g/cm3 bei 100% bei
Durchsetzen von oberhalb 03465 l/sec. Der Aufsetzwirkungsgrad
einer Kugel mit einer Dichte, die geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit, liegt immer bei 100%,
vorausgesetzt, daß die abwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung in der Bohrlochauskleidung oberhalb der
Perforationen ausreicht, um auf die Kueeldiehtmnren
eine abwärts gerichtete Kraft zu übertragen, die größer
ist als der auf die Kugcldichtungcn wirkende aufwärts gerichtete Auftrieb. Wenn mit anderen Worten der
abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung ausreicht, um die Kugcldichtungcn
nach unten zu den Perforationen zu führen, setzen sie sich stets auf. Der Sprung des Aufsetzwirkungsgrades
von auischwinn·.enden Ku^xIn von 0% auf 100%
bei etwa 0.9465 i.-see stellt den niedrigsten Durchsatz
dar, bei welchem die aufschwimmenden Kugeln durch das Bohrloch abwärts geführt werden können. In diesem
speziellen Beispiel ist unterhalb eines Durchsatzes von etwa 0.9b45 l/scc der aufwärts gerichtete Auftrieb der
Kugeln größer als die von dem abwärts gerichteten Strom der Behandlungsflüssigkeit übertragene Kraft, so
daß ein abwärtiger Transport der Kugeldichtungen zu den Perforationen nicht möglich ist. Andererseits setzen
sich die Kugeln immer auf. wenn der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung
führt. Ein voraussagbares nicht statistisches Ableitungsverfahren
wird dementsprechend erzielt, da die Zahl der durch die Kugeldichtungen zugesetzten Perforationen
gleich ist der jeweils geringeren Zahl der injizierten Kugeldichtungen in die Bohrlochauskleidung bzw. der
Zahl der Flüssigkeit aufnehmenden Perforationen.
Die Beziehung zwischen dem Dichteunterschied und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um
die Kugeldichtungen durch die Bohrlochauskleidungen abwärts zu führen, wurde untersucht. Fig.4 zeigt eine
grafische Darstellung des normalisierten Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der
Flüssigkeit, aufgetragen über der Geschwindigkeit der innerhalb der Bohrlochauskleidung abströmenden Flüssigkeit.
Der normalisierte Dichteunterschied ist die Differenz der Dichte zwischen den Kugeldichtungen
und der Flüssigkeit dividiert durch die Dichte der Flüssigkeit. Ein positiver normalisierter Dichteunterschied
bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit und ein
negativer normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer ist als die
Dichte der Flüssigkeit. Υλ folgt hieraus, daß der
normalisierte Dichteunterschied von 0 bedeutet, daß die Kugeldichtung und die Flüssigkeit die gleiche Dichte
besitzen. Die grafische Darstellung gemäß F i g. 4 beruht auf einer Anzahl von Untersuchungen, bei welchen eine
Kugeldichtung innerhalb eines vertikalen Lucite-Rohrstückes eingesetzt und Flüssigkeit durch das Rohr
abwärts geführt wurde. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit wurde eingestellt, bis die Kugeldichtung in
einer festen Position im mittleren Bereich des Rohres einnahm. In dieser Gleichgewichtsposition waren die
von der Flüssigkeit auf die Kugeldichtung übertragenen Kräfte gleich der Auftriebskraft der Kugeldichtung.
Kugeldichtungen verschiedener Dichten wurden zusammen mit zwei Flüssigkeiten untersucht, nämlich
Wasser und Calziumchloridsole mit einer Dichte von 13 g/cm3, woraus sich die Kurve gemäß F i g. 4 ergab.
Die aufgezogene Linie gibt den Gleichgewichtszustand an. bei welchem die Kugeldichtung stationär
innerhalb der Bohrlochauskleidung verbleibt und sich weder nach oben noch nach unten bewegt Unterhalb
der in F i g. 4 dargestellten Linie würde die Geschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung unzureichend sein, um die Auftriebskraft zu
überwinden und die Kugeldichtungen steigen innerhalb der Bohrlochauskleidung an. Oberhalb der in Fig.4
dargestellten Linie übt die Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung eine Kraft auf die Kugeldichtungen
aus. die größei ist als die Auftriebskraft, die auf die
Kugeldichtungen wirkt. Dementsprechend werden die Kugeldichtungcn durch das Bohrloch abwärts geführt.
Alle Punkte auf der Linie und darunter entsprechen einem normalisierten Dichteunterschied und einer
bestimmten Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die zu einem Aufsetzwirkungsgrad von 0°/o führt, da die
Kugcldichtungcn nicht abwärts zu den Perforationen geführt werden. Wenn jedoch der normalisierte
Dichteunterschied und die Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit einen Punkt definieren, der oberhalb der in
F i g. 4 aufgezeichneten Linie entspricht, wird der Aufsetzwirkungsgrad stets 100% sein, da die Kugcldichtungcn
bis zu den Perforationen transportiert werden auf welche sie sich aufsetzen. Der Auftrieb hält sie in
einer Position bei oder oberhalb der untersten Perforation und die abströmende Fliissigkeitsgeschwindigkcit
innerhalb;
obersten Perforation hält die Kugeldichtung bei oder unterhalb des Niveaus der obersten Perforation.
Es bedarf lediglich eines geringen Flüssigkeitsstromes
durch eine Perforation, um eine Kugeldichtung /u der
: Perforation hinzuführen und sie hierauf abzusetzen,
wenn die Zeitdauer, während welcher die durch die Perforation strömende Flüssigkeit auf die Kugeldichtung
wirken muß. lediglich durch die Dauer der Injektionszeit begrenzt ist. Dies ist jedoch eine wichtige
μ Begrenzung, damit die Kugeldichtung keine unendliche
oder eine sehr lange Zeit in Anspruch nehmen kann, um die Perforationen zu erreichen. Obwohl die Behandlungsflüssigkeit
eine hinreichende Geschwindigkeit innerhalb der Bohrlochauskieidung besitzen kann, um
■ die auftreibenden Kugeldichtungen durch das Bohrloch abwärts zu führen, kann es hierzu einer übermäßig
langen Zeit bedürfen. Dementsprechend liegt ein hegrenzender Faktor in der Menge an Behandlungsflüssigkeit.
die die Kugeldichtungen bis zu den
i" Perforationen abwärts führt. Für die Erfindung ist
wesentlich, daß sich die Kugeln aufsetzen müssen, bevor
die gesamte Behandlungsflüssigkeit durch d> Perforationen injiziert ist. Vorzugsweise sollten sich die
Kugeldichtungen in einem frühen oder einem mittleren
■ · Stadium des Injektionsverfahrens aufsetzen. Somit kann
der Auftrieb der Kugeldichtungen diese nicht mit einer Geschwindigkeit nach oben führen, die sie mehr als die
Länge des gesamten Zeitintervalles ziehen läßt, während dessen die Behandlungsflüssigkeit In das
5i> Bohrloch injiziert wird. Dieses Konzept und die
hierdurch entstehenden Beschränkungen werde ι in dem Ausführungsbeispiel noch weiter erläutert.
Als Abschlußtest für den Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit unterschiedlicher Dichte wi rden
eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um die Aufsetzwirkungsgrade für verschiedene normalisierte
Dichteunterschiede bei einem konstanten Durchsatz zu vergleichen. Bei diesem Test wurde ein Abschnitt eines
Lucite-Rohres mit einem Durchmesser von 76,2 mm und vertikal ausgerichteten Perforationen mit einem Durchmesser von 9,53 mm als simulierte Bohrlochauskleidung
eingesetzt Der Durchsatz an Trägerflüssigkeit wurde konstant bei 03465 1/sec oder 0,0947 1/sec pro Perforation gehalten. Dieser Durchsatz wurde als typisch für
e5 eine Formationsbehandlung festgelegt Während der
Untersuchungen wurden die Dichten der Behandlungsflüssigkeit verändert und es wurden Kugeldichtungen
mit unterschiedlicher Dichte ausgewählt, so daß man
I 1
einen rcliitiv breiten Bereich normalisierter Dichteunterschiede
zwischen -0.27UnU +0.08 Ci hielt.
Die Ergebnisse dieser Versuche sind in F i g. 5
dargestellt, die eine Kurve des Aufsetzwirkungsgrades,
aufgetragen über dem normalisierten Dichteurrterschied
für einen konstanten Durchsatz von 0.9465 l/sec zeigt.
Wie aus den weiter oben beschriebenen Versuchen /u erwarten war. war der Aufsetzwirkungsgrad von
Kugeldichtungen mit einem positiven Dichteunterschied geringer als 100%. Außerdem zeigen diese
Kugeldichtungen einen stark abnehmenden Aufsetzwirkungsgrad mit wachsendem Dichteunterschied. Diese
Ergebnisse stimmen mit den in F i g. 3 dargestellten überein. wonach die Kugeldiehtungen mit einer Dichte
von 2,17 g/cn.1' einen merklich geringeren Aufset/wirkungsgrad
besaßen als die Kugeldichiungen mit einer Dichte von 1.11 g/cmJ oder 1.34 g/cm1 bei vergleichbaren
Durchsalzen.
Von größerer Bedeutung sind die in F i g. 5 dartjesii-llten
UntersucHiingsergebnissc für die Kugeldiehtungen
mit einem negativen Dichteunterschiec. Für einen normalisierten Dichteunterschied von weniger als 0.00,
jedoch großer als etwa -0.15 erreichten die Kugeldichtungen
einen Aufsetzwirkungsgrad von H)O1Iu. Die
F i g. 5 zeigt, daß ein Bereich von Dichten tier
Kugeidichtungen einen Aulsetzwirkungsgrad von 100% erreicht. Der Bereich ist jedoch endlich und umfaßt
nicht alle auftreibenden Kugeldichtungen. Unterhalb eines Dichteunterschiedes von etwa —0.15 war der
Auftrieb der Kugeldichtungen so stark, daß sie nicht nach unten zu den Perforationen mittels der Behandlungsflüssigkeit
bei einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit von 0.9465 transportiert werden konnten,
was damit zu einem Aufsetz.wirkungsgrad von 0% führte.
Die experimentellen Ergebnisse stützen gründlich die in F i g. 3 dargestellten Ergebnisse für auftreibende
Kugeidichtungen mit einer Dichte von 0.84 g/cm1. Die
Kugeldichtung, die einen normalisierten Dichteunterschied von —0.16 besaß, erziehe einen Aufsetzwirkungsgrad
von 100% unterhalb der Flüssigkeitsdurchsätze von etwa 0.9654 l-'sec. Unterhalb dieses Durchsatzes
war der Aufsetzwirkungsgrad 0. Dies Ergebnis stimmt mit F i g. 5 überein. die einen Aufsetzwirkungsgrad
von 0% für einen Dichteunterschied von 0,16 bei einem vorgegebenen Durchsatz von 0,9465 l/sec zeigt.
Es liegt eine besondere Situation vor. wenn der normalisierte Dichteunterschied 0 ist. Wie bereits oben
erwähnt, ist der normalisierte Dichteunterschied 0. wenn die Dichte der Kugeidichtungen die gleiche ist wie
diejenige der Flüssigkeit. Es wurden keine Versuche durchgeführt, bei welchen die Kugeldichtungen genau
die gleiche Dichte wie die Flüssigkeit besaßen, jedoch der Trend der Werte /.eigt an, daß der Aufsetzwirkungsgrad für einen normalisierten Dichteunterschied von 0
etwas geringer als 100% ist. Wie die F i g. 5 zeigt, ist der
Aufsetzwirkungsgrad bei einem normalisierten Dichteunterschied, der sich 0,00 g/cm3 von der positiven
Richtung nähert, etwa 90%. Wenn die Dichte in den negativen Bereich eintritt, erreicht der Aufsetzwirkungsgrad sofort 100%. Diese Daten zeigen ganz
deutlich, daß nur ein negativer Auftrieb und nicht ein neutraler Auftrieb für die Kugeldichtungen einen
100%igen Aufsetzwirkungsgrad gewährleisten kann. Bei einem neutralen Auftrieb ist es möglich, daß die
Kugeldichtung durch die Flüssigkeit auf das Niveau der tiefsten Perforation geführt werden kann, ohne daß es
sich aufsetzt, wobei sie dann aufgrund ihres Beharrungs-Vermögens
das Niveau der niedrigsten Perforation noch unterscheidet. Kugeldichtungen mit einem Dichteunterschied
von 0 können, wenn sie aufgrund ihres Beharrungsvermögens an der tiefsten Perforation
vorbeigemhn werden, in dem Rattenloch schwebend
verbleiben, ohne daß sie sich aufsetze!., wenn der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrlochauskleidung abwärts
und die Perforationen keine hinreichende Turbulenz unterhalb der untersten Perforation erzeug:
um die Kugeldichtung in irgendeiner Weise aufwärts zu
führen. Diese Situation ist, wie eindeutig in F i g. 5 dargestellt ist. nicht möglich, wenn die Kugeidichtungen
auch nur ein klein wenig leichter sind als die Flüssigkeit, da der Auftrieb der Kugeldichtungen diese zumindest
• bis zum Niveau der untersten offenen und Flüssigkeit aufnehmenden Perforation führt, worauf sie sich auf
diese Perforation aufsetzt.
Ausfuhrungsbeispiel
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nachfolgend ein Ausführungsbeispi.1 der Säurebehandlung
einer Formation unter Verwertung der bei der Erfindung verwendeten Kugeldichtun .-en erläutert
werden. Dabei soll angenommen werdci . daß zwei Bohrungen, von denen eine eine Bohrlochauskleidung
mit einem inneren Durchmesser von 7b,2 mm und die
andere mit einer Bohrlochauskleidung von 152.4 Innendurchmesser mit Säure behandelt werden sollen,
lede Bohrung besitzt einen breiten Formationsbereich
<'' in dem Förderabschnitt, wobei die Perforationen
selektiv abgedichtet werden sollen unter Einsatz des Kugelabdichtungsverfahrens gemäß der Erfindung, um
sicherzustellen, daß alle Perforationen an ücr Säurebehandlung
teilhaben. Die Charakieristika der Bohrungen
>'· sind identisch wie folgt:
Formation: .Sandstein
Behandlungssäure: ! I 355 Liter einer
Behandlungssäure: ! I 355 Liter einer
HCL- HFSchkimi'isäure
:" Bohrlochliefe (H): 1 324 Meter
:" Bohrlochliefe (H): 1 324 Meter
Formationspermeabilität (k)=50 Millidarci
Länge des perforierten Bereiches (h): 11.4 m Frakturgradient (FG) = 0.1338 afm
Bohrlochfußdruck (Pb)= FG χ H
-"> =(0.1338 ai/m >; 1524 m = 203.9 at)
Reservoirdruck (P,-)= 68 at
Säuredichte (pi)= 1.03OgZCm1 Säureviskosität am Bohrlochfuß (μ) = 0.78 Zentipoise
Säuredichte (pi)= 1.03OgZCm1 Säureviskosität am Bohrlochfuß (μ) = 0.78 Zentipoise
>'! Drainageradius der Bohrung (rc)= 201 m
durchschnittlicher Bohrlochradius (r»)
= 0,057 m
Für den praktischen Einsatz einer Formationssäure- behandlung ist ein Schlüsselfaktor, daß der Injektions
druck und dementsprechend der Injektionsdurchsatz begrenzt sein muß, um ein Reißen der Formation zu
verhindern. Der maximale Injektionsdurchsatz, der möglich ist, ohne daß die Formation aufreißt, entspricht
der radialen Stromgleichung von Darcy, nämüch
_ 4.917 x IQ-6ArA (Pb -Pr)
μ In (/·,//·».;
wobei Qotx der maximale Injektionsdurchsatz ist.
Setzt man nun die bekannten Informationen in die oben angegebene Gleichung von Darcy ein, so kann
leicht bestimmt werden, daß Q00x=ISt 3,8.5 Barrel pro
Minute oder 611,75 I/min.
Aufgrund dieses maximalen Injektionsdurchsatzes kann die maximale durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit (Vm~J durch die Bohrlochauskleidung
berechnet werden. Indem man Qm3x durch die Querschnittsfläche der Bohrlochauskleidung teilt. Für das
Bohrloch mit einem Durchmesser von 76,2 mm ergibt sich eine Geschwindigkeit von 22405 m/sec und für das
152,4 mm Rohr ergibt sich für Vn^, 0,5599 m/sec.
Demgemäß ist die abwärts gerichtete Geschwindigkeit der Behandlungsflüssigkeit, die erforderlich ist, um die
Kugeldichtungen zu den Perforationen zu führen, durch die maximale Bohrlochgeschwindigkeit begrenzt, die
eingesetzt werden kann, ohne ein Aufbrechen der Formation zu bewirken.
Wie bereits erwähnt, liegt ein weiterer wesentlicher
Faktor darin, die Formationsbehandlung so auszugestalten, daß die Behandlungsflüssigkeit in der Lage ist, die
Kugeldichtungen in einer endlichen Zeit durch das Bohrloch abwärts zu führen. Wenn die Kugeluiehlungen
sidh zu langsam durch die Förderleitung abwärts bewegen, können sie sich nicht während der Zeit auf den
Perforationen aufsetzen, in welcher die Behänd lungsflüssigkeit injiziert wird. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedingt daher, daß der
relative Abstand, durch welchen die Kugeldichtungen infolge des Auftriebes durch die Behandlungsflüssigkeit
steigt, nicht größer ist als die Gesamtlänge des injizierten Behandlungsflüssigkeitsintervalles in der
Förderleitung. Die Gesamtlänge des Intervalles der Behandlungsflüssigkeit ist gleich dem Gesamtvolumen
der Behandlungsflüssigkeit dividiert durch den Querschnitt der Bohrlochauskleidung. Für die 11 346 Liter
der Behandlungssäure, die gemäß diesem Beispiel erforderlich ist (11354 m3), beträgt die Länge des
Flüssigkeitsintervalles 2494 m für das 76,2-mm-Bohrloch und 935 m für das I52,4-mm-Bohrloch. Die Zeit, die
erforderlich ist, um die gesamte Behandlungsflüssigkeit in die Formation zu injizieren, kann leicht berechnet
werden, indem man die Summe der Flüssigkeitsintervalllänge und der Tiefe des Bohrloches durch die
Behandlungsflüssigkeit durch die Bohrlochauskleidung teilt:
L + H
L =· die Länge des Flüssigkeitsintervalles,
/ = die Zeit für die Injektion der Flüssigkeit,
H = die Bohrlochtiefe (1524 m),
V - die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Bohrlochauskleidung.
Die Minimalzeit fm;„ für die Flüssigkeit ist natürlich die
Zeit, die erforderlich ist, wenn die Flüssigkeit mit ihrer maximalen Geschwindigkeit Vm„ injiziert wird. Bei der
Durchführung der erforderlichen Berechnungen ergibt sich für das 76,2-mm-Rohr im/n= 1793 see (etwa 30
Minuten) und für das 152,4-mm-Rohr fm,„ = 4392sec
(etwa 73 Minuten).
Basierend auf den oben berechneten Injektionszeiten ist die maximale Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen die Zeit, die für die Kugeldichtungen
erforderlich ist, sich über die Länge des Behandlungsflüssigkeitsintervalles nach oben zu bewegen, oder
wobei Umax die maximale Geschwindigkeit der
Nach der entsprechenden Berechnung ergibt sich für
Unax 13911 m/sec für das 76,2-mm-Rohr und
0,2127 m/sec für das 152,4-mm-Rohr.
ίο jedoch die tatsächliche Aufwärtsgeschwindigkeit der
Kugeldichtungen wesentlich geringer sein als Unax, da
man nie ein System so auslegen würde, daß sich die Kugeldichtungen erst auf die Perforationen aufsetzen,
nachdem nahezu die gesamte Behandlungsflüssigkeit
injiziert worden ist.
Zweitens wird die Geschwindigkeit der injizierten Behandlungsflüssigkeit etwas geringer als Vm, sein, um
im Hinblick auf das Aufbrechen der Formation einen hinreichenden Sicherheitsfaktor zu haben. Wenn man
dementsprechend die Erfindung in die Praxis umsetzt, ist die tälsächliche Aufwärisgesehwinuigkeii der Kugeldichtungen innerhalb der Behandlungsflüssigkeit vorzugsweise nicht größer als etwa 1/3 von Una,.
sollte die bevorzugte Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen nach dem vorliegenden Beispiel nicht
größer als 03477 m/sec für die 76^-mm-Bohrlochauskleidung und nicht größer als 0,0533 m/sec für die
152,4-mm-Bohrlochauskleidung sein. Wenn man die
JO Größe der zu verwendenden Kugeldichtungen auswählt und die Charakteristika der Behandlungsflüssigkeit
kennt (Dichte, Viskosität) ebenso wie die Aufwärtsgesenwindigkeit der Kugeldichtungen (U), kann die
Reynolds-Zahl für die Kugeldichtungen berechnet
■J5 werden. Die Reynolds-Zahl kann dann verwendet
werden, um den Zug-Koeffizienten oder den Reibungsfaktor für die sphärischen Kugeldichtungen zu bestimmen, der für dieses Beispiel in beiden Fällen etwa 0.44
beträgt (s. hierzu beispielsweise Perry's Chemical
•w Engineers Hand-book, Fifth Edition, p. 5-62).
Nimmt man ein Newtonsches Flüssigkeitsverhalten an. so kann die erwünschte Dichte der Kugeldichtungen
berechnet werden unter Verwendung der Endgeschwindigkeitsgleichung für eine Kugel. Löst man diese
Gleichung nach dem Dichteunterschied auf, so ergibt sich folgendes:
A
- 3 U1PrC0
' P/ PB 4,Z)4 ■
pe
Db
g
Dichte der Behandlungsflüssigkeit -1,07 g/ cm5,
Dichte der Kugeldichtungen in g/cm3,
25,4 mm,
Gravitationskonstante - 9,81 m/sec2,
Widerstandsbeiwert für Kugeldichtungen — 0,44.
Berechnet man Δρ unter Verwendung der in Beispiel
I angegebenen Werte,ergibt sich fürΔρΟ,\7\ g/cm3,für
die 76,2-mm-Bohrlochauskleidung und 0,004 g/cm3 für
die 152,4-mm-Bohrlochauskleidung. Für die Flüssigb5 keitsdichte von 1,070 g/cm3 ergeben sich die minimalen
Dichten für die Kugeln mit 0,898 und 1,066 g/cm3 für die 76,2-mm- bzw. 152,4-mm-Rohre. Somit führt, wie in
diesem Beispiel erläutert, die Verdoppelung des
Rohrdurchmessers von 76,2 mm auf 152,4 mm eine mehr
als 40fache Verringerung des berechneten Dichteunterschiedes. Bei der Auslegung der Kugeldichtungen
gemäß der Erfindung ist dementsprechend eine sorgfältige Berechnung der Dichte der Kugeldichtungen
aufgrund der Eigenschaften des Bohrloches und der Behandlungsflüssigkeit erforderlich. Geringe Unterschiede der Dichte der Kugeldichtungen können einen
großen Unterschied hinsichtlich der Wirksamkeit bedeuten. Beispielsweise ist im Fall des 152,4-mm-Rohres die berechnete untere Dichtegrenze 1,066 g/cm3 und
die obere Grenze die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, nämlich 1,070 g/cm3. Somit ist die Auswahl einer
geeigneten aufschwimmenden Kugeldichtung in dieser Situation auf den relativ engen Bereich zwischen
1,066g/cm3 und 1,070g/cm3 beschränkt, d.h. auf eine
Differenz von nur 0,004 g/cm3.
20
I. Eine Südtexas-Sole-Versatzbohrung, die in drei
Sandsteinintervalle bei etwa 1097 m eingebracht war, wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt. Die Vorbehandlungsanalyse be-
stand aus einem Injektionstest, der anzeigte, daß die Bohrung möglicherweise beschädigt war, und
einer Temperaturmessung, die anzeigte, daß im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit in der
obersten der drei Intervalle eintrat jo
Die Beschädigung der die Bohrung umgebenden Formation wurde durch eine Säurebehandlung
geheilt unter Verwendung von Salzsäure (15% HCI) und Schlammsäure (12% HCL und 3% HF),
wobei Kugeldichtungen eingesetzt wurden, um die Flüssigkeit von dem oberen Bereich in die unteren
beiden Zonen abzuleiten. Die Kugeldichtungen wurden in einem Dichtebereich von 1,050 bis
1,060 g/cm3 ausgewählt. Die Kugeldichtungen mit der erwähnten Dichte wurden so gewählt, daß sie
sich leicht durch die Behandlungsflüssigkeiten mit einem Injektionsdurchsatz von 0,2386 bis
03579 m3/min zu den Perforationen hin transportieren ließen.
Die Behandlung war so ausgelegt, daß 94 der I! 2 in 4 >
den drei Intervallen vorhandenen Perforationen abgedichtet werden sollten. Der Behandlungsdurchsatz betrug etwa 0382 nvVmin, und der
Druck am Fuß des Bohrloches lag bei etwa 142,8 at. womit der Druck weit unterhalb dem Aufbrechdruck dieser Formation lag. Es wurde ein
Druckanstieg von bis zu 13,6 at beobachtet, wenn die Kugeldichtungen Perforationen abdichteten
und die Säure in noch nicht mit Säure behandelte Bereiche einleiteten. Bei Beendigung der Säurebehandlung hatte sich die Injektionsfähigkeit auf
0,5368 mVmin bei 64,6 at Oberflächendruck gesteigert im Gegensatz zu ursprünglich 0,1193m3/min
bei 68 at. Eine nach der Behandlung durchgeführte Temperaturmessung zeigte an, daß alle drei Zonen f>o
behandelt worden waren.
2. Bei einem zweiten Test war es erforderlich, die
Säurebehandlung der Formation in zwei Förderintervallen in einer Kohleformation durchzuführen,
die bei einer Tiefe von 4785 m lag. Die beiden Förderintervalle wurden oben und unten von
vorher aufgebrochenen Intervallen flankiert. Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens konnten mit Hilfe der aufschwimmenden Kugeldichtungen erfolgreich die beiden Zwischenintervalle mit
Säure behandelt werden.
Bei dieser Behandlung wurden Kugeldichtungen in einem Dichtebereich von 1,10 bis 1,11 g/cm3
zusammen mit 28%iger HCL mit einer Dichte von 1,14 g/cm3 eingesetzt, so daß die Kugeidichtungen
in der Behandlungsflüssigkeit aufschwimmen würden. Die Säure und die Kugeldichtungen wurden so
abgestuft, daß 330 Kugeldichtungen für die ersten 13,12 cm der 28%igen HCL zur Verfugung standen,
um vorzugsweise die aufgebrochenen Bereiche abzudichten. Zusätzliche 1730 m3 28%iger HCL
wurden injiziert zusammen mit Kugeidichtungen, um die verbleibenden 82 Perforationen in den zwei
Zonen zu behandeln, die einer Säurebehandlung bedurften. Die Behandlung wurde mit einem
Durchsatz von 03544 bis 1,5509 mVmin bei einem Druck am Fuße des Bohrloches von 544 at
durchgeführt, wobei diese Bedingungen für die Säurebehandlung in dieser tiefen Kohleformation
geeignet waren. Während der Behandlung stieg der Druck am Fuß des Bohrloches kontinuierlich an
entsprechend der Abdichtung der Perforationen durch die Kugeldichtungen und die Ableitung der
Salzsäure in andere unbehandelte Bereiche.
Im Anschluß an die Behandlung wurde eine Strömungsmessung im unteren Bereich des Bohrloches durchgeführt, um definitiv festzustellen, ob alle
Bereiche stimuliert worden waren und laufend förderten. Die Ergebnisse dieser Messung zeigten
klar, daß alle Intervalle zur Förderung beitrugen, womit der Beweis erbracht war, daß die Behandlung von den beiden aufgebrochenen Intervallen
abgelenkt war, was zu einer erfolgreichen Formationsstimulierung der verbleibenden beiden Intervalle führte. Die Gesamtergebnisse zeigten einen
Produktivitätsanstieg von 334 m3 pro Tag bei 26^ at auf 549 m3bei 68 at Förderleitungsdruck.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren in erster Linie dem Zusammenhang mit einer Säurebehandlung
der Formation beschrieben worden ist, soll hier noch einmal herausgestellt werden, daß auch andere Arten
von Bohrlochbehandlungen gemäß den Prinzipien der Erfindung durchgeführt werden können. So kann
beispielsweise jedes andere Bohrlochbehandlungsverfahren durchgeführt werden, bei welchem die Trägerflüssigkeit die Kugeldichtungen zu den Perforationen
der Bohrlochauskleidung hinführt. Beispiele hierfür sind Lösungsmittelstimulierungsbehandlungen, Tensidstimulierungsbehandlungen, Inhibitorinjektionsbehandlungen, Öl-, Wasser- oder Emulsionsinjektionen und
Zementeinspritzverfahren.
Claims (10)
1. Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene
Bohrlochauskleidung umgibt, wobei man Kugetdichtungen, deren Dichte geringer ist als die Dichte der
Trägerflüssigkeit, mit dieser Flüssigkeit in das Bohrloch einführt, dadurch gekennzeichnet,
daß man die die Kugeldichtungen enthaltende Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz injiziert, der
unterhalb desjenigen liegt, der die Formation um die
Bohrlochauskleidung aufbrechen würde, und einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Kugeldichtungen
entgegen der Auftriebskraft nach unten zu de.i abzudichtenden Perforationen zu führen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trägerflüssigkeit eine
Behandlungsflüssigkeit injiziert, die durch die nicht abgedichteten Perforationen in die Formation
einfließt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsflüssigkeit eine Säure
enthält.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Kugeldichtungen den Perforationen mit einer Geschwindigkeit zuführt, die ein Aufsetzen auf den
Perforationen innerhalb der Zeit ermöglicht, die erforderlich ist, um die Trägerfiüssigkeit zu injizieren.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gei.ennzei /inet, daß man den
abwärts gerichteten Tranf port der Kugeldichtungen solange aufrechterhält, bis sie sie! auf der vorgegebenen
Anzahl abzudichtender Perforationen aufgesetzt haben.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man es so
lange durchführt, bis der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen auf die abzudichtenden Perforationen
100% beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man
zunächst die Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz in die Bohrlochauskleidung injiziert, der geringer ist
als derjenige, der die Formation aufbrechen würde, man anschließend der Trägerflüssigkeit die Kugeldichtungen
beigibt und sie den Perforationen zuführt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative
Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen nicht größer ist als etwa 1/3 der Abwärtsgeschwindigkeit
der Trägerflüssigkeit.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem
Aufsetzen der Kugeldichtungen auf die Perforationen die Injektion der die Säure enthaltenden
Flüssigkeit fortsetzt, die über die nicht abgedichteten f Perforationen in die Formation zu deren Behandlungabgeleitet
wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man nach
dem Einbringen der Kugeldichtungen die Mengenin- t
jektion der Trägerflüssigkeit fortsetzt, bis einige der Kugeldichtungen sich auf Perforationen in einem
perforierten Bereich aufgesetzt haben, worauf der Mengenstrom der Trägerflüssigkeit verringert und
die auf die Kugeldichtungen wirkende abwärtsgerichtete Kraft so weit verringert wird, daß die
Auftriebskraft der Kugeldichtungen überwiegt, wodurch diese bis auf ein Niveau angehoben werden,
in welchem die von der Flüssigkeit übertragenen Kräfte hinreichend groß sind, um die Kugeldichtungen
auf nicht abgedichtete Perforationen aufzuset-
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