DE2838552A1 - Verfahren und vorrichtung zur fluessigkeitsbehandlung von bohrloecher umgebende unterirdischen formationen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur fluessigkeitsbehandlung von bohrloecher umgebende unterirdischen formationen

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    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like
    • E21B33/138Plastering the borehole wall; Injecting into the formation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00Fluid handling
    • Y10T137/4891With holder for solid, flaky or pulverized material to be dissolved or entrained

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsbehandlung von unterirdischen Formationen, die ein Bohrloch umgeben, und im besonderen auf eine schrittweise Behandlung der Formationen, indem man zeitweilig die Perforationen in der Bohrlochauskleidung während der Behandlung verschließt.
Bei der Einbringung von Öl- und Gasbohrungen ist es üblich, diese mit einer Rohrauskleidung oder einem Futterrohr zu versehen, um welches außen eine Betonummantelung aufgebracht ist, um die verschiedenen von der Bohrung durchdrungenen Formationen zu isolieren. Um eine Verbindung zwischen den kohlenwasserstof führenden Formationen und den» Inneren des Futterrohres herzustellen, ist das Futterrohr und die Betonummantelung in diesem Bereich perforiert.
Zu verschiedenen Zeiten während der Betriebsdauer der Bohrung kann es erstrebenswert sein, die Förderleistung der Kohlenwasserstoffe durch eine Säurebehandlung oder ein hydraulisches Brechen zu steigern. Wenn nur ein kurzer einziger Abzixsbereich in der Bohrung perforiert worden ist, fließt die Behandlungsflüssigkeit in diesen Abzugsbereich ein, wo es erforderlich ist. Wenn die Länge des perforierten Abzugsbereiches oder die Anzahl der perforierten Abzugsbereiche ansteigt, wird es schwierig, die Behandlungsflüssigkeit in die gewünschten Abzugsbereiche einzuführen. So nimmt beispielsweise die Formation mit der höchsten Permeabilität den größten Teil einer vorgegebenen Behandlungsflüssigkeit auf, während die am wenigsten durchdringbare Formation praktisch unbehandelt bleibt. Es sind dementsprechend Verfahren entwickelt worden, um die Behandlungsflüssigkeit von dem Weg des geringsten Widerstandes abzulenken, so daß auch die Bereiche mit geringer Permeabilität behandelt werden.
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Ein derafctiges Verfahren zur Ablenkung des Flüssigkeitsstromes schlägt die Verwendung von Dichtungsstücken vor. Obwohl diese Einrichtungen eine gewisse Wirksamkeit besitzen, sind sie weniger geeignet. Sie sind außerordentlich teuer, da eine zusätzliche Ausrüstung vorgesehen sein muß, um die Dichtungsstücke einzubringen. Außerdem nimmt die mechanische Verläßlichkeit mit der Tiefe der Bohrung ab.
Man hat sich dementsprechend mit großer Mühe der Entwicklung anderer Ableitverfahren zugewendet. Bei einem der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Verfahren während der letzten 20 Jahre handelt es sich um die Verwendung kleiner gummiüberzogener Kugeln, die als Kugeldichtungen bekannt sind, um die Perforationen innerhalb des Futterrohres abzudichten.
Diese Kugeldichtungen werden in die Bohrung hineingepumpt zusammen mit der Behandlungsflusägkeit für die Formation. Die Kugeln werden durch den durch die Perforationen in die Formation einfließenden Flüssigkeitsstrom durch die Bohrung ab und auf die Perforationen geführt. Die Kugeln setzen sich auf die Perforationen und werden dort durch die Druckdifferenz über die Perforation gehalten.
Die wesentlichen Vorteile der Verwendung von Kugeldichtungen sind die Einfachanwendung, die positive Abdichtung, die Unabhängigkeit von der Formation und die Sicherheit des Bohrloches vor Beschädigungen. Die Kugeldichtungen werden einfach an der Oberfläche injiziert und durch die Behandlungsflüssigkeit transportiert. Außer einem Kugelinjektor ist keine spezielle oder zusätzliche Behandlungsausrüstung erforderlich. Die Kugeldichtungen besitzen einen äußeren Überzug, der in der Lage ist, einen Strahl, der durch die Perforation gebildet wird, abzudichten und einen festen starren Kern, der einem Durchquetschen durch die Perforation oder in diese hinein Widerstand leistet. Dementsprechend dringen die Kugeldichtungen
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nicht in die Formation ein und können die Strömungscharakteristiken des Bohrloches nicht dauerhaft schädigen.
Die heute üblicherweise eingesetzten Kugeldichtungen müssen verschiedene Bedingungen erfüllen. Zunächst müssen die Kugeldichtungen chemisch inert hinsichtlich der Umgebung, in welcher sie eingesetzt werden, sein. Zweitens müssen sie wirkungsvoll abdichten, ohne sich in die Perforationen hineinzuquetschen. Drittens müssen sich die Kugeldichtungen von den Perforationen lösen, wenn die Druckdifferenz über die Perforation aufgehoben wird. Viertens sind die Kugeldichtungen im allgemeinen schwerer als die Behandlungsflüssigkeit, so daß sie auf den Boden des Bohrloches absinken und bei Beendigung der Behandlung aus dem Weg geschafft sind.
Obwohl heute Ableitverfahren unter Verwendung von Kugeldichtungen in großem Umfange eingesetzt werden, gibt es hinreichend Anzeichen, daß die Vorrichtung zu keiner hinreichenden Dichtung führt, da nur ein Teil der injizierten Kugeldichtungen sich tatsächlich auf die Perforationen aufsetzt. Die gegenwärtig verwendeten Kugeldichtungen besitzen eine größere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit und führen damit zu einem niedrigen und unvorhersagbaren Aufsetzwirkungsgrad,der in hohem Maße von dem Dichteunterschied der Kugeldichtungen und der Flüssigkeit, der Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Perforationen und der Anzahl, dem Abstand und der Anordnung der Perforationen abhängt. Es ergibt sich hieraus, daß die Abdichtung einer vorbestimmten Anzahl von Perforationen zu einer bestimmten Zeit während der Behandlung vollständig dem Zufall überlassen bleibt.
Wenn diese Unzulänglichkeiten zu mangelhaften Behandlungsergebnissen führen, glaubt man im allgemeinen, daß diese schlechten Ergebnisse auf einem nicht hinreichenden Strom durch die Perforationen beruhen, wodurch die Kugeln auf den Boden des Bohrloches absinken, ohne daß eine Abdichtung
erreicht wird. Um diese Probleme zu lösen, hat man auch bereits eine Menge an Kugeln eingepumpt, die die Anzahl der Perforationen übersteigt. Obwohl dieses Verfahren zu einer gewissen Verbesserung führt, kann diese Lösung nicht als zufriedenstellend angesehen werden.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsbehanlung von unterirdischen Formationen, die ein Bohrloch umgeben, zu schaffen, die nicht mit den oben aufgezeichneten Nachteilen behaftet sind, sondern die Abdichtung der Perforationen mit größtmöglicher Sicherheit zu gewährleisten.
Dabei werden nach der Erfindung Kugeldichtungen eingesetzt, deren Dichte geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit, so daß ein 100%iger Abdichtwirkungsgrad erreicht werden kann.
Gemäß der Erfindung strömt eine BehandlungsfLüssigkeit in dem Futterrohr abwärts und durch die Perforationen in die Formation hinein, die die perforierten Teile des Futterrohres umgibt. Zu einer vorbestimmten Zeit während der Behandlung führt man kugelförmige Abdichtelemente, wie z. B. Kugeldichtungen, in die Behandlungsflüssigkeit an der Erdoberfläche ein. Diese Kugeldichtungen besitzen eine hinreichende Größe, um die Perforationen in dem Futterrohr zu zerstopfen,und eine Dichte, die geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit innerhalb der Futterrohre. Hieran anschließend wird die Abwärtsströmung der Flüssigkeit innerhalb des Futterrohres fortgesetzt,und zwar mit einer abwärts gerichteten 'Geschwindigkeit oberhalb der Perforationen, die ausreicht, um eine abwärts gerichtete Kraft auf die Kugeldichtungen zu übertragen, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt, um dadurch die Kugeldichtungen zu den Perforationen hinzuführen. Wenn die Kugeldichtungen die Perforationen erreicht haben, setzen sie sich auf denjenigen ab, die Flüssigkeit durchlassen, um sie zu verstopfen, und
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bewirken damit ein Ableiten der Behandlungsflüssigkeit auf die verbleibenden offenen Perforationen.
Die Kugeldichtungen selbst müssen einen Kern mit niedriger Dichte und hoher Festigkeit besitzen, der dem innerhalb der Bohrung vorliegenden Druck zu widerstehen vermag. Bei dem auf die Kugeldichtungen wirkenden Druck handelt es sich sowohl um den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit in der Bohrung, als auch den Pumpdruck. Das Kernmaterial darf sich unter dem in dem Bohrloch vorliegenden Druck nicht zusammendrücken, sonst wird dessen Volumen verringert und dementsprechend die Dichte erhöht, so daß leicht die Dichte der Behandlungsflüssigkeit überschritten werden kann. Es wurde herausgefunden, daß Kernmaterialien, die die geforderten Dichte- und Festigkeitseigenschaften besitzen, syntaktischen Schaum und Polymethylpenten umfassen.
Nach der Behandlung der kohlenwasserstofführenden Formation hebt man den Flüssigkeitsdruck in dem Rohrfutter auf, wodurch die Kugeldichtungen von den Perforationen, auf welchen sie sich festgesetzt hatten, freigegeben werden. Die Kugeldichtungen steigen innerhalb des Futterrohres auf infolge ihrer Auftriebskraft und dem aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom aus der Bohrung zur Erdoberfläche. Ein Kugelfänger kann vorgesehen sein, um die Kugeldichtung oberhalb irgendwelcher Einrichtungsgegenstände abzusondern, welche möglicherweise durch die Kugeln verstopft oder beschädigt werden könnten.
Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren ermöglicht damit eine Ablenkung der Behandlungsflüssigkeit mit einem so hohen Wirkungsgrad, wie er bei herkömmlichen Behandlungsverfahren nicht erzielt werden konnte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen.
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Dabei zeigt im einzelnen;
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung, in welcher das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eingesetzt werden,
Figur 2 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Bohrlochkopfes mit einer Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoffstromes aus dem Bohrloch sowie einen Kugel fänger zur Absonderung der Kugeldichtungen,
Figur 3 eine grafische Darstellung des Abdichtwirkungsgrades über den normalisierten Dichteunterschied
zwischen den Kugeldichtungen und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund von Untersuchungen,
Figur 4 eine grafische Darstellung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb des Futterrohres über den normalisierten Dichtainterschied zwischen einer Kugeldichtung und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund von Experimenten, und
Figur 5 einen Schnitt durch eine Kugeldichtung.
Der Einsatz einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Figur 1 erläutert. Das Bohrloch 1 gemäß Figur 1 besitzt ein Futterrohr 2, das bis zum Boden des Bohrloches läuft und außen einzementiert ist, damit das Futterrohr 2 gehalten wird und die durchdrungenen Formationen oder Abschnitte isoliert werden. Die Betonumhüllung 3 erstreckt sich von dem Boden des Bohrloches bis mindestens zu einem Punkt oberhalb der Förderformation 5. Damit die Kohlenwasserstoffe aus der Formation 5 gefördert werden können, ist es erforderlich, eine Verwendung zwischen der Formation 5 und dem Inneren des Futterrohres 2 herzustellen. Dies wird durch Perforationen 4 erzielt, die sich durch das Futterrohr und die Zementumhüllung 3 erstrecken. Die aus der Formation
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durch die Perforationen 4 in das Innere des Futterrohres 2 strömenden Kohlenwasserstoffe werden durch eine Förderleistung 6 zur Oberfläche geführt. Im Bereich des unteren Endes der Förderleitung 6 oberhalb der höchsten Perforation ist ein Dichtungsstück 7 eingebracht, um eine Druckdichtung zwischen der Förderleistung 6 und dem Futterrohr 2 herzustellen. Es werden nicht immer Förderleitungen eingesetzt, sondern statt dessen wird das gesamte innere Volumen des Futterrohres für die Leitung der Kohlenwasserstoffe zur Erdoberfläche eingesetzt.
Wenn eine Ableitung während einer Bohrlochbehandlung erforderlich ist, werden Kugeldichtungen eingesetzt, um einige der Perforationen abzudichten. Diese Kugeldichtungen besitzen vorzugsweise eine etwa sphärische Form, wobei jedoch auch andere Geometrien vorgeschlagen worden sind.
Wenn man die Kugeldichtungen 10 zur Abdichtung einiger Perforationen 4 einsetzen will, werden diese Kugeldichtungen 10 zunächst in das Futterrohr 2 zu einer vorbestimmten Behandlungszeit eingeführt. Die Kugeldichtungen können mit der Flüssigkeit vermischt werden, vor oder nachdem die Flüsigkeit in das obere Ende des Futterrohres eingepumpt ist. Wie diese Verfahren durchzuführen sind, ist hinlänglich bekannt.
Wenn die Kugeldichtungen 10 in die Flüssigkeit oberhalb der perforierten Teile des Futterrohres eingeführt werden, trägt sie der Flüssigkeitsstrom über die Förderleitung 6 oder das Futterrohr 2 nach unten. Nachdem die Flüssigkeit bei den perforierten Teilen des Futterrohres ankommt, bewegt sie sich radial nach außen zusätzlich zur Abwärtsbewegung in Richtung auf und durch die Perforationen 4. Der Strom der Behandlungsflüssigkeit durch die Perforationen 4 trägt die Kugeldichtungen 10 bis an die Perforationen 4 heran, wobei sie sich auf die Perforationen 4 aufsetzen. Die Kugeldichtungen 10 werden dort durch die Druckdifferenz gehalten, wodurch eine wirkungsvolle Abdichtung der Perforationen 4 erzielt wird, bis der Druck-
Ö Q 9 8 1 Q / 1 0 Q J,
unterschied aufgehoben bzw. umgekehrt wird. Im Idealsfall dichten die Kugeldichtungen 10 diejenigen Perforationeneb, durch welche die Behandlungsflüssigkeit am schnellsten
fließt. Dieses bevorzugte Schließen der Perforationen ermöglicht eine gleichmäßige Behandlung der Förderformation über den gesamten Bereich der Perforation.
Gemäß dem Stand der Technik wird vorgeschlagen, daß die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit. Es erscheint zweckmäßig, zunächst den herkömmlichen Abdichtvorgang zu untersuchen, um diesem die Erfindung dann gegenüberzustellen. Die Geschwindigkeit der Kugeldichtungen, die größer sind als die Flüssigkeit in dem Bohrloch, besteht aus zwei Komponenten. Jede Kugeldichtung besitzt eine Absinkgeschwindigkeit, die auf der Differenz der Dichte der Kugeldichtung und derjenigen der Flüssigkeit beruht und die stets nach unten gerichtet ist. Die zweite Komponente der Geschwindigkeit der Kugeldichtungen beruht auf den Kräften, die auf die Kugeldichtung durch die sich um die Kugeldichtung bewegende Flüssigkeit übertragen werden. Diese Geschwindigkeitskomponente liegt in Richtung der Flüssigkeitsströmung. Innerhalb der Förderleitung oder innerhalb des Futterrohres oberhalb der Perforationen wird die Geschwindigkeitskomponente, die auf der Kräfteübertragung durch die Flüssigkeit beruht, im allgemeinen nach unten gerichtet sein.
Unmittelbar oberhalb des perforierten Teiles des Futterrohres nimmt die Flüssigkeit eine horizontale Geschwindigkeitskomponente an, die radial nach außen in Richtung auf und durch die Perforationen 4 gerichtet ist. Der Strom durch eine Perforation muß hinreichend groß sein, um die Kugeldichtung 10 zur Perforation hinzuziehen, bevor die Kugeldichtung an der Perforation vorbeisinkt. Wenn der Strxn der Behandlungsflüssigkeit durch die verschiedenen Perforationen die Kugeldichtung nicht, auf eine Perforation hinzieht, wenn die Kugeldichtung an der untersten Perforation vorbeisinkt, senkt sich die Kugeldichtung
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einfach weiter ab in das Rattenloch 8 am Fuße des Bohrloches, wo sie verbleibt.
Im Gegensatz dazu werden gemäß der Erfindung Kugeldichtungen 10 verwendet, deren Dichte geringer ist als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit. Innerhalb des Bohrloches besitzt jede Kugeldichtung eine Geschwindigkeit, die sich aus zwei entgegengesetzten Komponenten zusammensetzt. Die erste Geschwindigkeitskomponente ist vertikal nach oben gerichtet und beruht auf der Auftriebskraft der Kugeldichtung in der Flüssigkeit. Die zweite Geschwindigkeitskomponente beruht auf den Kräften, die auf die Kugeldichtung durch die sich um die Kugel bewegende Flüssigkeit übertragen werden. Oberhalb der Perforationen ist diese zweite Geschwindigkeitskomponente im allgemeinen nach unten gerichtet. Es ist wesentlich, daß die abwärts gerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Förderleitung 6 und dem Futterrohr 2 oberhalb der Perforationen 4 hinreichend groß ist, um eine abwärts gerichtete Kraft auf die Kugeldichtungen zu übertragn, die größer ist als die aufwärts gerichtete Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt. Dies führt dazu, daß die Kugeldichtungen nach unten in den Bereich des Futterrohres geführt werden, der perforiert ist.
Wenn Kugeldichtungen gemäß der Erfindung eingesetzt werden, verbleiben sie niemals in dem Rattenloch 8 am Fuße des Bohrloches. Das bedeutet, daß die Kugeldichtungen aufgrund ihres Auftriebes nicht unter die unterste Perforation, durch welche die Behandlungsflüssigkeit fließt, absinken. Unter der untersten Perforation, die Behandlungsflüssigkeit aufnimmt, steht die Flüssigkeit in dem Bohrloch still. Damit sind keine abwärts gerichteten Kräfte vorhanden, die auf die Kugeldichtungen wirken, um sie unter die niedrigste Perforation zu führen, die Behandlungsflüssigkeit aufnimmt. Dementsprechend wirken die nach oben gerichteten Auftriebskräfte auf die Kugeldichtung als stärkste Kräfte.
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Dementsprechend führt die Erfindung dazu, daß die Vertikal-Geschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung eine Funktion der vertikalen Position innerhalb des Futterrohres ist. Zumindest unterhalb der untersten Perforation und möglicherweise höher, wenn nur wenig Flüssigkeit durch die unteren Perforationen fließt, ist die Vertikal-Geschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung nach oben gerichtet infolge des Vorliegens der Auftriebskräfte über jegliche abwärts gerichteten Kräfte der Flüssigkeit. Zumindest oberhalb der höchsten Perforation und möglicherweise niedriger, wenn nur wenig Flüssigkeit durch diese höher gelegenen Perforationen fließt, ist die Vertikal-Geschwindigkeit einer jeden Kugel abwärts gerichtet infolge des Überwiegens der abwärts gerichteten Flüssigkeitskräfte über die Auftriebskräfte.
Die Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, verbleiben in dem oder bewegen sich in dem Bereich des Futterrohres zwischen der obersten Perforation und der unteren Perforation, durch welche Flüssigkeit hindurchströmt, bis sich die Kugeldichtunten auf eine Perforation aufgesetzt haben. Während sie sich in diesem Bereich des Futterrohres aufhalten, übt die radial nach außen in die Perforationen hineingerichtete Flüssigkeit eine Kraft auf die Kugeldichtungen aus, um diese nach außen auf die Perforationen zuzuführen,, wo sie sich festsetzen und durch den Druckunterschied gehalten werden.
Dies führt nach der Erfindung dazu, daß die in das Bohrloch injizierten Kugeldichtungen in den perforierten Bereich des Futterrohres transportiert werden und sich dort immer auf eine Perforation, durch welche Flüssigkeit strömt, aufsetzen und dieseijfebdichten mit einem unveränderlichen Wirkungsgrad von 100 %. Das bedeutet, daß unabweichlich jede Kugeldichtung eine Perforation zusetzt und abdichtet, solange eine Perforation vorliegt, durch welche Flüssigkeit strömt,und der Flüssigkeitsstrom in abwärtiger Richtung oberhalb der obersten Perforation ausreicht, um eine abwärts gerichtete Kraft auf die
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Kugeldichtung zu übertragen, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtung wirkt.
Wenn die Behandlung beendet ist und der Druckunterschied aufgehoben oder umgekehrt wird, lösen sich die Kugeldichtungen von den Perforationen. Wenn die Kugeldichtungeη eine geringere Dichte haben als die Behandlungsflüssigkeit, wie dies gemäß der Erfindung der Fall ist, wandern alle Kugeldichtungen natürlich nach oben. Dementsprechend sollte eine Anordnung vorgesehen sein, um diese Kugeldichtungen auszusondern, bevor sie in Ausrüstungsgegenstände hineingeraten, die sie verstopfen oder beschädigen können. Ein Kugelfänger 30, der für diesen Zweck geeignet ist, wird in Figur 2 dargestellt.
Die Figur 2 zeigt eine typische Ausbildung eines Bohrlochkopfes für eine fördernde Bohrung. Das Futterrohr 2 erstreckt sich ein wenig über das Niveau des Bodens und stützt den Bohrlochkopf 20 ab. Die Förderleitung 6 wird innerhalb des Futterrohres 2 gehalten und steht mit dem unteren Ende eines Hauptventils 21 in Verbindung. Das Hauptventil 21 steuert den Strom von Öl und Gas aus dem Bohrloch. Oberhalb des Hauptventils 21 befindet sich ein T 25, das eine Verbindung mit dem Bohrloch entweder über das Kopfventil 22 oder das Seitenventil 23 herstellt. Verschiedene Ausrüstungsgegenstände können an dem oberen Ende des Kopfventiles 22 angeschlossen sein, wobei eine Verbindung zwischen diesen Ausrüstunjdgsgegenständen und dem Bohrloch hergestellt wird, indem man das Kopfventil 22 und das Hauptventil 21 öffnet. Normalerweise wird das Kopfventil 22 in einer geschlossenen Stellung gehalten. Das geförderte Material aus dem Bohrloch durchströmt das T 25 seitlich in das Seitenventil 23 hinein. Das Seitenventil 23 richtet den Medienstrom von dem Bohrlochkopf auf eine Sammelleitung 26.
Ein im Schnitt dargestellter Kugelfänger 30 befindet sich stromabwärts von dem Seitenventil 23 und stromaufwärts von
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einer Drosselsteife 24. Das geförderte Material durchströmt den Kugelfänger 30, wobei jedoch die Kugeln hierin aufgehalten werden. Nachdem das geförderte Material die Drosselstelle 24 verlassen hat, wird es einer Sammelleitung 26 zugeführt, die den Transport zu einer Trenneinrichtung und dann entweder in einen Vorratsbehälter oder eine Trnasportleitung übernimmt.
Der Kugelfänger 30 besteht im Grunde aus dinem T mit einem Ablenkeinsatz 34, der ein Ablenkgitter 35 trägt, der am stromaufwärtigen Ende des T eingeschoben ist. Das Ablenkgitter 35 gestattet den Durchtritt der Flüssigkeit,jedoch nicht von Gegenständen der Größe der Kugeldichtungen. Vorzugsweise ist das Ablenkgitter 35 in einem Winkel innerhalb des Kugelfängers 30 derart angeordnet, daß die Kugeldichtungen beim Auftreffen auf das Ablenkgitter 35 in den Fuß 32 des T geleitet werden. Am unteren Ende des Fußes 32 befindet sich eine leicht abnehmbare Kappe 33, die bei geschlossenem Seitenventil und Druckausgleich zur Entnahme der eingefangenen Kugeldichtungen geöffnet werden kann.
Es wurden Versuche durchgeführt, um den Wirkungsgrad hinsichtlich der Abdichtung von Kugeldichtungen nach dem Stand der Technik, d. h. Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit und Kugeldichtungen gemäß der Erfindung, d. h* Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit, zu vergleichen.
Die Laborversuche simulieren die Abdichtung von Perforationen in einem Gehäuse durch Kugeldichtungen. Die Versuchsausrüstung umfaßte ein 244 cm langes Stück eines Lucite-Rohres von 76,2 mm Durchmesser, das einen Teil des Futterrohres darstellt. Das Lucite-Rohr war vertikal in dem Labor montiert, wobei das untere Ende abgedichtet war. Zwischen 91 cm und 122 cm vom Boden des Rohres waren 5 vertikal ausgerichtete Löcher durch die Wand des Rohres gebohrt, die die Perforation
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darstellen sollten. Die Löcher besaßen einen Durchmesser von 9,5 mm und einen Abstand jeweils von der Mitte von 50,8 mm.
Ein 90 ° Rohrkrümmer wurde auf das obere Ende des Lucite-Rohres aufgesetzt und über eine Leitung an eine Pumpe angeschlossen. Die Pumpe zog Flüssigkeit von einem Vorratstank ab und pumpte diese in verschiedenen gesteuerten Geschwindigkeiten durch die Zuleitung in das obere Ende des Rohres hinein. Die Flüssigkeit durchströmte das Lucite-Rohr in abwärtiger Richtung durch die Perforationen und wurde durch eine Leitung in den Vorratstank zurückgeführt.
Um die Kugeldichtungen zu injizieren, wurde eine entsprechende Öffnung in den Rohrkrümmer eingebracht, worauf ein Stück Rohr mit einem Durchmesser von 25,4 mm in das Loch eingeschweißt wurde. Das Ende des 25,4 mm Durchmesser-Rohres wurde koax-ial zu dem Lucite-Rohr an dessen oberem Ende ausgerichtet. Die Kugeldichtungen wurden in das Lucite-Rohr durch das 25,4 mm Durchmesser-Rohr eingeführt.
Der Flüssigkeitsstrom in das obere Ende des Lucite-Rohres wurde gemessen. Es wurde angenommen, daß der Strom durch jede der Perforationen der gleiche war, wobei dementsprechend für jede Perforation 1/5 des im oberen Teil des Lucite-Rohres gemessenen Flusses angenommen wurde.
Während des Versuchs wurde Wasser mit einer Dichte von 1,0 g/cm als Flüssigkeit verwendet. Starre Kugeldichtungen wurden aus 4 verschiedenen Materialien mit 4 verschiedenen Dichten hergestellt. Die Kugeln besaßen alle einen Durchmesser von 19,1 mm und waren hergestellt aus Polyprophylen (0,84 bis 0,86 g/cm ), Nylon (1,11 g/cm3), Acetal (1,39 g/cm3) und Teflon (2,17 g/cm3). Diese Kugeldichtungen besaßen keinen elastomeren Überzug. In der Praxis sind die Kugeldichtungen normalerweise mit einem Blastomeren überzogen, wie beispielsweise Gummi, um dadurch
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eine bessere Abdichtung zu bewirken. Der Zweck dieser Versuche war jedoch,die Aufsetzcharakteristika zu beobachten und nicht die Abdichtungscharakteristika.
Der Versuch umfaßt allgemein die Aufstellung einer spezifischen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Perforationen, die Injektion der Kugeldichtungen durch das 25,4-Durchmesser-Rohr in das obere Ende des 244 cm langen Lucite-Rohres und die Beobachtung, ob sich die Kugeln auf die Perforationen aufsetzten oder nicht. Das Versuchsprogramm wurde durchgeführt, indem die Kugeldichtungen aus allen 4 Materialien in das Rohr injiziert wurden, durch welches das Wasser strömte.
Eine Versuchsdurchführung umfaßte die Injektion von 10 Kugeln des gleichen Materials zu einer Zeit in das obere Ende des 244 cm-Rohres. Es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtungen auf eine der Perforationen aufsetzten oder nicht. Wenn sich eine Kugel auf eine Perforation aufsetzte, wurde diese abgenommen, bevor man die nächste Kugel fallenließ, so daß stets fünf offene Perforationen für jede Kugel vorlagen. Während einer Versuchsdurchführung verblieb die Flüssigkeit und deren Strömungsgeschwindigkeit gleich. Nachdem alle 10 Kugeln fallengelassen wurden, wurde die Zahl der Kugeln bestimmt, die sich auf die Perforationen aufgesetzt hatten, als Aufsetzwirkungsgrad unter den jeweiligen Bedingungen und als Prozentzahl ausgedrückt.
6 oder 7 Versuche wurden durchgeführt, um eine Regressionskurve des Aufsetzwirkungsgrades über die Strömungsgeschwindigkeit durch eine Perforation für die jeweilige Kugeldichtung und die Flüssigkeit zu bestimmen. Diese Regressionskurven wurden für jede Gruppe von Kugeldichtungen mit gleicher Dichte konstruiert. Die Daten dieser Regressionskurven wurden dann zur Herstellung der grafischen Darstellung gemäß Figur 3 verwendet.
In Figur 3 ist der Aufsetzwirkungsgrad über den normalisierten Dichteunterschied aufgetragen. Der normalisierte Dichte-
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unterschied ist der Unterschied der Dxhte zwischen der Kugeldichtung und der Flüssigkeit dividiert durch die Dichte der Flüssigkeit. Ein positiver normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtung größer ist als die Dichte der Flüssigkeit und ein negativ normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtung geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit. Hieraus folgt, daß ein normalisierter Dichteunterschied von 0 bedeutet, daß die Kugeldichtung und die Flüssigkeit die gleiche Dichte besitzt.
Wenn der normalisierte Dichteunterschied größer als 0 ist, stellt sich der Aufsetzwirkungsgrad als eine Funktion der Strömung durch die Perforationen heraus. In Figur 3 sind 4 Kurven des Aufsetzwirkungsgrades über den noramalisierten Dichteunterschied für 4 verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten durch eine Perforation aufgetragen, nämlich 1,2620 Liter pro Sekunde, 0,9465 Liter pro Sekunde, 0,6310 1/sec. und 0,3155 1/sec. Es zeigte sich auch, daß der Aufsetzwirkungsgrad anstieg, wenn der normalisierte Dichteunterschied auf 0 absank.
Wenn der normalisierte Dichteunterschied geringer als 0 ist, ist der Aufsetzwirkungsgrad immer 100 %, vorausgesetzt, daß der abwärtsgerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb des Futterrohres oberhalb der Perforationen hinreichend groß ist, um auf die Kugeldichtungen eine Kraft zu übertragen, die größer ist als die aufwärtsgerichtete Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt. Mit anderen Worten: Wenn die abwärtsgerichtete Strömung innerhalb des Futterrohres ausreicht, die Kugeldichtungen bis zu den Perforationen zu transportieren, werden sie sich immer aufsetzen.
Eine besondere Situation entsteht, wenn der normalisierte Dichteunterschied gleich Null ist. Wie bereits oben erwähnt, ist der normalisierte Dichteunterschied gleich Null, wenn die Dichte der Kugeldichtung die gleiche wie die Dichte der Flüssigkeit ist. Es wurden keine Versuche durchgeführt, bei wel-
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Chen die Kugeldichtungen genau die gleiche Dichte wie die Flüssigkeit besaß, aber aus den übrigen Daten ergibt sich, daß der Aufsetzwirkungsgrad für einen normalisierten Dichteunterschied von 0 sehr nahe bei 100 % liegt. Der Aufsetzwirkungsgrad kann ein klein wenig geringer als 100 % sein, da es die theoretische Möglichkeit gibt, daß sich eine Kugeldichtung nicht aufsetzt. Dies könnte eintreten, wenn die Kugeldichtungäurch die Flüssigkeit auf ein Niveau unterhalb der untersten Perforation transportiert wird, ohne daß sich die Kugel aufsetzt und die Kugel aufgrund ihres Beharrungsvermögens über das Niveau der untersten Perforation hinauswandert. Es leuchtet ein, daß eine Kugeldichtung, die aufgrund ihres Beharrungsvermögens an der untersten Perforation vorbeigeführt wird, in dem Rattenloch verbleibt, ohne daß sie sich aufsetzt, wenn der Flüssigkeitsstrom durch das Futterrohr und die Perforationen nicht für eine hinreichende Turbulenz unterhalb deiyüntersten Perforation führt, um diese Kugeldichtung nach oben zu fördern. Diese Situation ist jedoch nicht möglich, wenn die Kugeldichtungen eine geringere Dichte besitzen als diejenige der Flüssigkeit, da der Auftrieb der Kugel ein Ansteigen zumindest bis zum Niveau der untersten offenen Perforation,die Flüssigkeit aufnimmt, bewirkt.
Wenn der normalisierte Dichteunterschied größer als Null ist, d. h. wenn die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist der Aufsetzwirkungsgrad aller Kugeldichtungen eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen und dem Dichteunterschied zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit. Je größer die Geschwindigkeit durch die Perforationen und je geringer der Dichteunterschied zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit ist, umso größer wird der Aufsetzwirkungsgrad sein. Der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die großer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist stets als statistisches Phänomen zu betrachten. Eine Veränderung der Zahl, des Ab-
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Standes und der Ausrichtung der Perforationen beeinflußt den genauen Aufsetzwirkungsgrad,der in dieser Situation zu erwarten ist. Da es sich bei dem Aufsetzen der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Flüssigkeit, stets um ein statistisches Phänomen handelt, gibt es stets die Möglichkeit, daß zuwenige oder zuviele der Kugeldichtungen sich zur gewünschten Ablenkung auf den Perforationen aufsetzen.
Gemäß der Erfindung wird durch die Verwendung von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Flüssigkeit, ein 100/Oiger Aufsatzwirkungsgrad erreicht, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen und unabhängig von der Größe des Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit. Der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Flüssigkeit, ist lediglich eine Funktion der abwärtsgerichteten Strömung der Flüssigkeit oberhalb der obersten Perforation des Futterrohres. Wenn der abwärtsgerichtete Strom innerhalb des Futterrohres die Kugeldidtungen bis auf das Niveau der Perforationen zu transportieren vermag, dann werden sich in jedem Fall die Kugeldichtungen aufsetzen. Ein vorhersagbares Ableitverfahren tritt ein, da die Anzahl der Perforationen, die durch die Kugeldichtungen verstopft werden, der geringeren Zahl gleich ist von der Zahl der Kugeldichtungen, die in das Futterrohr injiziert werden bzw. der Anzahl von Perforationen, die Flüssigkeit aufnehmen.
Die Beziehung zwischen dem normalisierten Dichteunterschied und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um die Kugeldichtungen durch das Futterrohr abwärts zu führen, wurde untersucht. Figur 4 zeigt eine grafische Darstellung des normalisierten Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit, aufgetragen über die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch das Futterrohr abwärts. Diese
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Darstellung beruht auf mehreren Tests, bei welchen eine Kugeldichtung innerhalb eines vertikalen Stückes eines Lucite-Rohres eingebracht und ein abwärtiger Strom durch das Rohr erzeugt wurde. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit wurde so geregelt, daß die Kugeldichtung in einer festen Position im Mittelpunkt des Rohres verbliebe. In dieser Gleichgewichtsstellung sind die Kräfte, die durch das Vorbeistreichen der Flüssigkeit an der Kugeldichtung auf diese übertragen werden, gleich den Auftriebskräften, die auf die Kugeldichtung wirken. Kugeldichtungen verschiedener Dichten wurden zusammen mit 2 Flüssigkeiten eingesetzt, nämlich Wasser und Kalziumchloridsole mit einer Dichte von 1,13 g/cm , woraus sich die Kurve gemäß Figur 4 ergibt.
Die ausgezogene Linie gibt den Gleichgewichtszustand an, bei welchem die Kugeldichtung stationär in dem Futterrohr verbleibt, ohne sich aufwärts oder abwärts zu bewegen. Unterhalb der Linie in Figur 4 würde die Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb des Futterrohres unzulänglich sein, um die Auftriebs-, kräfte zu überwinden und die Kugeldichtung würde in dem Futterrohr aufzeigen. Oberhalb der Linie in Figur 4 übt die Flüssigkeit infolge der höheren Geschwindigkeit eine Kraft auf die Kugeldichtung aus, die größer ist als die Auftriebskraft auf die Kugeldichtung. Dementsprechend wird die Kugeldichtung durch das Futterrohr nach unten transportiert.
Alle Punkte auf der Linie und unterhalb derselben entsprechen einem bestimmten normalisierten Dichteunterschied und einer bestimmten Geschwindigkeit innerhalb des Futterrohres und führen zu einem Aufsetzwirkungsgrad von 0 %. Da die Kugeldichtungen nicht zu den Perforationen hin transportiert werden, können sie sich nicht aufsetzen. Wenn jedoch der normalisierte Dichteunterschied und die Geschwindigkeit innerhalb des Futterrohres einem Punkt oberhalb der Linie in Figur 4 entsprechen, beträgt der Aufsetzwirkungsgrad 100 %. Wenn die Kugeldichtungen zu den Perforationen hin transportiert werden, setzen sie sich auf. Ihre Auftriebskraft hält
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sie in einer Lage bei oder oberhalb der untersten Perforation und die abwärtsgerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit in dem Futterrohr oberhalb der obersten Perforation hält die Kugeldichtung bei oder unterhalb dem Niveau der untersten Perforation. Es ist nur eine sehr geringe Flüssigkeitsströmung durch eine Perforation erforderlich, um die Kugeldichtung zur Perforation hinzuziehen und auf dieser abzusetzen, wenn die Zeitdauer, während welcher der Flüssigkeitsstrom durch die Perforation auf die Kugeldichtung wirkt, nur durch die Länge der Injektionszeit begrenzt ist.
Um die Erfindung in der Praxis einzusetzen, ist es erforderlich, eine Kugeldichtung bereitzustellen, deren Dichte geringer ist als die Bohrlochflussigkeit,und die gleichzeitig eine Festigkeit besitzt, dem Druck in dem Bohrloch zu widerstehen. Es ist nicht ungewöhnlich, daß der Druck am Fuße des Bohrloches 680 at übersteigt, oder sogar 1020 at während der Bohrlochbehandlung erreicht. Wenn eine Kugeldichtung diesem Druck nicht zu widerstehen vermag, wird sie zusammengedrückt und bewirkt, daß die Dichte der Kugeldichtung auf einen Wert ansteigt, der leicht die Flüssigkeitsdichte überschreitet.
Da die für die Bohrlochbehandlung eingesetzten Flüssigkeiten
3 im allgemeinen eine Dichte von etwa 0,8 g/cm bis wesent-
3
lieh pberhalb 1,1 g/cm besitzen, ist eine Reihe leichter Kugeldichtungen erforderlich, deren Dichte in dem gleichen
3
Bereich von 0,8 bis 1,1 g/cm liegt.
Es sind geeignete Materialien für Kugeldichtungen im Bereich von 1,1 g/cm und höher verfügbar. In dem Bereich von 0,8
3
bis 1,1 g/cm sind die Verfahren zur Herstellung deartiger Kugeldichtungeη nicht sehr zufriedenstellend. Es ist beispielsweise eine mit BUNA-N überzogene Kugeldichtung mit einem Phenolkern verfügbar, der ein beträchtliches Leer-
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volumen besitzt, das zu einer Dichte von weniger als 1,0 g/ cm führt. Da das Leervolumen in dem Phenolkern durch eine teilweise Konsolidierung eines Phenolharzes erzeugt wird unter Niederdruck-Formbedingungen, ist die Steuerung der Dichte außerordentlich schwierig. Eine repräsentative Probe wurde getestet und zeigte eine durchschnittliche Dichte von 0,996 g/cm und eine weite Verteilung über 0,908 bis 1,085 g/cm . Darüber hinaus zeigte sich bei einer hydrostatischen Druckbelastung dieser Kugeldichtungen, daß bei vielen der Kugeldichtungen die Leerräume instabil waren und sich zusammendrückten, wenn sie einem Druck von lediglich 408 at ausgesetzt wurden. Dementsprechend stieg bei einem Zusammendrücken des Leervolumens die Dichte der Kugeldichtungen an.
Eine Kugeldichtung, die imstande ist, einem großen Druck zu widerstehen bei einer Dichte im Bereich vom 0,8 bis 1,1
g/cm ist in Figur 5 dargestellt. Die sphärische Kugeldichtung 10 besitzt einen sphärischen Kern 101 aus einem syntaktischen Schaum, der mit einem elastomeren Material überzogen ist.
Bei dem syntaktischen Schaum handelt es sich um ein Material, das aus hohlen sphärischen Partikeln besteht, die in einem Binder dispergiert sind. Der im nandel verfügbare syntaktische Schaum niedriger Dichte, der hinreichend stark ist, um die für Kugeldichtungen typischen Drucke und Temperaturen auszuhalten, besteht aus mikroskopisch kleinen hohlen Glaskugeln (mit einem Durchmesser von durchschnittlich 50 Mikron), die in einem Harzbinder wie beispielsweise Epoxyharz dispergiert sind. Es ist möglich, daß zukünftig bei der Herstellung •eines syntaktischen Schaumes Kugeln aus einem anderen Materials als Glas und Binder hergestellt werden können, wie beispielsweise aus thermoplastischen und wärmehärtenden Kunststoffen. Die Firma Emerson and Cuming Inc. hat kürzlich hochfeste Glasmikrokugeln entwickelt, die einem Druck zu widerstehen vermögen, der typisch bei der Injektion ist. Wenn ein Injektionsformen eingesetzt werden kann, um die Kugeldichtun-
10/100*,
gen herzustellen, wird es möglich, einen leichten thermoplastischen oder wärmeaushärtenden Kunststoff als Binder einzusetzen, wodurch sich eine hochfeste Kugeldichtung mit einer sehr niedrigen Dichte herstellen läßt. Verschiedene im Handel verfügbare synthetische Schaumarten, die sich als Kernmaterial für Kugeldichtungen niedriger Dichte eignen, sind in Tabelle I zusammengestellt.
Tabelle I
Eigenschaften verschiedener syntaktischer Schaumsysteme
Produkt
Hersteller
Hydrosta- Kompres-Dichte tische sions-(g/cm^) Druckfes- modul
tigkeit (at) (at)
EL 30
EL 36
EL 39
EL 38
34-2C6
36-1B4
39-1B5
Emerson & Cuming 0.48
Emerson & Cuming 0.57
Emerson & Cuming 0.62
Emerson & Cuming 0.60
Lockheed
Lockheed
Lockheed
XP-241-36 3M
XP-241-42H 3M
0.54 0.57 0.62
0.57 0.57
544 17 010 1089 26 536 1633 28 577
476 nicht verfügbar
1225 nicht verfügbar
929 nicht verfügbar
1061 nicht verfügbar
748 22 113 1361 30 618
Die in Tabelle I aufgezählten syntaktischen Schaumarten ergeben eine gute Festigkeit, wenn sie einem hydrostatischen Druck ausgesetzt werden. Viele dieser Materialien halten leicht 1020 at aus, Darüber hinaus zeigte jede der syntaktischen Schaumarten, für welche ein Kompressionsmodul der Elastizität verfügbar war, einen dem Wasser vergleichbaren Kompressionsmodul, der bei 20412 at liegt.
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Der Elastizitäts-Kompressionsmodul ist die Umkehrung der Materialkompressibilität. Er stellt die Widerstandsfähigkeit eines Materials hinsichtlich der volumetrischen Änderung als Funktion des hydrostatischen Druckes dar. Wenn beispielsweise der Kompressionsmodul eines Materials größer ist als derjenige des Wassers, ist das Material weniger kompressibel als Wasser. Dementsprechend steigt der Auftrieb des Materials an in bezug auf das Wasser, wenn beide dem gleichen Druck ausgesetzt werden, da das Wasser in einem stärkeren Maße zusammengedrückt wird. Die Qualität dieser syntaktischen Schaumarten stellt sicher, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer bleibt als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, wodurch die Probleme umgangen werden, die bei Phenolkern-Kugeldichtungen auftreten.
Syntaktischer Schaum ist gegenwärtig nur in Blöcken mit einem Standardvolumen von etwa 28,3 Litern verfügbar. Der erste Schritt bei der Herstellung von Kugeldichtungen aus syntaktischem Schaum ist dementsprechend die Fertigung von syntaktischen Schaumkugeln mit einem Durchmesser von 19,1 mm aus den syntaktischen Schaumblöcken. Es wird dann die Oberfläche der Kugeln präpariert, mit einem geeigneten Bindemittel beaufschlagt und mit dem gewünschten Überzug versehen.
Die Oberflächenbearbeitung umfaßt auch eine Reinigung, um sicherzustellen, daß eine gute Bindung zwischen dem Überzug und dem syntaktischen Schaum hergestellt wird. Es ist sehr vorteilhaft, wenn die Oberflächenbehandlung auf einen starken Luftstrahl beschränkt werden kann, der den größten Teil des Glasstaubes,der während der Herstellung entstanden ist, zu entfernen. Eine Sandbestrahlung wurde mit einem guten Erfolg durchgeführt, wobei diese jedoch auf sehr kurze Behandlungszeiten beschränkt werden sollte, da hierdurch die Kernoberfläche rasch abgetragen wird, wodurch die Kugeldichte ansteigt und die Gesamtdichte sich verändert. Wenn die Kugeln behandelt worden sind, oder sich in einem öligen Zustand befinden, hat sich eine Waschung mit Trichloräthylen als zu-
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friedenstellend erwiesen. Wenn die Kugeln fett und -ölfrei sind, können sie in ein geeignetes Bindemittel eingetaucht werden, das entsprechend dem aufzubringenden Überzugsmaterial ausgewählt wird.
Als elastomeres Überzugsmaterial kann Gummi Verwendung finden. Nachdem der ungehärtete Gummiüberzug mittels einer Dornpresse um die Schaumkugeln herumgepreßt ist, können die Kugeln gehärtet werden. Die genaue Temperatur, der Druck und die Härtezeit ändern sich mit den Gummibestandteilen. Die Aushärtungsverfahren sind alt uncj hinlänglich bekannt.
Ein kritischer Parameter bei dem Härteverfahren in bezug auf die syntaktischen Schaumkugeldichtungen ist die Temperatur. Da die Härtetemperatur im allgemeinen für BUNA-N oder Epichlorhydringummi-Bestandteile etwa eine halbe Stunde lang bei etwa 149°C gehalten wird, ist es zwingend, daß der syntaktische Schaumbinder hitzebeständig ist.
Alle in Tabelle 1 aufgestellten Hersteller für syntaktischen Schaum verwenden Epoxybindersysteme mit geeigneten Härtern wie beispielsweise Anhydrit, die sich bei diesen angehobenen Temperaturen (um etwa 149 C) nicht erweichen oder zersetzen. Das einzige getestene Polyamidbindersystem war EF 38 (Tabelle I) und zeigte sich als ungeeignet, wenn es Temperaturen von höher als 121°C ausgesetzt wurde.
Während in Tabelle I die Dichten dieser ausgewählten syntaktischen Schaummaterialien aufgeführt sind, wird die Gesamtdichte einer Kugeldichtung sowohl durch das Kernmaterial als auch durch das Überzugsmaterial bestimmt. Die Tabelle II gibt statistische Werte an einschließlich der Gesamtkugeldichte für 4 Gruppen von gummiüberzogenen syntaktischen Schaumkugeldichtungen, die hergestellt worden sind.
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Tabelle Ii
Hergestellte gummiüberzogene syntaktische Schaumkugel dich tun gen
durchschnitt- Gummi-Be- syntakti-Menge liehe Dichte Größe standteil scher (g/cm3) (mm) (F.H.Maloney Co.) Schaum
275 O ,879 22, 2 490 FB Lockheed 36-1B4
242 O ,994 22, 2 483 Lockheed 36-1B4
237 O ,898 22, 2 490 FB Lockheed 36-1B4
175 O ,832 31, 8 490 FB Lockheed 36-1B4
Bei den Eingangsuntersuchungen zeigten sich die hergestellten syntaktischen Schaumkugeldichtungen als mechanisch stabil, wenn sie einer Druckdifferenz von 102 at über die Perforationen und einer Temperatur im Bereich von 77°C ausgesetzt wurden. Außerdem zeigten diese Kugel dichtungen, wenn sie mit einem hydrostatischen Druck belastet wurden, keinen Schaden, bis ein Druck von etwa 919 at erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt begannen sie unelastisch zu versagen aufgrund des Zusammenfaliens des syntaktischen Schaumes. Das Versagen bei diesem Druck entspricht genau der vom Hersteller angegebenen hydrostatischen Druckfestigkeit von 929 at. (s. Tabelle I Lockheed 36-1B4).
Obwohl es sich bei dem syntaktischen Schaum um ein Kernmaterial für die Kugeldichtung handelt, können bestimmte thermoplastische Materialien verwendet werden. Obwohl kein ungeschäumter Kunststoff eine hinreichend niedrige Dichte besitzt, um eine Kugeldichtung mit einer Dichte von 0,8 bis 0,9 g/cm herzustellen, kann Polymethylpeηteη als Kernma-
3 terial für Kugeldichtungen in dem 1,0 g/cm -Dichte-Bereich verwendet werden. Polymethylpenten besitzt eine Dichte von 0,83 g/cm und ist ein hochtemperatur-thermoplastisches
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-2Z-
Material (Schmelzpunkt etwa bei 2500C). Alle anderen leichten Kunststoffe, die typischerweise Polybutylen, Polyethylen, Polyprophylen und Polyallomer copolymere umfassen, sind nahezu doppelt so schwer wie annehmbar wäre. Da es sich außerdem bei diesen Materialien um
sie Niedrigtemperaturthermoplaste handelt, sind sicherlich für Kugeldichtungskerne nicht geeignet, da sie sich wahrscheinlich bei den Temperatur- und Druckbedingungen, wie sie am Fuß des Bohrloches vorliegen, durch die Perforationen durchdrücken.
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Claims (8)

PATENTAN W Ά L T L DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL GROSSE BERGSTRASSE 223 2000 HAMBURG 50 JULIUS-KREIS-STRASSE 33 8000 MÜNCHEN 60 POSTFACH 500662 TELEFON (0 40) 39 62 95 TELEFON (089) 885210 _ . . . Telegramm-Adresse: Deollnerpatent München Ihr Zeichen: Unser Zeichen: H 2834 8000 München, den 17. Aug. 1978 Exxon Production Research Company P. O. Box 2189 Houston, Texas 77001 V. St. A. Verfahren und Vorrichtung zur Flüssigkeitsbehandlung von Bohrlöcher umgebende unterirdischen Formationen PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Flüssigkeitsbehandlung von Bohrlöcher umgebende unterirdischen Formationen, dadurch gelennzeichnet, daß man durch das im Bereich der Formation mindestens zwei Perforationen aufweisende Futterrohr über mindestens eine der Perforationen eine Behandlungsflüssigkeit in die Formation einführt und anschließend eine Behandlungs-
ÖQ9810/100J/
Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813897
flüssigkeit einleitet, die eine Kugeldichtung mit einem syntaktischen Schaumkern und einem elastomeren Überzug trägt, die eine hinreichende Größe besitzt, um eine der Perforationen abzudichten, und eine geringere Dichte aufweist als die der in das Futterrohr injizierte Behandlungsflüssigkeit, wobei die Einführungsgeschwindigkeit der Behandlungsflüssigkeit hinreichend groß ist, um die Kugeldichtung durch das Futterrohr bis zu der Perforation zu führen und diese abzudichten, während anschließend die Behandlungsflüssigkeit nur über d«te die nicht mittels der Kugeldichtung abgedichtete Perforation in die Formation eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zufuhrgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit auf die Kugeldichtung übertragene Kraft größer ist als der Auftrieb der Kugeldichtung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlungsflüssigkeit durch eine Mehrzahl von Perforationen in die das Bohrloch umgebende Formation einführt und mehrere Kugeldichtungen in das Futterrohr einleitet, die größer sind als die Perforationen, worauf man den Flüssigkeitsstrom mit einer Geschwindigkeit aufrechterhält, die eine größere abwärts gerichtete Kraft auf die Kugeldichtungen überträgt als deren Auftriebskraft, womit die Kugeldichtungen zu den Perforationen geführt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeldichtungen (10) bestehen aus:
a) einem syntaktischen Schaumkern (101), bei welchem es sich um ein Material aus in einem Binder dispergierten hohlen kugelförmigen Teilchen handelt, und
b) einem elastomeren Überzug (102).
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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man schrittweise zwei übereinanderliegende unterirdische Formationen behandelt, die ein Bohrloch umgeben, irvdem man nach einer Teilbehandlung der Behandlungsflüssigkeit Kugeldichtungen zur Abdichtung eines Teils der Perforationen beigibt, die aus einem syntaktischen Schaumkern mit einem elastomeren Überzug bestehen und eine geringere Dichte als die der Behandlungsflüssigkeit besitzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man der Behandlungsflüssigkeit Kugeldichtungen beigibt, die einen Riymethylpentenkern mit einem elastomeren Überzug besitzen, größer als die Perforationen in dem Futterrohr sind und eine geringere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit aufweisen.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeldichtungen (10)
a) einen Kern (101) aus Polymethylpenten und
b) einen elastomeren Überzug (201) besitzen.
8. Verfahren nach den Ansprüchen Ibis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man schrittweise zwei übereinanderliegende unterirdische Formationen behandelt, die ein Bohrloch umgeben, in dem man nach einer Teilbehandlung der Behandlungsflüssigkeit Kugeldichtungen zur Abdichtung eines Teils der Perforationen beigibt, die aus einem Kern aus Polymethylpenten und einem elastomeren Überzug bestehen und eine geringere Dichte als die der Behandlungsflüssigkeit besitzen.
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