DE2838552A1 - Verfahren und vorrichtung zur fluessigkeitsbehandlung von bohrloecher umgebende unterirdischen formationen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur fluessigkeitsbehandlung von bohrloecher umgebende unterirdischen formationenInfo
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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
909810/1001
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
909810/1001/
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
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.
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-
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-
9098 10/1
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.
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
EL 36
EL 39
EL 38
34-2C6
36-1B4
39-1B5
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
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.
9810/1001,
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-
909810/1001;
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.
9098 10/1 001/
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
909810/1001,
-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.
909810/100Ij
Claims (8)
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).
909810/1001
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.
909810/10Ot
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