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Die vorliegende Erfindung betrifft die
Entfernung von Feinanteilen aus einer gebrauchten
wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit, die beim
Bohren eines Bohrlochs in einer Untergrundformation zur
Erzeugung einer Bohrung verwendet wird. Beim Bohren
eines Bohrlochs in der Formation sammelt sich in der
wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit Bohrklein an.
Die größeren Teilchen können mit sogenannten
Schieferschüttlern abgetrennt werden, die kleineren
Teilchen mit Hydrozyklonen und Dekantierzentrifugen.
Bei anderen Verfahren setzt man der gebrauchten
wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit chemische
Flockungsmittel zu, damit sich die Feinanteile an der
Oberfläche abscheiden, oder verdünnt die gebrauchte
wäßrige Bohrungsbehandlungsflüssigkeit mit Wasser und
verringert so die Konzentration der Feinanteile. Siehe
beispielsweise Development in Petroleum Science, 11,
Drilling and Drilling Fluids, G.V. Chilingarian und P.
Vorabutr, Elsevier, 1981, Seite 309-310.
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In der Beschreibung und in den Ansprüchen
bezeichnet der Begriff "Bohrungsbehandlungsflüssigkeit"
z.B. ein Bohrspülmittel, eine Flüssigkeit zur
abschließenden Behandlung oder eine
Nachbehandlungsflüssigkeit.
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Beim Zusatz von chemischen Flockungsmitteln ist
nachteilig, daß man eine verhältnismäßig große Menge an
Flockungsmittel benötigt, während bei der Verdünnung
der wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit nachteilig
ist, daß andere Komponenten der
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit, wie z.B. die Dichte
erhöhende Substanzen, organische Polymere und
Schlammkonditioniermittel, nachgesetzt werden müssen.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Entfernung von
Tonteilchen aus gebrauchter wäßriger
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit setzt man einer wäßrigen
Lösung von kolloidalen Tonteilchen Calciumchlorid zu,
siehe Composition and Properties of Oil Well Drilling
Fluids, 4. Auflage, G.R. Gray und H.C.H. Darley, Seite
164-167.
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Eigene Untersuchungen ergaben, daß dieses
Verfahren für eine Bohrungsbehandlungsflüssigkeit, die
eine viskositätserhöhende Substanz in Form eines
wasserlöslichen Polymers enthält, nicht in Frage kommt,
da das wasserlösliche Polymer in der wäßrigen Phase
gelöst bleibt und die Flüssigkeit folglich zu viskos
ist, um eine Abtrennung mittels Zentrifugation zu
gestatten.
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Es wurde gefunden, daß die Feinanteile der
gebrauchten wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit für
eine Ausflockung ein aussalzendes Anion und/oder eine
wenig lösliche Calcium- oder Magnesiumverbindung
enthalten sollten.
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Aussalzende Anionen verwendet man auch zur
Herabsetzung der Temperatur, bei der das wasserlösliche
Polymer auszufallen beginnt (siehe Lyotropic Numbers of
Anions From Cloud Point Changes of Nonionic
Surfactants, H. Schott, Colloids and Surfaces, 11
(1984), Seite 51-54). Als Beispiel für ein aussalzendes
Anion sei das Formiat-Ion genannt; siehe europäische
Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 259 939. Weitere
Beispiele für aussalzende Anionen sind das Citrat-
Anion, das Acetat-Anion, das Sulfat-Anion, das Chlorid-
Anion, das Nitrat-Anion und das Iodid-Anion. Die Menge
an aussalzendem Anion ist größer als die 1 kg Salz des
aussalzenden Anions pro m³
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit entsprechende Menge; die
größtmögliche Menge kann dem Sättigungsniveau
entsprechen, das bei einigen aussalzenden Anionen eine
etwa 800 kg Salz des aussalzenden Anions pro m³
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit entsprechende Menge
beträgt.
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Es wurde gefunden, daß die gebrauchte wäßrige
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit zur Verbesserung der
Ausflockung der Feinanteile eine wenig lösliche
Calcium- oder Magnesiumverbindung enthalten sollte,
wobei der Begriff "wenig löslich" zur Bezeichnung einer
Löslichkeit der Verbindung in Wasser bei Raumtemperatur
von weniger als 1 g/L (Gramm pro Liter) verwendet wird.
Beispiele für wenig lösliche Calcium- oder
Magnesiumverbindungen sind Carbonate, wie z.B. Kreide
(Calciumcarbonat) und Dolomit (Ein
Magnesiumcalciumcarbonat), Sulfate, wie z.B. Gips
(Calciumsulfat), Oxide, wie z.B. Kalk (Calciumoxid),
und Hydroxide. Die wenig lösliche Verbindung kann
bereits in der Bohrungsbehandlungsflüssigkeit vorliegen
oder ihr vor Beginn der Behandlung zugesetzt werden.
Die Menge an wenig löslicher Calcium- oder
Magnesiumverbindung beträgt zweckmäßig 1 bis 500 kg/m³
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit und besonders zweckmäßig
1 bis 200 kg/m³ Bohrungsbehandlungsflüssigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung eines Verfahrens zur Entfernung von
Feinanteilen aus einer gebrauchten wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit, bei dem man zur
Ausfällung der Feinanteile nur eine geringe Menge an
Chemikalien benötigt.
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Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein
Verfahren zur Entfernung von Feinanteilen aus einer
gebrauchten wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit,
enthaltend Feinanteile, ein wasserlösliches Polymer,
ein aussalzendes Anion und/oder eine wenig lösliche
Calcium- oder Magnesiumverbindung, bei dem man:
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(a) den pH-Wert der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit erhöht, damit die
Feinanteile agglomerieren und das waserlösliche Polymer
ausfällt; und
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(b) die Agglomerate von der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit abtrennt.
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In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind
unter "Feinanteilen" Teilchen mit einer Größe von bis
zu 100 Mikrometer zu verstehen.
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Eigene Untersuchungen ergaben, daß bei der
Ausfällung der gelösten wenig löslichen Verbindung
durch Erhöhung des pH-Werts die Feinanteile und der
Rest der Verbindung als Keime für die Agglomerate, die
sich aus dem Niederschlag bilden, dienen. Die
Teilchengröße der Agglomerate ist wesentlich größer als
die der Feinanteile. Die Agglomerierung erfolgt somit
durch Veränderung der Konzentration von Ionen, die sich
bereits in Lösung befinden, und nicht durch die
Gegenwart eines Flockungsmittels.
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Eine Bohrungsbehandlungsflüssigkeit hat in der
Regel einen pH-Wert zwischen 8 und 10,5. Zur Erhöhung
der Konzentration an gelöster wenig löslicher
Calcium- oder Magnesiumverbindung wird der pH-Wert der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit vor der Erhöhung des pH-
Werts zweckmäßig gesenkt. Die Senkung des pH-Werts kann
durch Zusatz einer geeigneten Säure, beispielsweise
Chlorwasserstoff, erfolgen; die Erhöhung des pH-Werts
kann durch Zusatz einer geeigneten Base, beispielsweise
Kaliumhydroxid, erfolgen. Der pH-Wert der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit wird zweckmäßig auf 5
bis 7 gesenkt und zweckmäßig auf über 10 und besonders
zweckmäßig auf 11 bis 14 erhöht. Nach der Entfernung
der Feinanteile stellt man den pH-Wert der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit wieder auf den Wert ein,
den die wäßrige Bohrungsbehandlungsflüssigkeit vor der
Behandlung besaß.
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Als wasserlösliches Polymer kommt jedes Polymer
in Betracht, das in einer wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit zur Erhöhung der
Viskosität eingesetzt wird, beispielsweise ein
Biopolymer, wie z.B. ein Xanthanpolymer, ein
Succinoglykanpolysaccharid, ein
Scleroglykanpolysaccharid oder ein Cellulosepolymer,
oder ein synthetisches Polymer, wie z.B. ein
Acrylatpolymer. Die Menge an Polymer in der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit beträgt 1 bis 15 kg pro
m³.
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Selbstverständlich kann die wäßrige
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit oder die gebrauchte
wäßrige Bohrungsbehandlungsflüssigkeit die wenig
lösliche Calcium- oder Magnesiumverbindung schon in
ausreichender Menge enthalten. Alternativ dazu kann man
beim Fehlen einer derartigen Verbindung in der wäßrigen
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit oder bei zu geringer
Konzentration die Verbindung vor Behandlung so
zusetzen, daß man eine wäßrige
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit mit 1 bis 500 kg pro m³
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit und besonders zweckmäßig
mit 1 bis 200 kg pro m³ Bohrungsbehandlungsflüssigkeit
erhält.
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Ohne Festlegung auf die vorliegende
Beschreibung wird derzeit angenommen, daß die Senkung
und Erhöhung des pH-Werts sich auf die Komponenten der
gebrauchten Bohrungsbehandlungsflüssigkeit
folgendermaßen auswirken:
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(1) das aussalzende Anion ist in der
gebrauchten Bohrungsbehandlungsflüssigkeit gelöst und
wird von der Senkung oder Erhöhung des pH-Werts nicht
beeinflußt;
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(2) die wenig lösliche Calcium- oder
Magnesiumverbindung ist in der gebrauchten
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit dispergiert; sie löst
sich bei der Senkung des pH-Werts in geringem Maße auf
und fällt bei der Erhöhung des pH-Werts aus;
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(3) das Polymer ist in der gebrauchten
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit gelöst und wird von der
Senkung des pH-Werts nicht beeinflußt, beginnt aber bei
Erhöhung des pH-Werts auszufallen; falls das gebrauchte
Bohrspülmittel jedoch kein aussalzendes Anion enthält,
wird das Polymer durch die Erhöhung des pH-Werts nur
geringfügig beeinflußt (nicht stark genug, um eine
Ausfällung zu bewirken) und wird in die bei der
Ausfällung der wenig löslichen Calcium- oder
Magnesiumverbindung gebildeten Agglomerate eingebunden;
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(4) das Bohrklein ist in der gebrauchten
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit dispergiert und wird von
der Senkung des pH-Werts nicht beeinflußt, wird aber
bei Erhöhung des pH-Werts in die bei der Ausfällung der
wenig löslichen Calcium- oder Magnesiumverbindung
(falls vorhanden) und bei der Ausfällung von Polymeren
(wenn sie in Gegenwart des aussalzenden Anions
ausfallen) gebildeten Agglomerate eingebunden.
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Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden
Beispiele näher erläutert. Im ersten Beispiel liegen in
der gebrauchten Flüssigkeit sowohl ein aussalzendes
Anion in Form eines Formiats als auch eine wenig
lösliche Calciumverbindung in Form von Kreide vor,
wohingegen im zweiten Beispiel in der gebrauchten
Flüssigkeit nur ein aussalzendes Anion in Form eines
Formiats und im dritten Beispiel in der gebrauchten
Flüssigkeit nur eine wenig lösliche Calciumverbindung
in Form von Gips vorliegt.
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Beispiel 1. Zu 1 l (Liter)
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit mit 460 g (Gramm)
Natriumformiat, 160 g Kaliumchlorid, 2,14 g
Xanthanpolymer, 5,71 g AMPS-Acrylatpolymer (bei dem es
sich um ein Copolymer von 2-Acrylamido-2-
methylpropansulfonsäure ex Lubrizol handelt), 5,71 g
polyanionischem Cellulosepolymer, 85,6 g Kreide und
1,43 g Natriumcarbonat wurden 28,5 g Bohrklein
(Teilchengröße bis zu 100 Mikrometer) gegeben. Der pH-
Wert der Bohrungsbehandlungsflüssigkeit betrug 9,5. Die
plastische Viskosität der
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit betrug 34 cP, die
Fließgrenze 23 Pa und die scheinbare Viskosität (bei
einer Schergeschwindigkeit von 1020 l/s) 47 cP. Diese
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit wurde unter Rühren
langsam mit 5 ml (Milliliter) einer wäßrigen Lösung mit
360 g/l Chlorwasserstoff versetzt. Der pH-Wert der
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit sank auf 6,4, und ein
Teil der Kreide ging in Lösung. Anschließend wurde der
pH-Wert durch schnelle Zugabe von 20 ml einer 10molaren
wäßrigen Kaliumhydroxid-Lösung auf 12 erhöht. Nach der
Änderung des pH-Werts betrug die plastische Viskosität
der Bohrungsbehandlungsflüssigkeit 22 cP, die
Fließgrenze 3 Pa und die scheinbare Viskosität (bei
einer Schergeschwindigkeit von 1020 l/s) 26 cP. Es
bildeten sich große Agglomerate, und die Viskosität der
gebrauchten wäßrigen Bohrungsbehandlungsflüssigkeit
hatte sich so stark verringert, daß die einfache
Entfernung der großen Teilchen durch Zentrifugation
möglich war. Das Zentrifugat enthielt weniger als 5%
der ursprünglichen Feststoffe und besaß eine scheinbare
Viskosität (bei einer Schergeschwindigkeit von 1020
l/s) von 9 cP, was so niedrig ist, daß durch Cellite
(Warenzeichen) als Filterhilfe filtriert werden kann.
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Beispiel 2. Zu 1 l
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit mit 0,804 l einer 75 gew.-%igen
Kaliumformiat-Lösung, 0,14 l Wasser, 1,6 g
Xanthanpolymer, 5,4 g polyanionischem Cellulosepolymer,
2,7 g AMPS-Acrylatpolymer und 271,4 g Manganoxid (MnO&sub2;)
wurden 28,5 g Bohrklein gegeben. Der pH-Wert der
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit betrug 8,9. Die
plastische Viskosität betrug 27 cP und die Fließgrenze
18 Pa. Nach Zugabe von 2,5 ml einer 10molaren wäßrigen
Kaliumhydroxid-Lösung wurde die Mischung 30 Sekunden
lang vorsichtig nachgerührt und dann 1 Minute bei
3000 G zentrifugiert. Es wurden 53% klares Zentrifugat
isoliert.
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Beispiel 3. Zu 1 l Bohrungsbehandlungsflüssigkeit mit
0,95 l Wasser, 90 g Kaliumchlorid, 10 g polyanionischem
Cellulosepolymer, 7,42 g Gips und Kaliumhydroxid (bis
zu einem pH-Wert von 9) wurden 5,71 g Bohrklein (OCMA-
Ton) gegeben. Nach langsamer Zugabe von 1 ml
konzentrierter Salzsäure (37 gew.-%ig) wurde 5 Minuten
gerührt und danach schnell mit 4 ml einer 10molaren
wäßrigen Kaliumhydroxid-Lösung versetzt. Nach 30
Sekunden Nachrühren wurde 1 Minute bei 3000 U/Min.
(Umdrehungen pro Minute) zentrifugiert. Es wurden 70
Vol.-% klare Flüssigkeit isoliert.
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Selbstverständlich ist die
Bohrungsbehandlungsflüssigkeit ohne Änderung des pH-
Werts so viskos, daß die Entfernung der Feinanteile
durch Zentrifugation schwierig ist; nach Zentrifugation
unter den gleichen Bedingungen war das Zentrifugat
trüber.