DE884341C

DE884341C - Deep drilling fluid and methods of treating it

Info

Publication number: DE884341C
Application number: DEH5551A
Authority: DE
Inventors: Everett Percy Partridge
Original assignee: Hall Labs LLC
Current assignee: Hall Labs LLC
Priority date: 1943-02-15
Filing date: 1950-09-24
Publication date: 1953-07-27

Description

Tiefbohrspülung und Verfahren zu ihrer Behandlung Beim Tiefbohren, z. B. nach ö1, wird der Bohrabrieb bekanntlich durch Spülflüssigkeiten (Spülung bzw. Bohrschlämme), die von einem Sammelbecken über Tag durch das Bohrrohr bis zum Bohrer und wieder nach oben in das Sammelbecken zirkulieren, zutage gefördert. Die aus dem Bohrloch kommende Spülung wird dann gereinigt und, gegebenenfalls nach Auffrischung, erneut zirkulieren gelassen. Neben einem Hochfördern von Gesteinsplittern und Bohrschmand dient die sogenannte Dickspülung auch noch anderen Zwecken, wie Schmieren von Sonde und Bohrgestänge, zum Belegen und Abdichten der Sondenwand gegen Wasser oder Hochdruckgas, zur Verhinderung des Nachstürzens von gebrächem Gestein und schließlich zur Erzeugung eines genügend hohen hydrostatischen Drucks gegen Gasausbrüche. Um das Gewicht der Spülung zu erhöhen, ist es üblich, ihr zSchweremittel, wie Schwerspat oder Hämatit, zusetzen. Sowohl solche Zusätze als auch eine Erhöhung des spezifischen Gewichts der Spülung durch eine Erhöhung des Verhältnisses von Ton zu Wasser steigern aber die Viskosität der Spülung, so daß sie sich nur schwer pumpen läßt.Deep drilling fluid and its treatment method When deep drilling, z. B. after ö1, the drilling abrasion is known to be caused by flushing fluids (flushing or drilling mud), which from a collecting basin during the day through the drill pipe to Drill and circulate back up into the reservoir, brought to the surface. the Mud coming out of the borehole is then cleaned and, if necessary after being refreshed, circulated again. In addition to pumping up rock fragments and drilling smear The so-called thick flush also serves other purposes, such as the lubrication of the probe and drill rods, for covering and sealing the probe wall against water or high pressure gas, to prevent the falling rocks and finally to generate them a sufficiently high hydrostatic pressure against gas bursts. To the weight of the To increase the irrigation, it is common to use your z to add. Both such additives and an increase in the specific weight Increase the rinse by increasing the ratio of clay to water, however the viscosity of the mud, making it difficult to pump.

Es wurde daher schon vorgeschlagen, derartigen Viskositätserhöhungen durch gewisse Zusätze, u. a. von schnell in Lösung gehenden Meta- oder Py rophosphaten entgegenzuwirken. Solche Phosphate wirken wohl dispergierend auf die Spülung, wodurch deren Viskosität erniedrigt wird, sie haben aber auch ihre Nachteile. Werden nämlich z. B. Natriumhexametaphosphat oder Natriumpyrophosphat in fester Form der Spülung zugesetzt, so gehen sie in kürzester Zeit in Lösung. Unter Übertagebedingungen erfüllen sie dabei durchaus den Zweck einer Erniedrigung der Viskosität der Spülung. Kommt diese aber während des Umpumpens in die tieferen Zonen des Bohrlochs, auf dessen Sohle Temperaturen bis zu 9o° und darüber herrschen können, so werden sie zu unwirksamen Orthophosphaten hydratisiert oder als schwer lösliche Magnesium- oder Calciumphosphate gefällt und dadurch ebenfalls unwirksam. Man kann auf solche Weise ihrem Wirkungszweck entzogene Phosphate wohl ergänzen; .die für die Tiefe des Bohrlochs optimalen Dosierungen sind aber nicht ohne weiteres zu ermitteln, so daß die Gefahr sowohl einer Unter- als auch einer Überdosierung besteht. In letzterem Fälle spricht dann die Spülung wegen Übersättigung mit Chemikalien auf die erneuten Zusätze nicht mehr entsprechend an.It has therefore already been proposed to increase viscosity of this kind through certain additives, including of rapidly dissolving meta- or py rophosphates to counteract. Such phosphates have a dispersing effect on the rinse, which means the viscosity of which is lowered, but they also have their disadvantages. Namely z. B. sodium hexametaphosphate or sodium pyrophosphate in solid form of the rinse added, they go into solution in a very short time. Under surface conditions fulfill they definitely serve the purpose of lowering the viscosity of the mud. Comes but this during the pumping over into the deeper zones of the borehole, on its If temperatures of up to 9o ° and above can prevail, they become ineffective Orthophosphates hydrated or as poorly soluble magnesium or calcium phosphates liked and therefore also ineffective. In such a way one can see its purpose Supplement withdrawn phosphates; .the optimal dosages for the depth of the borehole but cannot be determined without further ado, so that the risk of both as well as an overdose. In the latter case, the flush speaks due to oversaturation with chemicals no longer correspond to the new additives at.

Es wurde gefunden, daß derartige Dosierungsschwierigkeiten durch die Anwendung von in der Spülung feinverteilten festen, langsam in 'Lösung gehenden glasigen anhydrischen Phosphaten überwänden werden können. Von ihnen geht jeweils ein Teil, der die beabsichtigte Viskositätserniedrigung bewirkt, in Lösung, während der zunächst ungelöst bleibende Teil die der Reaktion durch Umwandlung in Orthophosphate oder Ausfällung entzogene Menge kontinuierlich ersetzt.It has been found that such dosing difficulties are caused by the Use of solid, finely dispersed in the rinse, slowly dissolving vitreous anhydrous phosphates can be overcome. From each of them goes a part that effects the intended lowering of viscosity, in solution, while the part that remains initially undissolved is that of the reaction through conversion into orthophosphates or the amount withdrawn from precipitation is continuously replaced.

Als langsam lösliche, anhydrische Phosphatgläser im Sinne der Erfindung kommen vor allem diejenigen in Betracht, die etwa 37 bis 65 Molprozente an P2 0, enthalten, während ihr Rest aus wenigstens einem Oxyd von Metallen der Gruppe II des Periodischen Systems, wie Magnesium, Calcium, Strontium, Barium; Zink, besteht. In diesen Phosphaten kann ein Teil der Oxyde der zweiwertigen Metalle auch durch wenigstens ein Oxyd der Alkalimetalle, wie Natrium oder Kalium, einschließlich des Ammoniums ersetzt sein, doch soll das molekulare Verhältnis der Oxyde der zweiwertigen Metalle zu denendereinwertigenMetällenichtunter i : i liegen. Da die Löslichkeit der Phosphatgläservon einem bestimmten molekularen Prozentgehalt an P20 5 mit dem relativen Molekularverhältnis Alkalioxyd zu Oxyd des zweiwertigen Metalls steigt, hat man es in der Hand, Phosphate mit gewünschten Löslichkeitseigenschaften und insbesondere verschiedener Löslichkeitsgeschwindigkeit auszuwählen. Einige Beispiele seien in nachfolgender Tabelle wiedergegeben. Die nach i ständigem Rühren in i 1 Wasser in Lösung Zusammensetzung ausgedrückt gegangene Menge von ioo g Pulver, das ein Sieb von 16 Maschen- qcm passierte und von einem 32-Maschen-Sieb zurückgehalten wurde; ausgedrückt in Teilen in MolProzent ' durch Molverhältnis Gramm P2 O; P20;, auf I , i Mill. Teile Wasser 5o Ba0, 5o P2 0,, . . . . . . . . . . . . . . (1 : i) I 0,03 30 5o Ca0, 5o P2 0; . . . . . . . . . . . . . . . (i : 1) 0,25 25o 16,7 Na, 0, 33,3 Ca 0, 50 P:A . . (1: 2:3) r,i i zöo 25 Na, 0, 25 Ca0, 50 P., 0; . : . . . (i: 1: 2) 3,8 3 8oo 2o Na, 0, 40 Mg 0, 40 P20 ., . . . . . (1:9,:2) 0,35 350 2o K.0, 2o Zn 0, 6o P.,05 ...... (1: z : 3) 9,8: I 9800 DiehöchsteLöslichkeitder invorstehenderTabelle aufgeführten Phosphate, des an letzter Stelle stehenden, beträgt nur etwa 1/10o der des auch unter dem Namen -Grahams Salz bekannten glasigen Natriumhexametaphosphats. Unter langsam löslichen Phosphatgläsern im Sinne der Erfindung sollen nun alle die verstanden werden, welche genügend löslich sind, die Viskosität einer vorher nicht behandelten, für etwa 2 Stunden auf etwa 8o° erhitzten Dickspülung zu vermindern, und sich dabei von dem schnell löslichen; als Grahams Salz bekannten glasigen Natriumhexametaphosphat durch dieLangsamkeit des Inlösunggehen grundsätzlich unterscheiden: Insbesondere werden solche schwer löslichen glasigen Phosphate bevorzugt, von denen bei einem Mahlungsgrad, wie er in der vorstehenden: Tabelle erwähnt ist, bei etwa istündigem Rühren in 11 Wässer von Zimmertemperatur nur etwa 0,02 bis io g, insbesondere etwa 0,05 bis 5 g, ausgedrückt als P205, in Lösung gehen.Slowly soluble, anhydrous phosphate glasses in the context of the invention are especially those which contain about 37 to 65 mol percent of P2 0 , while their remainder consists of at least one oxide of metals from group II of the periodic table, such as magnesium, calcium, Strontium, barium; Zinc. In these phosphates, some of the oxides of the divalent metals can also be replaced by at least one oxide of the alkali metals, such as sodium or potassium, including ammonium, but the molecular ratio of the oxides of the divalent metals to the monovalent metals should not be less than i: i. Since the solubility of the phosphate glasses of a certain molecular percentage of P20 5 increases with the relative molecular ratio of alkali oxide to oxide of the divalent metal, it is possible to select phosphates with desired solubility properties and, in particular, different solubility rates. Some examples are given in the following table. The constant i by stirring in water in 1 i solution composition expressed previous amount of from ioo g powder which passed through a sieve of 1 mesh 6 sq cm and was retained by a 32 mesh sieve; expressed in parts in mole percent by mole ratio grams P2 O; P20 ;, to I, i Mill. Parts of water 5o Ba0, 5o P2 0 ,,. . . . . . . . . . . . . . (1: i) I 0.03 30 5o Ca0.5o P2 0; . . . . . . . . . . . . . . . (i: 1) 0.25 25o 16.7 Na, 0.33.3 Ca 0.50 P: A. . (1: 2: 3) r, ii zo 25 Na, 0.25 Ca0.50 P., 0; . :. . . (i: 1: 2) 3.8 3 8oo 2o Na, 0.40 Mg 0.40 P20.,. . . . . (1: 9,: 2) 0.35 350 2o K.0, 2o Zn 0, 6o P., 05 ...... (1: z: 3) 9.8: I 9800 The highest solubility of the phosphates listed in the table above, of the last one is only about 1/10 of that of the vitreous sodium hexametaphosphate, also known under the name -Grahams Salt. Slowly soluble phosphate glasses in the context of the invention are to be understood as meaning all those which are sufficiently soluble to reduce the viscosity of a previously untreated thick rinse heated to about 80 ° for about 2 hours, and thereby differ from the rapidly soluble; Glassy sodium hexametaphosphate, known as Graham's salt, is fundamentally differentiated by the slowness of the dissolution: In particular, those sparingly soluble glassy phosphates are preferred, of which, with a degree of grinding as mentioned in the table above, only about 0 when stirred for about one hour in water at room temperature .02 to 10 g, in particular about 0.05 to 5 g, expressed as P205, go into solution.

Solche Phosphate können nach bekannten Methoden, z. B. durch Zusammenschmelzen von Phosphorsäure mit Oxyden, Hydroxyden, Carbonaten oder Chloriden der gewünschten Metalle und geeignetes Kühlen der Schmelzen hergestellt werden, wobei bei den Ansätzen darauf zu achten ist, daß die erhaltenen Produkte P.0. in der oben angegebenen Menge von etwa 37 bis 65 Molprozent enthalten und das molekulare Verhältnis der Oxyde der zweiwertigen Metalle und etwaigen Alkalioxyde wenigstens i : i beträgt: Die gleichen molaren Verhältnisse sind auch bei der Anwendung mechanischer Gemische der Phosphate einzuhalten.Such phosphates can by known methods, for. B. be prepared by melting together phosphoric acid with oxides, hydroxides, carbonates or chlorides of the desired metals and suitable cooling of the melts, with the approaches to ensure that the products obtained P.0. contained in the above-mentioned amount of about 37 to 65 mol percent and the molecular ratio of the oxides of the divalent metals and any alkali metal oxides is at least i: i: The same molar ratios must also be observed when using mechanical mixtures of phosphates.

Die Wirkung der erfindungsgemäß anzuwendenden Phosphate geht aus nachfolgenden Vergleichsversuchen mit einer künstlich gealterten, foo/o Tön, 20 % Baryt und 3 °/o Bentonit enthaltenden Spülung hervor. Diese besaß eine relative Viskosität von 64. Je 2ooo-Gramm-Proben wurden einmal zum Vergleich 3 g glasiges Natriumhexametaphosphat und im übrigen jeweils 3 g der zweiwertigen Metalle im Sinne der Erfindung enthaltenden Phosphate zugesetzt. Die Phosphate waren so fein gemahlen, daß sie ein 32-Maschen-Sieb passierten. Nach dem Zumischen wurden die einzelnen Proben zunächst nach 1/2stündigem Stehen, dann wieder nach etwa i5stündigem Stehen und schließlich nochmals nach 2stündigem Erhitzen auf So', Abkühlen und Stehen über N acht viskosimetrisch untersucht. Es ergaben sich folgende relative Werte: Relative Viskosität nach Geprüfte Verbindung in Molprozent dem 1, i Std.l 15 Std.l Erhitzen 5o Na., 0, 50 P_ 0;, (glas. Na-metaphosphat) ............... 10,5 =3,5 35.5 5o Ca0, 5o P. 0;, . . . . . . . . . . . . . 55,5 27 19,5 45 Ca0, 55 P20 ;, . . . . . . . . . . . . . 48 2o,7 2o 5o Ba0, 5o P. 0,; . . . . . . . . . . . . . 54 ==,5 =8 28,6 Na=0, 28,6 Ca 0, 42,8 P.=0; 16 13 1315 20 K.,0, 2o Zn 0, 6o P,0=, ...... 3= 18,5 14,7 16,7 Na=0, 33,3 Ca 0, 50 P., 0;, . . 39 16 1 5,5 2o Na=0, 40 :V190, 40 P_ 0;, .... 5I,5 29,5 23,5 Die Überlegenheit aller geprüften schwer löslichen Phosphatgläser gegenüber dem leicht löslichen Natriummetaphosphat geht deutlich- aus der Spalte für die erhitzten, also den Bedingungen ihrer Anwendung angepaßten Proben hervor. Eine Herabsetzung der Gelkraft, gemessen im 5-Minuten-Test, ging damit parallel.The effect of the phosphates to be used according to the invention is evident from the following comparative tests with an artificially aged rinse containing foo / o clay, 20% barite and 3% bentonite. This had a relative viscosity of 64. For comparison purposes, 3 g of glassy sodium hexametaphosphate and 3 g of the phosphates containing divalent metals within the meaning of the invention were added to each 2,000 gram sample. The phosphates were ground so finely that they passed through a 32-mesh sieve. After mixing, the individual samples were viscometrically examined first after standing for 1/2 hour, then again after about 15 hours of standing and finally again after 2 hours of heating for SO ', cooling and standing above N eight. The following relative values were obtained: Relative viscosity according to the tested compound in mole percent of the 1, i hrs. L 15 hrs. L heating 5o Na., 0, 50 P_ 0 ;, (vitreous Na-metaphosphate) ............. .. 10.5 = 3.5 35.5 5o Ca0, 5o P. 0 ;,. . . . . . . . . . . . . 55.5 27 19.5 45 Ca0, 55 P20;,. . . . . . . . . . . . . 48 2o, 7 2o 5o Ba0, 5o P. 0 ,; . . . . . . . . . . . . . 54 ==, 5 = 8 28.6 Na = 0, 28.6 0 Ca, 42.8 P. = 0; 16 13 1 315 20 K., 0, 2o Zn 0, 6o P, 0 =, ...... 3 = 18.5 14.7 16.7 Na = 0.33.3 Ca 0.50 P. , 0 ;,. . 39 16 1 5.5 2o Na = 0.40: V190, 40 P_ 0 ;, .... 5I, 5 29.5 23.5 The superiority of all tested poorly soluble phosphate glasses over the easily soluble sodium metaphosphate is evident from the Column for the heated samples, i.e. those adapted to the conditions of their application. A reduction in gel strength, measured in the 5-minute test, went hand in hand with this.

Da auch die schwer löslichen Phosphate ihre Wirkung nur ausüben können, wenn sie in Lösung gegangen sind, ist es wichtig, daß sie der Spülung in Formen mit großen Oberflächen, also fein gemahlen, zugegeben werden. Im allgemeinen genügt hierfür eine Mahlung, die es den Pulverteilchen ermöglicht, in der Spülung suspendiert zu bleiben.Since the poorly soluble phosphates can only exert their effect, When they have gone into solution, it is important that they be flushed into molds with large surfaces, i.e. finely ground, can be added. In general it is sufficient for this purpose a grind that allows the powder particles to be suspended in the rinse to stay.

Einen besonderen Vorteil bedeutet die selbsttätige Anpassung der schwer löslichen Phosphate an die Verhältnisse in der Tiefe des Bohrlochs, indem die bei höheren Temperaturen in Lösung befindlichen und dabei einer Rückwandlung in Orthophosphat und Fällung ausgesetzten Anteile immer wieder durch Inlösunggehen von ungelösten Anteilen ergänzt werden. Zu Beginn .des Spülungsumlaufs ist wegen des langsamen Inlösunggehens dieser Phosphate ein etwas vermehrter Zusatz, beispielsweise von wenigstens etwa o,i bis o,40/0, empfehlenswert, der dann entsprechend den während des Umlaufs eintretenden Verlusten zu ergänzen ist. Für die Handhabung und Lagerung der schwer löslichen glasigen Phosphate kommt als weiterer Vorteil ihre Beständigkeit gegen atmosphärische Feuchtigkeit hinzu. Sie können daher auch anderen Stoffen trocken beigemischt werden.The automatic adjustment of the difficult is a particular advantage soluble phosphates to the ratios in the depth of the borehole by adding the at higher temperatures in solution and a conversion back to orthophosphate and precipitation exposed parts again and again by dissolving undissolved Proportions are supplemented. At the beginning of the flushing cycle is because of the slow Dissolving of these phosphates is a somewhat increased addition, for example of at least about o, i to o, 40/0, recommended, which then corresponds to the during of the circulation occurring losses must be supplemented. For handling and storage Another advantage of the poorly soluble vitreous phosphates is their resistance against atmospheric moisture. You can therefore also dry other fabrics be mixed in.

Wählt man als schwer lösliche Phosphate im Sinne der Erfindung solche von hohem spezifischem Gewicht, wie z. B. Barumphosphate; so können sie gleichzeitig der Erhöhung des spezifischen Gewichts der Spülung dienen. Im übrigen können die schwer löslichen glasigen Phosphate auch bei der Dispergierung von anderen mineralischen Stoffen, wie Tonen, Pigmenten, Füllstoffen, fein verteilten Oxyden, Salzen usw., gute Dienste tun.If poorly soluble phosphates are chosen for the purposes of the invention of high specific weight, such as B. barum phosphates; so they can at the same time serve to increase the specific gravity of the irrigation. In addition, the poorly soluble vitreous phosphates also when dispersing other mineral Substances such as clays, pigments, fillers, finely divided oxides, salts, etc., do good service.

Claims

PATENT CLAIM: i. Watery. Dispersion of mineral substances, in particular thick mud containing clay for deep boreholes, characterized by a Content of slowly soluble anhydric vitreous phosphates, ranging from about 37 to 65 Mol percent from 1), 0 -5 and the remainder from oxides of metals of group 1I of the periodic System exist.

2. Dispersion according to claim i, characterized in that the Phosphates Mixed glassy phosphates of oxides of metals of Group II of the Periodic System and the alkali metals including ammonium are, being the molecular Ratio between the oxides of metals in Group II of the Periodic Table and the oxides of the alkali metals are at least i: i.

3. Dispersion according to the Claims i and 2, characterized in that the solubility of the phosphates is at most about 1/10 of that of the glassy sodium hexametaphosphate known as Graham's salt is, in such a way that of 100 g of ground phosphate that a sieve of 16 Meshes per square centimeter happened, but from a sieve with 32 meshes per square centimeter is retained in i 1 of water at room temperature with stirring for about 1 hour 0.02 to 10 g, calculated as P205, go into solution.

4 .. Dispersion according to the claims i to 3, characterized in that the phosphates in the rinse or the like in finely ground Form are present.

5. A method for the treatment of drilling fluids, especially clay-containing fluids, characterized in that these slowly anhydrous vitreous phosphates with a weight of about 37 to 65 mol percent of P205 and a residual content of metal oxides, which are either oxides of metals of group 1I of the Periodic Table or these and oxides of the alkali metals including ammonium in a molecular 'ratio of at least i: i are added. Reference documents: Italian patent specifications No. 366 051 366054.