Bohrschlamm

Der Bohrprozess und die beim Bohren verwendeten Chemikalien​

1.Einführung

Bohren ist ein komplexer und wichtiger Vorgang in der Öl- und Gasindustrie sowie in anderen Bereichen wie der Geothermiegewinnung und dem Brunnenbau. Dabei wird ein tiefes Loch in die Erdkruste gebohrt, um wertvolle Ressourcen zu erschließen. Neben Spezialausrüstung spielen verschiedene Chemikalien eine entscheidende Rolle für die Effizienz, Sicherheit und den Erfolg des Bohrvorgangs. Dieser Artikel beschreibt den detaillierten Bohrprozess und die wichtigsten Chemikalien, die in jeder Phase verwendet werden.

Der Bohrvorgang

2.Vorbereitung vor dem Bohren​

• Standortauswahl und -untersuchungDer erste Schritt besteht darin, einen geeigneten Bohrstandort zu finden. Geologen führen umfangreiche Untersuchungen mit Techniken wie Seismik, Schwerkraft- und Magnetismusmessungen sowie Bohrlochanalysen von nahegelegenen bestehenden Bohrlöchern durch. Dies hilft bei der Bestimmung potenzieller Öl-, Gas- oder anderer Ressourcen. Sobald der Standort ausgewählt ist, wird das Gebiet von allen Hindernissen befreit und Zufahrtsstraßen gebaut, um den Transport von Ausrüstung und Material zu erleichtern.
• Nun Design: Ingenieure planen den Brunnen anhand der geologischen Daten und der Bohrziele. Der Entwurf umfasst die Festlegung von Tiefe, Durchmesser und Verlauf (vertikal, gekrümmt oder horizontal) des Brunnens. Auch Faktoren wie die Art der zu durchbohrenden Formationen, die zu erwartenden Druck- und Temperaturbedingungen sowie die Notwendigkeit von Verrohrungen und Zementierungen zur Unterstützung des Bohrlochs werden berücksichtigt.

 

2.2 Oberflächenbohrungen

 

• Einrichten des Rigs: Vor Ort wird eine Bohranlage errichtet. Die Anlage besteht aus verschiedenen Komponenten, darunter einem Bohrturm zum Heben und Senken des Bohrstrangs, einer Antriebsquelle für die Bohrausrüstung und einem Spülsystem zur Zirkulation der Bohrflüssigkeit. Der Bohrstrang, bestehend aus mehreren verbundenen Rohren, wird zusammengebaut und in das Bohrloch abgesenkt.
•  Erste BohrungenDer Bohrvorgang beginnt mit der Bohrung eines Bohrlochs mit großem Durchmesser. Dieses Loch ist typischerweise flacher und dient zum Einbau der Oberflächenverrohrung. Die Oberflächenverrohrung bietet dem Bohrloch strukturellen Halt, verhindert das Eindringen von Oberflächenwasser und dient als Führung für nachfolgende Bohrvorgänge. Während dieser Phase zirkuliert Bohrflüssigkeit, auch Schlamm genannt, kontinuierlich durch den Bohrstrang und aus dem Bohrer. Der Schlamm kühlt und schmiert den Bohrer, befördert Bohrklein (Gesteinsfragmente) an die Oberfläche und trägt zur Stabilität des Bohrlochs bei.

2.3 Zwischen- und Produktionsbohrungen

• Bits und Gehäuse wechseln: Beim Bohren tiefer werden Bohrkronen mit kleinerem Durchmesser verwendet, um verschiedene Formationen zu durchbohren. In geeigneten Abständen wird eine Zwischenverrohrung installiert, um das Bohrloch zu verstärken und verschiedene Formationen zu isolieren. Dies hilft, den Druck zu kontrollieren und ein Einstürzen des Bohrlochs zu verhindern. Der Bohrvorgang wird fortgesetzt, wobei sich das Spülsystem ständig an die sich ändernden Bedingungen der zu erbohrenden Formationen anpasst.
• Richtbohren (falls zutreffend): In einigen Fällen, insbesondere bei Offshore-Bohrungen oder bei der Erschließung bestimmter Lagerstättenzonen, kommen Richtbohrverfahren zum Einsatz. Dabei werden spezielle Bohrwerkzeuge eingesetzt, um die Richtung des Bohrmeißels zu steuern und so die gewünschte Stelle im Untergrund zu erreichen. Die Bohrflüssigkeit spielt beim Richtbohren eine entscheidende Rolle, da sie die notwendige Schmierung für die Biegung und Richtungsänderung des Bohrstrangs gewährleistet.

2.4 Fertigstellung und Test

• ZementierungSobald die Bohrung die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird Zementiert. Zement wird in den Ringraum (den Raum zwischen Bohrstrang und Bohrloch oder zwischen verschiedenen Verrohrungen) gepumpt, um das Bohrloch abzudichten und die Verrohrung mit dem umgebenden Gestein zu verbinden. Dies bietet zusätzlichen Halt für das Bohrloch, verhindert Flüssigkeitswanderungen zwischen verschiedenen Formationen und trägt zur Isolierung der Produktionszone bei.​
• Nun, FertigstellungNach der Zementierung ist der Brunnen fertiggestellt. Dies kann die Installation von Förderrohren, Bohrlochkopfausrüstung und anderen Komponenten umfassen, die für die Förderung von Öl, Gas oder anderen Ressourcen erforderlich sind. Anschließend wird der Brunnen getestet, um seine Produktivität zu bestimmen und sicherzustellen, dass er die erforderlichen Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllt.

3. Beim Bohren verwendete Chemikalien

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3.1 Bohrspülungsadditive

• Viskosifikatoren: Der Bohrflüssigkeit werden Viskositätsmittel zugesetzt, um ihre Viskosität zu erhöhen. Dies hilft, Bohrklein zu suspendieren und dessen Rückstau im Bohrloch zu verhindern. Gängige Viskositätsmittel sind Bentonit, Xanthan und Carboxymethylcellulose (CMC). Bentonit, ein Quellton, absorbiert Wasser und bildet eine gelartige Struktur, die die Viskosität der Bohrflüssigkeit erhöht. Xanthan, ein von Bakterien produziertes Polysaccharid, ist hochwirksam bei der Aufrechterhaltung der Viskosität selbst unter hohen Temperaturen und Scherkräften.
• Gewichtungsmittel: Beschwerungsmittel werden verwendet, um die Dichte der Bohrflüssigkeit zu erhöhen. Dies ist wichtig, um den Druck im Bohrloch zu kontrollieren und das Eindringen von Formationsflüssigkeiten (wie Öl, Gas oder Wasser) zu verhindern. Baryt (Bariumsulfat) ist das am häufigsten verwendete Beschwerungsmittel. Es hat ein hohes spezifisches Gewicht und kann der Bohrflüssigkeit leicht zugesetzt werden, um deren Dichte nach Bedarf anzupassen. Weitere Beschwerungsmittel sind Hämatit und Ilmenit.
• Filtratreduzierer: Der Bohrflüssigkeit werden Filtratreduzierer zugesetzt, um die in die Formation eindringende Flüssigkeitsmenge zu minimieren. Dies trägt dazu bei, die Stabilität des Bohrlochs zu erhalten und Schäden an der Formation zu vermeiden. Polymere wie polyanionische Cellulose (PAC) und synthetische Polymere werden häufig als Filtratreduzierer eingesetzt. Sie bilden einen dünnen, undurchlässigen Filterkuchen an der Bohrlochwand und reduzieren so den Flüssigkeitsverlust.
• Schmierstoffe: Der Bohrflüssigkeit werden Schmiermittel zugesetzt, um die Reibung zwischen Bohrstrang und Bohrlochwand zu verringern. Dies trägt dazu bei, Verschleiß am Bohrstrang zu vermeiden, das zum Drehen des Bohrstrangs erforderliche Drehmoment zu reduzieren und die Bewegung des Bohrstrangs im Bohrloch zu erleichtern. Als Schmiermittel in Bohrflüssigkeiten werden Mineralöle, synthetische Ester und Tenside verwendet.

3.2 Zementzusätze

• Beschleuniger: Dem Zementschlamm werden Beschleuniger zugesetzt, um die Abbindezeit des Zements zu verkürzen. Dies ist in manchen Situationen wichtig, beispielsweise wenn eine schnelle Zementierung erforderlich ist, um den Einsturz des Bohrlochs zu verhindern oder die Bohrarbeiten schnell wieder aufzunehmen. Calciumchlorid ist ein gängiger Beschleuniger beim Zementieren. Es reagiert mit den Zementbestandteilen, fördert die Bildung von Hydratationsprodukten und beschleunigt den Aushärtungsprozess.​
• Verzögerer: Verzögerer werden eingesetzt, um die Abbindezeit des Zements zu verlangsamen. Dies ist sinnvoll, wenn der Zementiervorgang komplex ist und mehr Zeit zum Pumpen des Zementschlamms in das Bohrloch benötigt wird. Lignosulfonate und bestimmte organische Säuren werden häufig als Verzögerer eingesetzt. Sie interagieren mit den Zementpartikeln, verzögern die Hydratationsreaktionen und verlängern die Abbindezeit.​
• Dispergiermittel: Dem Zementschlamm werden Dispergiermittel zugesetzt, um seine Fließfähigkeit zu verbessern. Sie tragen dazu bei, die Viskosität des Zementschlamms zu verringern, sodass er leichter durch das Bohrloch gepumpt werden kann. Polymere auf Polycarboxylatbasis werden häufig als Dispergiermittel beim Zementieren eingesetzt. Sie adsorbieren an der Oberfläche der Zementpartikel, verhindern so die Partikelagglomeration und verbessern die Fließfähigkeit des Schlamms.

3.3 Andere Chemikalien​

• KorrosionsinhibitorenKorrosionsinhibitoren werden eingesetzt, um die Korrosion des Bohrstrangs, des Gehäuses und anderer Metallkomponenten im Bohrloch zu verhindern. Wasser, Sauerstoff und saure Gase (wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff) im Bohrloch können Korrosion verursachen. Organische Verbindungen wie Imidazoline und Amine werden häufig als Korrosionsinhibitoren eingesetzt. Sie bilden einen Schutzfilm auf der Metalloberfläche und verhindern so den Kontakt korrosiver Substanzen mit dem Metall.​
• Bakterizide: Der Bohrspülung und dem Zementschlamm werden Bakterizide zugesetzt, um das Bakterienwachstum zu kontrollieren. Manche Bakterien können Korrosion an Metallkomponenten verursachen und die Eigenschaften der Bohrspülung und des Zements beeinträchtigen. Chlorbasierte Verbindungen und quartäre Ammoniumverbindungen werden als Bakterizide eingesetzt. Sie töten Bakterien ab oder hemmen ihr Wachstum und gewährleisten so die Integrität des Bohrvorgangs.

4. Fazit

Der Bohrvorgang ist ein mehrstufiger Vorgang, der sorgfältige Planung und Durchführung erfordert. Chemikalien spielen in jeder Phase des Bohrvorgangs eine entscheidende Rolle, von der ersten Bohrung bis zur Fertigstellung des Bohrlochs. Bohrspülungszusätze tragen zur Aufrechterhaltung der Leistung der Bohrspülung bei, Zementzusätze sorgen für die ordnungsgemäße Aushärtung und Bindung des Zements, und andere Chemikalien wie Korrosionsinhibitoren und Bakterizide schützen die beim Bohrvorgang verwendeten Geräte und Materialien. Die richtige Auswahl und Verwendung dieser Chemikalien ist für die sichere, effiziente und erfolgreiche Durchführung von Bohrprojekten unerlässlich.