CMC für Bohrflüssigkeiten: Umfassender Leitfaden zu HV- und LV-Sorten

Natriumcarboxymethylcellulose (kurz CMC) ist ein anionisches, wasserlösliches, hochmolekulares Polymer, das durch Alkalisierung und Veretherung aus natürlicher Baumwoll-Linter- und Zellstoffcellulose gewonnen wird. Es ist der am häufigsten verwendete und kostengünstigste multifunktionale Zusatzstoff für wasserbasierte Bohrspülungssysteme.

HV- und LV-Qualitäten von CMC für Bohrflüssigkeiten

1. HV-CMC (High Viscosity CMC): Dieses Produkt zeichnet sich durch ein hohes Molekulargewicht und eine hohe Viskosität aus und dient in erster Linie dazu, die Viskosität zu erhöhen, die Gelstärke zu steigern und Bohrklein in Suspension zu halten.

2. LV-CMC (Low Viscosity CMC): Mit hohem Substitutionsgrad, geringer Viskositätserhöhungsfähigkeit und hervorragender Kontrolle des Flüssigkeitsverlusts eignet es sich für schwere Bohrspülungen mit hoher Dichte sowie für Formationen in tiefen Bohrlöchern.

CMC in Bohrqualität liegt als frei fließendes weißes Pulver vor und löst sich in kaltem Wasser zu einem transparenten, viskosen Kolloid auf. Es zeichnet sich durch hervorragende Verträglichkeit aus und lässt sich synergistisch mit Bentonit, Soda, Schmiermitteln und Beschwerungsmitteln einsetzen. Es findet breite Anwendung in Bohrspülungssystemen für Onshore-Öl- und Gasbohrungen, Schieferbohrungen, geothermische Bohrungen sowie Offshore-Süßwasserbohrungen.

Sechs Kernfunktionen von CMC in Bohrflüssigkeiten für die Erdölförderung

1. Effiziente Kontrolle des Flüssigkeitsverlusts und Bildung eines dichten, dünnen Schlammkuchens (Kernfunktion)

Der Druckunterschied im Bohrloch während des Bohrvorgangs drückt Wasser aus der Bohrspülung in die Gesteinsformationen, was zu Schäden am Lagerstättengewebe, zum Einsturz des Bohrlochs und zu Rohrstauungen führen kann.
Die Molekülketten von CMC weisen zahlreiche Carboxyl- und Hydroxylgruppen auf, die Bentonitpartikel und Bohrlochgestein adsorbieren, Mikrorisse in den Formationen ausfüllen und dünne, zähe Filterkuchen mit geringer Durchlässigkeit am Bohrloch ausbilden, wodurch das API-Flüssigkeitsverlustvolumen drastisch reduziert wird.

• LV-CMC: Primäres Mittel zur Flüssigkeitsverlustkontrolle mit geringfügiger Viskositätserhöhung nach Zugabe – die erste Wahl für hochdichte, mit Baryt beschwerte Bohrspülungen.
• HV-CMC: Schafft ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeitsverlustkontrolle und Viskositätserhöhung, ideal für flache Bohrlöcher und Süßwasserbohrschlämme mit geringer Dichte.

2. Regulierung der Rheologie des Bohrschlamms und Verbesserung der Förder- und Suspensionskapazität für Bohrklein

CMC löst sich in Wasser auf und bildet ein dreidimensionales kolloidales Netzwerk, wodurch die Bohrflüssigkeit eine hervorragende Thixotropie erhält:

• Hohe Scherbeanspruchung beim Bohren: Eine moderate Viskositätsverringerung gewährleistet eine gute Fließfähigkeit der Bohrspülung und einen geringen Pumpwiderstand.
• Stabiler Zustand nach Beendigung des Bohrvorgangs: Das kolloidale Netzwerk stellt sich wieder her, um das Bohrgut und den Baryt fest in der Suspension zu halten, wodurch eine Absetzung der Feststoffe verhindert wird, die den Bohrstrang verschütten könnte.
  Die geringe anfängliche Gelstärke bewirkt eine schnelle Freisetzung des im Bohrschlamm eingeschlossenen Gases, wodurch die durch das Eindringen von Gas verursachte Schaumbildung gemindert und die Effizienz der Sand- und Schluffabscheidung durch Feststoffkontrollsysteme gesteigert wird.

3. Die Hydratation des Schiefers hemmen und das Bohrloch stabilisieren, um einen Einsturz zu verhindern

Schluffschiefer- und lockere Sandsteinformationen nehmen leicht Wasser auf, quellen dadurch auf und bröckeln ab. CMC bildet einen Schutzfilm auf den Oberflächen der Tonpartikel, der verhindert, dass freies Wasser in die Gesteinsschichten eindringt, die Hydratation und Dispersion der Formation unterdrückt, das Abbröckeln und den Einsturz des Bohrlochs verringert und die Häufigkeit komplexer Probleme im Bohrloch reduziert.

4. Verbesserung der Schlammstabilität und Verlängerung der Lebensdauer des Schlammkreislaufs

CMC-Kolloide zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen mikrobiellen Abbau aus, sodass der Schlamm nur selten schimmelt oder sich zersetzt. Zur langfristigen Korrosionsverhütung ist es nicht erforderlich, einen hohen pH-Wert aufrechtzuerhalten, wodurch die Dosierungskosten für Natronlauge gesenkt werden.
Es verträgt eine geringe Verunreinigung durch Kalzium-, Magnesium- und Natriumsalze und eignet sich für Bohrflüssigkeitssysteme in Süß-, Brack- und Meerwasser.

5. Mäßige Temperaturbeständigkeit für den Einsatz in mittel- und tiefgelegenen Bohrlöchern

Die hochwertige Bohrflüssigkeit CMC mit hohem Substitutionsgrad hält Bohrlochtemperaturen von bis zu 150 °C stand. Ihre Viskosität und ihre Fluidverlust-Eigenschaften verschlechtern sich nach einer Alterung bei hohen Temperaturen nur geringfügig, sodass sie den üblichen Anforderungen beim Bohren von mittel- und tiefgelegenen Bohrlöchern gerecht wird. Für extrem tiefe Bohrlöcher unter Hochtemperaturbedingungen kann es mit hitzebeständigen Stabilisatoren versetzt werden.

6. Schutz von Öl- und Gaslagerstätten und Verringerung von Formationsschäden

Die durch CMC gebildeten Filterkuchen sind kompakt und lassen sich leicht ablösen. Das Filtrat weist milde chemische Eigenschaften auf und verstopft die Porenhälse von Öl- und Gaslagerstätten nicht. Es senkt die Kosten für nachfolgende Säurebehandlungs- und Fracking-Maßnahmen, verbessert den Öl- und Gasausbeutefaktor und dient als umweltfreundlicher Bohrzusatzstoff.

CMC für Bohrflüssigkeiten: Auswahl der HV- und LV-Qualitäten

HV-CMC (hochviskose Natriumcarboxymethylcellulose)

Anwendungsbereiche: Flache Bohrlöcher, mitteltiefe Bohrlöcher, Süßwasserschlamm mit geringer Dichte, Schlammaufbereitung für den Start der Bohrung mit Wasser, weiche Formationen, die eine starke Suspension der Bohrspäne erfordern
Wesentliche Vorteile: Deutliche Erhöhung der Schlammviskosität und der Fließgrenze bei geringer Dosierung, hohe Effizienz bei der Schlammbildung, hervorragende Suspensionsleistung
Übliche Dosierung: 0,1%–0,3%

LV-CMC (Natriumcarboxymethylcellulose mit niedriger Viskosität)

Anwendungsbereiche: Tiefbohrungen, hochdichte, mit Baryt beschwerte Bohrspülungen, Sandsteinformationen mit hoher Durchlässigkeit, Salzwasser-Bohrspülungen, Horizontalbohrungen
Wesentliche Vorteile: Effektive Kontrolle des Flüssigkeitsverlusts bei minimaler Beeinträchtigung der Bohrspülungsviskosität; verhindert eine übermäßige Viskosität, die zu Pumpschwierigkeiten führt; bildet dünne und kompakte Filterkuchen
Übliche Dosierung: 0,2%–0,5%

Schnellentscheidung

1. Eine Kontrolle des Flüssigkeitsverlusts ist nur bei hoher Bohrspülungsdichte erforderlich → LV-CMC

2. Dünner Schlamm, geringe Tragfähigkeit der Bohrspäne, Viskositätserhöhung erforderlich → HV-CMC