DE202014010852U1

DE202014010852U1 - Bohrflüssigkeitsadditiv für Verlustzirkulation und Bohrlochverstärkung

Info

Publication number: DE202014010852U1
Application number: DE202014010852.8U
Authority: DE
Original assignee: Superior Graphite Co
Current assignee: Superior Graphite Co
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: EP2970743A1; DK201600127U1; CA2903722A1; CA2903722C; MX2015012262A; SA515361056B1; US8999898B2; US20140274816A1; DK201600127Y3; WO2014143554A1

Abstract

Elastisches Graphitkohlenstoffpartikelmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es eine d50-Partikelgröße von zwischen 10 µm und 2380 µm; eine Elastizität von über ca. 130% Rückfederung nach einer Kompression auf 10.000 psi; einen wie durch d002 anhand von XRD gemessenen Graphitisierungsgrad von über 85%; und eine durchschnittliche Porengröße von über 0,035 µm und ein Seitenverhältnis für die Poren von unter 0,63 hat.

Description

Hintergrund
In der Öl- und Gasindustrie ist ein verbreitetes Problem bei Bohrarbeiten der Verlust wertvoller Bohrflüssigkeiten in Spalten, die durch übermäßigen Schlammdruck, bereits bestehende, offene Porosität/Spalten oder große Kavernen in der Formation bedingt sind.
Eines der Verfahren zum Verhindern oder Stoppen derartiger Verluste geht über den Zusatz von granulatförmigen Partikeln zur Bohrflüssigkeit, die als Brückenbildungsmittel, um ein Fundament für die vollständige Abdichtung des Spalts herzustellen, oder als Bohrlochverstärkungsmaterial wirken, das den Spalt abstützt. Solche Materialien umfassen unter anderem Graphit, Petroleumkoks, Walnussschalen und Kalziumcarbonat.
Superior Graphite Co. führte in den 1990igern elastischen Graphitkohlenstoff („RGC“ – resilient graphitic carbon) zur Verwendung als Verlustspülmaterial (“LCM“ – lost circulation material) ein (siehe US 5,826,669 , die hier durch Verweis mit aufgenommen wird). Wie dort beschrieben ist, geht man davon aus, dass der elastische Graphit in der Lage ist, sich unter Kompression in den Poren und Spalten in der Formation eng zu verdichten, und imstande ist, sich zu expandieren oder zu kontrahieren, ohne sich aufgrund von Änderungen in der entsprechenden Spüldichte oder bei einer Zunahme des Flüssigkeitsgewichts zu lösen oder zusammenzubrechen. Außerdem funktionierte Graphit auch als festes Schmiermittel, um einen Verschleiß von Metallbauteilen zu reduzieren und die Bohreffizienz zu verbessern.
Die im Patent US 5,826,669 beschriebenen Graphitmaterialien haben bei einer Kompression bei 10.000 psi mit einer Partikeldichte von 1,45–2,2 Gramm/cm³ eine Elastizität/Rückfederungswirkung von über 35%. Ein solches RGC-Material zur Verwendung als LCM ist im Handel unter dem Markennamen STEELSEAL^® von Halliburton Inc. erhältlich. Der STEELSEAL^®-Zusatz wird von Superior Graphite Co. hergestellt und wird als Standardpraktik der US 5,826,669 angesehen. Obwohl solche elastischen Graphitkohlenstoffe eine überlegene LC-Steuerung erbracht haben, ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit wünschenswert.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes elastisches Graphitkohlenstoffmaterial und seine Verwendung als LCM. Obwohl es durch einen Prozess hergestellt wird, der dem im Patent US 5,826,669 beschriebenen ähnlich ist, hat der verbesserte RGC eine einzigartige nadelartige Morphologie mit deutlich höherer Elastizität, Porosität und geringerer Dichte als zuvor erhältliche elastische Graphitkohlenstoffe. Permeabilitätsabdichtungstestläufe zeigten, dass dieser verbesserte RGC von sich selbst aus und mit anderen Verlustspülmaterialien eine dichtere Versiegelung bildete.
Im Spezielleren hat in einem Aspekt das verbesserte RGC-Material eine nadelartige Morphologie, die sich deutlich von dem vorstehend ausgewiesenen Produkt STEELSEAL^® unterscheidet. Das Seitenverhältnis wurde für das verbesserte hochelastische Material mit 0,60, im Vergleich dazu STEELSEAL^® 400 mit 0,63 gemessen. (Kugelförmige Materialien haben ein Seitenverhältnis von 1).
In einem anderen Aspekt hat das verbesserte RGC-Material eine Elastizität im Bereich von 138–145% bei einer Partikelgröße d₅₀ von 400 µm, STEELSEAL^® 400 hatte im Vergleich dazu 100–130%.
In einem weiteren Aspekt liegt die wirkliche Dichte des verbesserten Materials im Bereich von 1,49–1,53 Gramm/cm³ bei einer Partikelgröße d₅₀ von 400 µm, im Vergleich dazu liegt STEELSEAL^® 400 typischerweise bei 1,56–1,62 Gramm/cm³.
In einem anderen Aspekt beträgt der Graphitisierungsgrad des verbesserten RGC über 85%, und Proben wurden für das verbesserte RGC-Material mit 87,9%, im Vergleich dazu STEELSEAL^® 400 mit 79,8% gemessen.
In einem noch weiteren Aspekt wurde die Porosität des verbesserten RGC-Materials (wie durch das gesamte Porenvolumen dargestellt) mit 0,43 cm³/Gramm, im Vergleich dazu STEELSEAL^® 400 mit 0,24 cm³/Gramm oder 76% höher gemessen.
Diese Aspekte werden nachstehend ausführlicher dargelegt.
Ausführliche Beschreibung
Das verbesserte RGC-Material zur Verwendung als LCM nach der vorliegenden Offenbarung hebt sich gegenüber Materialien aus dem Stand der Technik in einer Anzahl von Eigenschaften hervor, die Porosität, Elastizität, Graphitisierungsgrad und Morphologie (wie durch das Seitenverhältnis angegeben) umfassen (aber nicht unbedingt darauf beschränkt sind). Diese Eigenschaften werden nachstehend ausführlicher erörtert.
Porosimetrietest
Ein Porosimetrietest beinhaltet, durch den Einsatz eines Porosimeters eine nicht benetzende Flüssigkeit (oftmals Quecksilber) bei hohem Druck in ein Material einzubringen. Die Porengröße kann auf Grundlage des Außendrucks bestimmt werden, der nötig ist, um die Flüssigkeit entgegen der Gegenkraft der Oberflächenspannung der Flüssigkeit in eine Pore zu drücken.
Eine Kraftgleichgewichtsgleichung, die als Washburn-Gleichung für die vorstehenden Materialien mit zylindrischen Poren bekannt ist, stellt sich wie folgt dar:
worin D_p die Porengröße, σ die Oberflächenspannung von Quecksilber und θ der Kontaktwinkel ist. Ohne in Details zu gehen, gilt für Quecksilber in etwa

Mit Bezug auf die nachstehende Tabelle 1 wurden Proben des verbesserten RGC der vorliegenden Offenbarung (bezeichnet als „HR“) und des Materials aus dem Stand der Technik (bezeichnet als „SS“) mit (wie durch Microtrac-Analyse bestimmten) vergleichbaren Partikelgrößenverteilungen auf ihre Porosität hin getestet. Das Testen erfolgte nach ISO 15901-1 und begann bei 0,52 psi mit einem Messgerät-Spitzendruck von 70.000 psi. Flüssigquecksilber wurde mit hydraulischer Kraft in die Poren gedrückt. Die in den Poren aufgenommene Menge an Quecksilber wurde in Abhängigkeit vom Druck gemessen. Mit zunehmendem Druck wird mehr und mehr Quecksilber in die Poren des Probenmaterials gedrückt. Aus den Druckdaten wird die Porengröße berechnet. Als Ergebnis werden Porenvolumeninformationen in Abhängigkeit von der Porengröße erhalten. TABELLE 1

Probe	Gesamteindringvolumen ml/Gramm	Mittlerer Porendurchmesser (Volumen), Mikrometer	Porosität, %
HR10	0,5328	0,1232	52,0339
HR19	1,0398	113,0871	70,5732
HR22	1,3788	9,2583	75,0394
SS10	0,3569	0,0440	45,1615
SS19	0,9448	112,2404	66,3028
SS22	1,0513	7,2828	69,1102

Aus den Daten ist ersichtlich, dass das HR-Material bei derselben Größe ein höheres Gesamtporenvolumen ergibt. Zum Beispiel hat HR10 eine Porosität von 52%, während SS10 eine Porosität von 45% hat. Aus der logarithmischen Differenz von Porenvolumen gegenüber Porengröße wird klar, dass Informationen, die bei einer Porengröße von über 1 Mikrometer oder einem Druck unter ca. 200 psi zusammengetragen wurden, für die Bestimmung von Porosität irrelevant sind, da sie sich auf den Zwischenpartikelraum beziehen. In der nachstehenden Tabelle 2 werden nur Daten berücksichtigt, die sich auf eine Porengröße von unter 0,35 Mikrometer beziehen. TABELLE 2

Probe	Gesamteindringvolumen ml/Gramm	Mittlerer Porendurchmesser (Volumen), Mikrometer	Porosität, %
HR10	0,2922	0,0429	37,3
HR19	0,2736	0,0388	38,7
HR22	0,1929	0,0476	29,6
SS10	0,2394	0,0272	35,6
SS19	0,2297	0,0290	32,4
SS22	0,1456	0,0300	23,7

Obwohl die Porositätswerte in Tabelle 2 im Hinblick auf einige der Gerüstdichtewerte fraglich sind, die außerhalb des Bereichs liegen, wird davon ausgegangen, dass der Rest von Tabelle 2 ziemlich genau ist.
Aus Tabelle 2 lässt sich schlussfolgern, dass die HR-Materialien eine höhere Gesamtfeinporosität besitzen als die SS-Materialien mit einer vergleichbaren Partikelgrößenverteilung. Darüber hinaus ist die Gesamtporosität umso höher, je größer die Partikelgröße ist, und alle HR-Materialien haben größere Poren als die SS-Materialien. Alle HR-Materialien haben einen mittleren Porendurchmesser, der größer als 0,0388 Mikrometer ist, während alle SS-Materialien eine durchschnittliche Porengröße haben, die kleiner als 0,0300 Mikrometer ist.
Elastizitätstest
Ein Elastizitätstest ist in dem vorstehend durch Verweis mit aufgenommenen Patent US 5,826,669 beschrieben. Wie dort beschrieben ist, kann die Elastizität anhand einer Presse bestimmt werden, mit der Druck an eine unverdichtete Materialprobe angelegt und gelöst wird. Im Spezielleren wird ein Testzylinder oder eine Testform mit einer trockenen und rieselfähigen Menge des zu testenden Materials beschickt. Der Testzylinder wird dann an einer Presse angebracht. Druck (bis 10.000 psi) wird mit der Presse an die Probe angelegt, und die Höhe der verdichteten Probe (h_o) im Testzylinder wird gemessen. Der Druck wird dann gelöst und die rückgefederte Höhe der Probe im Testzylinder (h_r) wird nach 10 Minuten, nachdem der Druck gelöst wurde, gemessen, und dann erneut nach 20 Minuten, um sicherzugehen, dass sich die Probe stabilisiert hat. Die Elastizität (%) wird dann als 100 × (h_r/h_o – 1) berechnet.
Graphitisierungsgrad und Seitenverhältnis
Der Graphitisierungsgrad von Kohlenstoff und Graphitprodukten wird durch Röntgenbeugung (XRD) gemessen. Er wird anhand der folgenden Formel berechnet:
worin g der Graphitisierungsgrad (%) und d₀₀₂ der aus der XRD abgeleitete Zwischenschichtabstand ist. Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis der Breite zur Höhe eines Partikels. Bilder einzelner Partikel wurden aufgenommen und analysiert, um das Seitenverhältnis des Produkts zu bestimmen. Die Seitenverhältnismessung ist ein Bildgebungsanalysedienst, der im Handel von Microtrac Inc (DIA) bereitgestellt wird.
Es wurde also ein verbessertes hochelastisches Graphitkohlenstoffmaterial beschrieben, das besonders zur Verwendung als Bohrspülungszusatz geeignet ist. Der hochelastische Graphit wird aus kalziniertem Petroleumkoks hergestellt, der unter Verwendung eines thermischen Reinigungsprozesses in einem kontinuierlichen Wirbelbett wärmebehandelt wird. Das sich ergebende Material hat, durch D002 anhand von XRD gemessen, einen Graphitisierungsgrad von über 85% (im Vergleich zum Graphitisierungsgrad von Produkten aus dem Stand der Technik von allgemein unter 80%). Darüber hinaus entwickelt das sich ergebende Material einen hohen Grad an Mikroporosität, gekennzeichnet durch einen größeren Porendurchmesser, wie durch Quecksilberporosimetrietestverfahren gemessen wurde. Speziell ist der mittlere Porendurchmesser (Mikropore, < 1 Mikrometer) in Bezug auf das Volumen dieses hochelastischen Graphits ungeachtet der Partikelgröße größer als 0,035 Mikrometer. Außerdem hat der hochelastische Graphit Elastizitätsgrade von mehr als 130% (während Produkte aus dem Stand der Technik eine Elastizität von im Allgemeinen unter 130% haben).
Partikelgrößenverteilung
Der hochelastische Graphit hat eine Partikelgröße von über ca. 10 Mikrometer in d50 und unter 2380 Mikrometer (8 Mesh), so dass er groß genug ist, um zusammen mit anderen Schlammkomponenten, wie etwa Baryt, eine wirksame Formulierung zu bilden, aber nicht zu groß ist, dass er Bohrlochwerkzeuge verstopft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5826669 [0003, 0004, 0004, 0005, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 15901-1 [0015]

Claims

Elastisches Graphitkohlenstoffpartikelmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es eine d50-Partikelgröße von zwischen 10 µm und 2380 µm; eine Elastizität von über ca. 130% Rückfederung nach einer Kompression auf 10.000 psi; einen wie durch d002 anhand von XRD gemessenen Graphitisierungsgrad von über 85%; und eine durchschnittliche Porengröße von über 0,035 µm und ein Seitenverhältnis für die Poren von unter 0,63 hat.