DK165699B - Saltholdig vaeske med hoej vaegtfylde og anvendelse deraf ved betjening af borehuller - Google Patents

Description

DK 165699 B

i

Den foreliggende opfindelse angår en faststoffri opløsning til indføring i borehuller og en fremgangsmåde til anvendelse deraf .

5 Underjordiske formationer kan indeholde værdifulde mineralaflejringer, såsom hydrocarbonolier og -gasser, svovl og andre værdifulde naturrigdomme. Man kan komme i kontakt med disse formationer ved at bore et borehul fra overfladen til den underjordiske formation. I løbet af denne boreproces indføres et 10 fluidum i borehullet for at smøre og afkøle boreskæret, for at borttransportere det materiale, der fjernes fra den underjordiske formation ved boreprocessen, og for at forsegle borehullets vægge mod tab af fluidet eller indtrængning af fluida fra underjordiske formationer i borehullet. Et sådant fluidum el-15 ler "boreslam" er f.eks. beskrevet i US patentskrift nr.

2.073.413. Disse boreslam opnår den høje vægtfylde, der er nødvendigt for at undgå indtrængning af under højt tryk værende underjordiske fluida i borehullet, ved at belaste slammet med faste materialer, såsom ler eller barytter. Med denne type 20 boreslam kan der opnås høje vægtfylder i størrelsesordenen 2,1 - 2,4 g/cm3.

På visse tidspunkter under boreprocessen og færdiggørelsesprocessen er det imidlertid ønskeligt at have faststoffrie opløs-25 ninger i kontakt med de underjordiske formationer i borehullet. Se f.eks. artiklen af J. L. Kennedy, The Oil and Gas Journal, 2. august 1971, side 62-64. Mange procedurer kræver et faststoffrit fluidum. For eksempel kan pakningsprocedurer og færdiggørelsesprocedurer skades af faste stoffer, der er 30 suspenderet i fluidet i borehullet. Se Drilling and Production Practice, C.M. Hudgins et al., (American Petroleum Institute) 1961; Hudgins et al.. The Oil and Gas Journal, (24. juli 1961) side 91-96 og J. H. Plonka, World Oil (april 1972), side 88-89; Neal Adams, The Oil & Gas Journal (9. november 1981) side 35 254-275. Disse artikler beskriver anvendelsen af faststoffrie saltopløsninger med høj vægtfylde, som borefluida. Natrium-chlorid kan anvendes til fremstilling af saltopløsninger med 2

DK 165699B

vægtfylde fra 1,0 til 1,17 g/cm3. Calciumchlorid kan anvendes til fremstilling af saltopløsninger med vægtfylde fra 1,0 til 1,38 g/cm3. Calciumchlorid/zinkchlorid-saltopløsninger kan anvendes til fremstilling af saltopløsninger med vægtfylde fra 5 1,38 til 1,68 g/cm3. Artiklerne af Hudgins beskriver zinkhol- dige fluida med vægtfylder på over 1,68 g/cm3 som værende for korroderende til praktisk anvendelse. Artiklen af Plonka beskriver en faststoffri calciumbromid/calciumchlorid-opløsning, der kan opnå en vægtfylde på 1,80 g/cm3.

10 US patentskrift nr. 4.292.183 beskriver en faststoffri zink-bromid/calciumbromid-opløsning med en vægtfylde, der ligger i området fra ca. 1,74 til ca. 2,16 g/cm3. Artiklen af Adams beskriver et CaCl2/CaBr2/ZnBr2-saltopløsningssystem med vægt-15 fylder op til 2,30 g/cm3, såvel som egenskaber for de forskellige fluida og anvendelsesmetoder.

Det er i visse tilfælde ønskeligt at have en faststoffri opløsning, som har en vægtfylde på over 1,80 g/cm3. Forud for 20 nærværende opfindelsen krævede dette anvendelsen af en zinkhol dig væske.

Et ønskeligt fluidum til betjening af borehuller må have flere egenskaber samtidigt. Fluidets vægtfylde bør være således, at 25 det hydrostatiske tryk, der dannes af fluidumsøjlen i borehullet, på passende måde afbalancerer fluidumtrykket i den underjordiske formation. En passende balance kan i visse tilfælde være en smule under trykket i den underjordiske formation, den er ofte større end den underjordiske formations tryk, men ind-30 stilles oftest til nøjagtigt at passe til det hydrauliske tryk af den underjordiske formations fluidum.

Fluida, der anvendes under bearbejdning og færdiggørelse, strækker sig fra gasser med lav vægtfylde, såsom nitrogen, til 35 slam og pakningsvæsker med høj vægtfylde. Anvendelsesområderne og kravene er forskellige for hvert fluidum.

3

DK 165699B

Fluida, der anvendes under genbearbejdningen af en brønd efter dens oprindelige færdiggørelse, betegnes soro bearbejdningsfluida. Disse fluida kan være gasser (såsom nitrogen eller naturgas), saltvand eller slam. De funktioner, der udføres af bear-5 bejdningsfluidet, indbefatter brønddræbning (eng.: well killing), udrensning af en brønd ved fjernelse af sand, sten eller metalspåner og andre fremmede genstande, boring ind i et nyt produktivt mellemrum eller tiIbagepropning for at færdiggøre et mindre dybt mellemrum.

10 Færdiggørelsesfluida anvendes under de operationer, der etablerer den endelige forbindelse mellem den produktive formation og borehullet. Disse fluida kan være et kommercielt bearbejdningsfluidum, nitrogen eller en ren saltvandsopløsning med 15 lavt indhold af faste stoffer og kan anvendes i et kort tidsrum, såsom ved brøndperforering eller i forlængede perioder, såsom ved gruspakning. Det primære krav, der stilles til fluidet, er, at det ikke beskadigere eller blokerer den producerende formation.

20

Pakningsfluida anbringes i den ringformede åbning mellem produktionsrør og foring. De mest almindelige krav til pakningsfluida er, at de opretholder trykregulering, at de er ugiftige og ikke-korroderende, at de forbliver pumpedygtige og at de 25 skader formationen mindst muligt.

Fluidet til betjening af borehuller bør være fri for faste stoffer. Det betyder i det væsentlige fri for suspenderede faste stoffer, der er større end ca. S μι i diameter. Det be-30 tyder også at opløsningen skal have et krystallisationspunkt, der ligger under anvendelsestemperaturen. Generelt er krystallisationspunktet den laveste temperatur, ved hvilken de opløselige faste stoffer er opløst til dannelse af en faststoffri opløsning.

Korrosivitet er også en vigtig faktor. Saltopløsningens kor-rosivitet bør være således, at der ikke sker signifikant kor- 35

DK 165699B

A

rosion af metalrør eller boreredskaber. Dette kræver generelt en uinhiberet korrosionshastighed på mindre end 0,127 mm/år. Dette gælder især når fluidet anvendes til indespærring af et borehul. Fluidet kan være i kontakt med de nede i borehullet 5 værende rør i længere tidsrum. Det er også vigtigt at nedsætte miljøskaderne til et minimum.

Når der kræves en opløsning med en vægtfylde på over 1,80 g/cm3 for at afbalancere formationstrykket, har hvert af de 10 ovenfor nævnte fluida deres mangler. Alle saltopløsningerne -bortset fra de zinkholdige saltopløsninger - vil ikke danne en faststoffri opløsning ved mere end 1,80 g/cm3 med et krystallisationspunkt på under 20°C. De faste saltes vægtfylder og opløselighed vil ikke gøre dette muligt. Mens zinkholdige salt-15 opløsninger kan danne faststoffrie opløsninger på over 1,80 g/cm3, er disse opløsninger generelt mere korroderende og de kan skade miljøet. Det er derfor formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et faststoffrit fluidum eller væske til betjening af borehuller med en vægtfylde på over 20 1,80 g/cm3 og et krystallisationspunkt på mindre end 20eC og uden at det er nødvendigt at anvende zinksalte.

Dette og andre formål med opfindelsen opnås ved en fremgangsmåde til betjening af et borehul omfattende indføring af et 25 fluidum, der omfatter en blanding af vand, calciumbromid og methanol, i borehullet. Denne opløsnings vægtfylde er mindst 1,80 g/cm3» og opløsningen har et krystallisationspunkt på ikke over 20*C.

30 Opløsningen, der består af en blanding af fra 15 til 35 vægt% vand, fra 55 til 70 vægt% calciumbromid og fra 5 til 30 vægt% methanol, hvor blandingen har en vægtfylde på mindst 1,80 g/cm3 og et krystallisationspunkt på ikke over 20*C, anses også for at være hidtil ukendt.

Et træk ved opfindelsen er, at den inkorporerer kommercielt tilgængelige og forholdsvis miljømæssigt sikre materialer til 35 5

DK 165699B

opnåelse af vægtfylder, som man hidtil ikke har kunnet opnå med så lav miljørisiko og korrosivitet.

Tegningen viser et fasediagram for systemet methanol/CaBr2/ 5 vand.

Væsken eller fluidet ifølge opfindelsen, der har høj vægtfylde, og som er beregnet til betjening af borehuller består af en faststoffri blanding af vand, calciumbromid og methanol, hvor 10 blandingen har en vægtfylde på mindst 1,80 g/cm^ og en krystallisationspunkt på ikke over 20eC.

Ved tilsætning af calciumbromid og methanol kan der være visse hydrater og methanater til stede i blandingen. Der kan også 15 anvendes andre vandopløselige materialer i væsken til betje ning af borehuller i en mængde der er mindre end den, som på skadelig måde ville påvirke opløsningens anvendelighed. Sådanne materialer indbefatter f.eks. organiske korrosionsinhibitorer, såsom triethanolamin, propargylalkohol, pyridin og 20 derivater deraf, og andre organiske korrosionsinhibitorer som er kendt af fagfolk, viskositetsregulerende reagenser, såsom f.eks. hydroxymethylcellulose og andre sådanne af fagfolk kendte reagenser, pH-regulerende materialer, såsom natriumhydroxid, calciumhydroxid og lignende. Ved nogle anvendelser kan 25 det være ønskeligt at blande væsken ifølge opfindelsen med andre uorganiske saltopløsninger for at indstille borehulsbetjeningsvæskens endelige vægtfylde. Sådanne opløsninger indbefatter f.eks. opløsninger af de uorganiske salte, calciumchlorid, natriumchlorid, blandinger deraf og lignende.

30

Borehulsbetjeningsvæskerne ifølge opfindelsen vil fortrinsvis ikke indbefatte metalioner, der ikke almindeligt findes i havvand i en koncentration på over 1 ppm. Metalioner, som almindeligvis findes i havvand i koncentrationer på over 1 ppm, ind-35 befatter natrium, magnesium, calcium, kalium og strontium. Metalioner, som vil være fraværende i materialet ifølge opfin- 6

DK 165699B

delsen, indbefatter zink, lithium og chrom, som kun vil være til stede i små mængder som urenheder eller som et behandlingsmiddel, såsom en zinkoxid-korrosionsinhibitor. I alle tilfælde kan disse materialer være til stede i koncentrationer 5 på mindre end 1 vægt%, fortrinsvis mindre end 0,5 vægt% og mest foretrukket mindre end 0,1 vægt%, regnet på den samlede opløsni ng.

Tilstedeværelsen af enhver væsentlig mængde faste stoffer i 10 væsken ifølge opfindelsen kan føre til beskadigelse af den underjordiske formation. Suspenderede faste stoffer kan på effektiv måde blokere produktion fra formationen. Fortrinsvis er væsken fri for faste stoffer med en patikelstørrelse på over 5 pm. Mest foretrukket er opløsningen fuldstændigt fri for faste 15 stoffer. Tilstedeværende faste stoffer kan indbefatte alminde lige urenheder, der findes i de materialer, der anvendes til fremstilling af væsken, støv og snavs som klæber til den anvendte urustning eller faste stoffer udfældet ved afkøling af opløsningen eller andre kemiske processer, såsom indstilling 20 af pH.

De bestanddele, der anvendes til fremstilling af væsken ifølge opfindelsen, er almindeligt i handelen tilgængelige materialer. Det anvendte calciumbromid kan være af almindelig handelskva-25 litet og kan være et materiale, der normalt betegnes som "calciumbromidspids" (eng.: calcium bromide spike), der er et fast stof omfattende 80% calciumbromid og 20% vand. Calcium-bromidet kan også tilvejebringes i vandigt medium, f.eks. ved at omsætte hydrogenbromid og calciumhydroxid, f.eks. på den 30 måde, der er beskrevet i US patentskrift nr. 4.234.556.

Enhver type tilgængeligt vand kan anvendes til fremstilling af væsken, når blot det ikke indeholder materialer, der er skadelige for egenskaberne. Der kan anvendes havvand selvom fersk-35 vand foretrækkes. Blandingens komponenter kan blandes i en hvilken som helst rækkefølge, men i almindelighed er det mest hensigtsmæssigt at sætte de faste stoffer til en blanding af de

DK 165699 B

7 to flydende komponenter. De procentuelle granser for komponenterne i væsken ifølge opfindelsen ligger fra 55 til 70% cal-ciumbromid, 15 - 35% vand og 5 - 30% methanol. Dette kan ses på tegningen som området mellem de to kurver, nemlig mellem 5 linien for en vægtfylde på 1,80 kg/1 og den kurve, der viser sammensætningerne med et krystal!isationspunkt på 20eC.

Idet der nu refereres til tegningen ses her et standard-tre-kantet sammensætningsdiagram for et system af tre komponenter.

10 Ved det øverste hjørne, der er mærket CaBr2 for calciumbromid, repræsenterer punktet for trekantens spids en sammensætning af 100% calciumbromid og hver linie, der er parallel med trekantens modstående side, repræsenterer en forøgelse på 10 vægt% af calciumbromid i fasediagrammet. Tilsvarende ved trekantens 15 to nedre hjørner angiver de spidser, der er betegnet med CH3OH og H2O, sammensætninger af henholdsvis 100% methanol og 100% vand. Linierne i trekanten, som løber parallelt med de modstående sider fra hver af disse to spidser, repræsenterer også forøgelser på 10 vægt% i sammensætningen.

20

Der er i dette sammensætningsskema vist fire kurver til diskussion. Tre af disse kurver er tilnærmelsesvis lige linier og repræsenterer kurver med ens vægtfylde. Dette betyder, at ethvert punkt på disse kurver repræsenterer en sammensætning, 25 som har en given vægtfylde. De tre kurver er betegnet 1,80; 1,86 og 1,92 g/cm3 (kg/1). Punkterne på disse kurver kan repræsentere sammensætninger, der er faste eller flydende eller er blandinger deraf. Tegningen er udført så nøjagtigt som resultaterne tillader det. Imidlertid kan forskelle på nogle 30 procent ikke være signifikantete og de betragtes som liggende inden for forsøgsusikkerheden.

Den fjerde kurve viser en linie med isocrystal 1 isationspunkt.

Det vil sige, at hvert punkt på linien repræsenterer en sam-35 mensætning, som har et krystallisationspunkt på ca. 20eC. Til nærværende ansøgnings diskussion bestemmes krystallisations-punktet af opløsningen ved at anbringe 2 - 5 ml af opløsningen 8

DK 165699B

i et reagensglas og derefter afkøle den i et bad af tøris/me-thylenchlorid indtil der ses fast stof. Blandingen med de suspenderede faste stoffer opvarmes derefter langsomt under omrøring indtil det sidste krystal opløses. Den temperatur, hvor 5 det sidste krystal opløses, er krystallisationspunktet.

Andre, der arbejder på dette område, har anvendt en forsøgsmetode, der ligner den nærværende, hvor krystal!isationspunktet tages som den temperatur, hvor der først ses krystaller ved 10 afkøling. Dette blev ikke gjort ved det nærværende system, da dette system og lignende systemer har tendens til at blive underafkølet. Resultatet heraf er, at den temperatur, hvor det første krystal fremkommer, kan være flere grader lavere end den temperatur, hvor det sidste krystal forsvinder. Der benyt-15 tes derfor i nærværende beskrivelse og krav et krystallisationspunkt defineret som den temperatur, hvor det sidste krystal forsvinder.

Med henvisning til tegningen strækker isokrystal1isationspunkts-20 linien sig fra en sammensætning af tilnærmelsesvis 35% calcium-bromid/65% methanol til et punkt, der ligger netop på den modsatte side af linien for en vægtfylde på 1,92 kg/1, med en sammensætning på tilnærmelsesvis 67% calciumbromid, 13% methanol og 20% vand. Dette er tilnærmelsesvis den højeste vægtfylde, 25 der kan opnås med denne blanding af tre komponenter samtidigt med, at krystallisationspunktet holdes på 20eC. Isokrystalli-sationspunkkurven fortsætter fra dette maksimum til et punkt, der repræsenterer tilnærmelsesvis 58,8% calciumbromid og 41,2% \ vand.

30

Den del af dette sammensætningskort, der er begrænset af isokrystal 1 isationspunktkurven på 20®C og som ligger i retning mod toppen betegnet calciumbromid repræsenterer den del af sammensætningerne af disse tre komponenter, som ikke er fri 35 for faste stoffer ved 20°C og lavere temperaturer. Den del af sammensætningskortet, der ligger mellem isokrystal!isationspunktskurven ved 20°C og den side, der ligger bort fra calci- 9

DK 165699B

umbromid-toppen, repræsenterer sammensætninger af disse tre komponenter, som vil være fri for faste stoffer ved 20°C eller derover. Væskesammensætningen ifølge opfindelsen er repræsenteret med punkter i det område af fasediagrammet, der ligger 5 på eller indenfor det område, der er omsluttet af linien for en vægtfylde på 1,80 g/cm3 og kurven for et krystallisations-punkt på 20eC.

Vægtfylden af væsken ifølge opfindelsen udtrykkes generelt i 10 kg/1 eller g/cm3, idet 1 kg/1 er lig med 1 g/cn»3. Vands vægtfylde er ca. 1 kg/1. Opløsningernes vægtfylde kan bestemmes på en hvilken som helst af de for fagfolk kendte metoder, f.eks. ved anvendelse af et pyknometer eller et hydrometer. Generelt vil væsken have en vægtfylde på mindst 1,80 g/cm3. Dette er 15 repræsenteret med punkter i fasediagrammet på figuren, som ligger mellem kurven for ens vægtfylde på 1,80 g/cm3, og trekantens spids for rent calciumbromid. Fortrinsvis vil vægtfylden være større end 1,80 g/cm3 eller f.eks. mindst 1,81 g/cm3. Mest foretrukket vil væsken ifølge opfindelsen have en 20 vægtfylde på mindst 1,86 g/cm3 og den kan have en vægtfylde på 1,92 g/cm3 eller derover. Alle disse angivne vægtfylder kræver, at væsken ifølge opfindelsen er fri for faste stoffer og har et krystallisationspunkt på 20eC eller derunder.

25 Ved siden af calciumbromid og methanol vil hydrater og metha-nater af calciumbromid være til stede i blandingen. Idet den nøjagtige natur af sådanne materialer er vanskelig at bestemme, og idet deres nærværelse er vanskelig at påvise, er det åbenbart, at hvilke stoffer, der end måtte være til stede, så 30 har blandingen de egenskaber med hensyn til vægtfylde, kry-stallisationspunkt, korrosivitet og virkninger på miljøet, som beskrevet ovenfor.

Eksempler på metoder til betjening af borehuller, hvor væsken 35 ifølge opfindelsen kan anvendes, er f.eks. beskrevet i US patentskrifterne nr. 2.894.584, 2.898.294 og 3.126.950.

10

DK 165699B

Eksempel 1.

108 ml CH3OH (methanol) sattes til 100 ml af en i handelen tilgængelig væske indeholdende 53% CaBr2 og 47% H2O. Hertil 5 sattes 150 g calciumbromid-spids i trinvis tilvækst på 10 - 50 g (calciumbromid-spids er 80% CaBr2 og 20% H2O). Efter blanding på et rystebord filtreredes opløsningen. Denne opløsning havde en vægtfylde på 1,58 g/cm3. Opløsningen deltes i to halvdele, og til ca. 125 ml opløsning sattes 175 g calcium-10 bromid-spids. Efter rystning indtil alle faste stoffer var opløst, blev opløsningen igen filtreret. Opløsningens vægtfylde var 1,92 g/cm3 og den havde et krystallisationspunkt på 18,1°C.

15 Eksempel 2.

Til en krukke på 235 ml sattes 81 ml methanol og 50 ml 53% CaBr2 og 47% H2O. Tilsætning af 25 eller 50 g calciumbromid-spids (80% CaBr2 og 20% H2O) blev foretaget 11 gange, således 20 at den samlede tilsatte vægtmængde af calciumbromidspids var 325 g. Derefter sugefi 1 treredes opløsningen. Vægtfylden viste sig at være 1,92 g/cm3. Krystallisationspunktet blev bestemt ved at anbringe 2 - 5 ml opløsning i et reagensglas og derefter afkøle det på et tøris/methylenchlorid-bad indtil der sås 25 faste stoffer. Derefter opvarmedes der langsomt under omrøring indtil det sidste krystal var opløst. Opløsningens krystalli-sationspunkt var 16,7*C.

En vandig opløsning af CaBr2/H20/CH30H vil have et lavere kry-30 stal1 isationspunkt sammenlignet med en væske af. CaBr2/H20.

Faldet i krystallisationspunkt skyldes nærværelsen af methanol i kombination med CaBr2 og vand i opløsning. Ved en vægtfylde på 1,91 g/cm3 har opløsningen CaBr2/H20/CH30H et krystallisa-tionspunkt på 17,8PC. Dette kan ses i direkte modsætning til 35 en opløsning der kun indholder CaBr2 og vand, hvor en væske med vægtfylde 1,91 g/cm3 vil have et krystallisationspunkt på 27,2PC. Variationen i krystallisationspunktstemperaturerne

Claims (8)

11 DK 165699B (CP) for opløsninger af CaBr2/H20/CH30H og CaBr2/H20 er vist i tabel 1. Tabel 1.

5 CaBr2/H20 sammenlignet med CaBr2/H20/CH30H Vægtfylde CaBr2/H20 CaBr2/H20/CH30H g/cm1_% CaBr2 CP(«C) % CaBr2 %CH3OH CP(eC) 10 1,905 61,5 27,2 64,6 12,8 17,8 1,955 64,0 32,2 65,8 12,3 21,1 1,865 60,0 23,3 63,3 13,3 12,8 1,815 58,5 20,0 62,0 13,9 15,6

15 CaBr2/H20-data: Vægtfylder: International Critical Tables CP: Seidell (revideret af Linke), Solubilities;

20 Inorganic and Metal Organic Compounds; Van Nostrand Co., Inc., 1958. Patentkrav. 25 --------------------

1. Faststoffri opløsning til indføring i borehuller, kendetegnet ved, at den består af en blanding af fra 15 til 35 vægt* vand, fra 55 til 70 vagt* calciumbromid og fra 5 30 til 30 vægt* methanol, og at blandingen har en vægtfylde på mindst 1,80 g/cm1 og et krystallisationspunkt på ikke over 20eC.

2. Opløsning ifølge krav i, kendetegnet ved, at 35 blandingen har en vægtfylde på mindst 1,86 g/cm1. Opløsning ifølge krav 2, kendetegnet ved, at blandingen har en vægtfylde på mindst 1,92 g/cm1. 12 DK 165699B

4. Opløsning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den flydende opløsning er repræsenteret ved punkter i det på tegningen viste fasediagram på eller indenfor et område omsluttet af linien for ens vægtfylde på 1,80 g/cm3 og linien for 5 et krystal!isationspunkt på 20°C.

5. Fremgangsmåde til betjening af et borehul, hvor der i borehullet indføres en væske med høj vægtfylde, kendetegnet ved, at væsken er en opløsning ifølge et hvilket 10 som helst af kravene 1-4. 15 20 25 30 35