DK201600127Y3 - Borevæskeadditiv til tabscirkulering og borebrøndsforstærkning - Google Patents

Abstract

Der beskrives styring af tab af borevæske fra et oliebrøndsborehul i formationer gennembrudt af et borehoved, under hvilken elastiske, grafitformede kulstofpartikler med en d50 partikelstørrelse mellem 10 µm og 2380 µm, en elasticitet med mere end ca. 130 % tilbagespring efter sammentrykning ved 68.948 kPa (10.000 psi), en grafitiseringsgrad større end 85 % målt ved d002 under anvendelse af XRD, en gennemsnitlig porestørrelse større end 0,035 µm og et dimensionsforhold for porerne mindre end 0,63 tilføres borevæsken.

Description

BOREVÆSKEADDITIV TIL TABSCIRKULERING OG BOREBRØNDSFORSTÆRKNING Baggrund I olie- og gasindustrien er et almindeligt problem ved boreaktiviteter tab af værdifulde borevæsker i frakturer, som er induceret af for stort muddertryk, allerede eksisterende porøsitet/frakturer eller store hulrum i formationen.

En af måderne at forebygge eller standse sådanne tab er via tilførsel af kornformede partikler til borevæsken, som virker som brodannende middel til at etablere et fundament for fuldstændig tætning af frakturen eller som et brønd boringsforstærkningsmateriale, der holder frakturen åben. Sådanne materialer omfatter blandt andet grafit, oliekoks, valnøddeskal og kalciumkarbonat.

Superior Graphite Co. indførte elastisk grafitformet kulstof ("RGC") til anvendelse som et mistet cirkulationsmateriale ("LCM") i 1990erne (se US 5.826.669, som herved indføjes ved henvisning). Som beskrevet heri menes den elastiske grafit at være i stand til at pakkes tæt under sammentrykning i porerne og frakturerne i formationen og til at være i stand til at udvides eller sammentrækkes uden at blive løsnet eller bryde sammen på grund af ændringer i den tilsvarende cirkule-ringstæthed eller ved en øgning af fluidets vægt. Desuden virkede grafit som et fast smøremiddel til at mindske slid i metalkomponenter og forbedre boreeffektiviteten.

De grafitformede materialer beskrevet i '669 patentet har en elastici-tet/tilbagespring større end 35% ved sammentrykning ved 10.000 psi med parti-keltæthed fra 1,45 til 2,2 g/cm3. Et sådant RGC materiale til anvendelse som et LCM er kommercielt tilgængeligt under handelsnavnet STEELSEAL® fra Halliburton Inc. STEELSEAL® additivet fremstilles af Superior Graphite Co. og anses som standardpraksis i US 5.826.669. Mens sådanne elastiske grafitformede kulstofmaterialer har overlegen LC styring, er forbedring i ydelse ønskelig.

Resumé

Den foreliggende opfindelse angår et forbedret elastisk, grafitformet kulstofmateriale og dets anvendelse som LCM. Mens det fremstilles ved en proces, der ligner den i '669 patentet beskrevne, har det forbedrede RGC en særlig nålelignende morfologi med betydelig større elasticitet, porøsitet og mindre tæthed end de tidligere tilgængelige elastiske, grafitformede kulstoffer. Test af permeabilitetstil-propning viste, at dette forbedrede RGC dannede en bedre tætning i sig selv og sammen md andre mistede cirkuleringsmaterialer.

Mere specifikt har det forbedrede RGC materiale i et aspekt en nålelignende morfologi, som er væsentlig forskellig fra STEELSEAL® produktet angivet herover. Dimensionsforholdet blev målt til 0,60 for det forbedrede højelastiske materiale sammenlignet med STEELSEAL® 400 med 0,63 (sfæriske materiale har et dimensionsforhold på 1). I et andet aspekt har det forbedrede RGC materiale en elasticitet i området fra 138 til 145% ved 400 μιτι d so partikelstørrelse sammenlignet med STEELSEAL® 400, hvis elasticitet er 100 til 130%. I et yderligere aspekt er den virkelige tæthed af det forbedrede materiale i området 1,49-1,53 g/cm3 ved 400 pm d50 partikelstørrelse sammenlignet med den for STEELSEAL® 400 typiske 1,56 - 1,62 g/cm3. I et andet aspekt er graden af grafitisering af det forbedrede RGC større end 85%, og der er målt prøver med 87,9% for det forbedrede RGC materiale sammenlignet med 79,8% for STEELSEAL® 400. I et endnu yderligere aspekt blev porøsiteten af det forbedrede RGC materiale (repræsenteret ved det totale porevolumen) målt til 0,43 cm3/g sammenlignet med 0,24 cm3/g for STEELSEAL® 400, eller 76% højere.

Disse aspekter er beskrevet nærmere herunder.

Detaljeret beskrivelse

Det forbedrede RGC materiale til anvendelse som et LCM i overensstemmelse med den foreliggende beskrivelse adskiller sig fra kendte materialer ved nogle karakteristika, herunder (men ikke nødvendigvis begrænset til) porøsitet, elasticitet, gra-fitiseringsgrad og morfologi (som angivet ved dimensionsforholdet). Disse karakteristika omtales nærmere herunder.

Porosimetertest:

Porosimetertestning indebærer indføring af en ikke-vædende væske (ofte kviksølv) med højt tryk i et materiale ved brug af et porosimeter. Porestørrelsen kan bestemmes på basis af det ydre tryk, som er nødvendigt for at tvinge væsken ind i en pore mod den modsatrettede kraft fra væskens overfladespænding.

En kraftbalanceligning kendt som Washburns ligning for ovenstående materialer med cylindriske porer er givet som:

hvor DP er porestørrelsen, o er kviksølvs overfladespænding og Θ er kontaktvinklen. Uden at komme nærmere ind på det er den for kviksølv omtrent

Med henvisning til tabel 1 blev prøver af det forbedrede RGC af den foreliggende beskrivelse (betegnet "HR") og det kendte materiale (betegnet "SS") med sammenlignelige partikelstørrelsesfordelinger (som bestemt ved Microtrac-analyse) testet for deres porøsitet. Testning blev udført i henhold til ISO 15901-1 og startet ved 0,52 psi med et højeste tryk målt til 70.000 psi. Flydende kviksølv blev trykket ind i porerne med hydraulisk kraft. Mængden af kviksølv optaget i porerne blev målt som funktion af trykket. Med det øgede tryk skubbes mere og mere kviksølv ind i prøvematerialets porer. Af trykdataene beregnes porestørrelsen. Som resultat fås porevolumeninformation som funktion af porestørrelsen. TABEL 1

Af dataene ses, at ved samme størrelse giver HR materialet større totalt porevolumen. For eksempel har HR10 en porøsitet på 52%, mens SS10 har en porøsitet på 45%. Af den logaritmiske forskel af porevolumen vs. porestørrelse fremgår at informationen indsamlet ved porestørrelse større end 1 pm eller tryk lavere end ca. 200 psi er irrelevant for bestemmelsen af porøsitet, da de er relateret til rummet mellem partiklerne. I tabel 2 herunder betragtes kun data, der relaterer til en porestørrelse mindre end 0,35 pm:

Mens porøsitetsværdierne i tabel 2 er tvivlsomme med hensyn til nogle af skelet-tæthedsværdierne, som er udenfor området, menes resten af tabel 2 at være ret nøjagtig.

Af tabel 2 kan det konkluderes, at HR materialerne har en højere total fin porøsitet end SS materialerne med en sammenlignelig partikelstørrelsesfordeling. Endvidere, jo større partikelstørrelse, jo højere samlet porøsitet, og alle HR materialer har større porer end SS materialerne. Alle HR materialer har en middel porediameter større end 0,0388 pm, mens alle SS materialer har en gennemsnitlig porestørrelse mindre end 0,0300 pm.

Elasticitetstest

Elasticitetstest er beskrevet i '669 patentet indført ved henvisning herover. Som beskrevet heri kan elasticitet bestemmes ved brug af en presse, ved hvilken tryk påføres en ikke-sammentrykt materialeprøve og frigives. Mere specifikt lades en prøvecylinder eller matrice med en tør og fritflydende mængde af det materiale, der skal testes. Testcylinderen monteres derefter på en presse. Med pressen påføres tryk på prøven (til 10.000 psi), og den sammentrykte prøves højde (hQ) inde i testcylinderen måles. Trykket fjernes derefter, og prøvens genvundne højde (hr) inde i testcylinderen måles 10 minutter efter at trykket er fjernet, og derefter igen ved 20 minutter for at sikre at prøven har stabiliseret sig. Elasticiteten (%) beregnes derefter som 100 x (hr/ h0 - 1).

Grafitiserinasaraden oa dimensionsforhold

Graden af grafitisering af kulstof og grafitprodukter måles ved røntgendiffraktion (XRD). Den beregnes under brug af følgende formel:

hvor g er graden af grafitisering (%) og d002 er mellemlagsafstanden udledt af XRD.

Dimensionsforholdet er forholdet af bredden overfor højden af en partikel. Billeder af individuelle partikler blev optaget og analyseret for at bestemme produktets dimensionsforhold. Dimensionsforholdsmåling er en billedanalysetjeneste, som kommercielt udbydes af Microtrac Inc (DIA). Således er beskrevet et forbedret, højelastisk grafitformet kulstofmateriale, som er særlig egnet til brug som borevæskeadditiv. Den højelastiske grafit fremstilles af kalcineret oliekoks, som er varmebehandlet under anvendelse af en kontinuert termisk renseproces i et fluidiseret leje. Det resulterende materiale har en grafiti-seringsgrad større end 85% målt ved d002 under brug af XRD (sammenlignet med grafitiseringsgraden af kendte produkter mindre end 80%). Endvidere udvikler det resulterende materiale en høj grad af mikroporøsitet, som er kendetegnet ved større porediameter målt med kviksølvporosimetritestmetoder. Specifikt er mid-delporediameter (mikropore, < 1 pm) i forhold til volumen af dette højelastiske grafit større end 0,035 pm, uanset partikelstørrelse. Desuden har den højelastiske grafit elasticitetsniveauer, der overstiger 130% (mens kendte produkter i almindelighed har en elasticitet mindre end 130%).

Partikelstørrelsesfordelina

Den højelastiske grafit har en partikelstørrelse større end ca. 10 pm i d50 og mindre end 2380 pm (maskevidde 8), sådan at den er stor nok til at danne en effek tiv formulering sammen med andre mudderkomponenter, såsom barit, men ikke for stor til at tilstoppe boreværktøjer.

Claims (1)

1. Elastisk, grafitformet kulstofpartikelmateriale kendetegnet ved, at have en d50 partikelstørrelse mellem 10 pm og 2380 pm; en elasticitet med mere end ca. 130% tilbagespring efter sammentrykning ved 68.948 kPa (10.000 psi); en grafi-tiseringsgrad større end 85% målt ved d002 under anvendelse af XRD; en gennemsnitlig porestørrelse større end 0,035 pm og et dimensionsforhold for porerne mindre end 0,63.