JP2020526653A

JP2020526653A - 逸泥防止剤としての使用済み自動車タイヤ

Info

Publication number: JP2020526653A
Application number: JP2020501492A
Authority: JP
Inventors: アマヌッラー，エムディー; ケー．アルファジ，モハメッド
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-08-31
Also published as: CA3069662A1; US11066879B2; SA520411024B1; US20200102798A1; US20190119546A1; WO2019014138A1; US10494884B2; EP3652267B1; CN110892038A; EP3652267A1

Abstract

自動車を運ぶには適さない自動車タイヤを取得する。取得した自動車タイヤからタイヤチップを形成する。タイヤチップを所定量の坑井キャリア流体と混合して混合物を形成する。混合物を坑井掘削作業中の逸泥防止剤として用いる。

Description

本願は、２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第６２／５３２，６２９号及び２０１８年６月５日に出願された米国特許出願第１６／０００，４１５号の優先権を主張し、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、逸泥防止剤（ｌｏｓｓｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ）、例えば環境に優しい逸泥防止剤を用いた、地層中への坑井流体の流失の最小化に関する。

地層内に坑井を形成するために、掘削ビットは地層を砕いて道を通す。掘削工程中に、掘削流体を循環させてビットを冷却及び潤滑し、地層の粉砕片（「堀り屑（ｃｕｔｔｉｎｇｓ、ざく）」とも呼ばれる）を除去し、貯留層（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ、貯水池）の静圧を維持する。掘削工程中には、高流失域が発生することがある。高流失域では、掘削循環流体が坑井から地層へ流出してしまう。循環流体は高価である場合があり、通常は、坑井を通して連続的に再循環される。高流失域の地層で循環が失われると、多くの場合、循環流体が補充される。さらに、流体の流失によって地層の静圧は低下してしまう。こうした圧力損失によって、「キック（ｋｉｃｋ）」、あるいは加圧された炭化水素の坑井からの放出、を生ずる可能性がある。高流失の地層に遭遇した場合、掘削循環流体に流失抑制剤（ｌｏｓｓｃｏｎｔｒｏｌｍａｔｅｒｉａｌ）を添加して高流失域を塞ぐことができる。流失抑制剤は、坑井の壁部にある孔部及び割れ目の内部に留まって高流失域を塞ぐことができる。

本明細書は、逸泥防止剤としての使用済み自動車タイヤに関する技術について述べる。

本開示内で説明される主題の実施例は、以下の特徴を備えた方法である。すなわち、自動車を運ぶには適さない自動車タイヤが取得される。前記取得した自動車タイヤから複数のタイヤチップが形成される。前記複数のタイヤチップは、所定量の坑井キャリア流体と混合されて混合物を形成する。前記混合物は、坑井掘削作業中の逸泥防止剤として用いられる。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記混合物を、前記坑井掘削作業中の逸泥防止剤として用いるステップは、前記坑井掘削作業中に、前記混合物を掘削中の坑井に流し込むステップを含む。前記複数のタイヤチップは、坑井が掘削されている地層中の逸泥域を少なくとも部分的に封止する。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記所定量の坑井キャリア流体は、水、ベントナイト、ソーダ灰、又は水酸化ナトリウムを含む。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記自動車タイヤを取得するステップの後、前記取得した自動車タイヤはクリーニングされる。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記複数のタイヤ片を形成するステップは、前記クリーニングがなされた自動車タイヤを細断して複数のタイヤチップを形成するステップが含まれる。前記複数のタイヤチップの少なくとも一部は、前記複数のタイヤ片の少なくとも一部より大きい。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記タイヤチップは、前記複数のタイヤ片に粒状化される。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記複数のタイヤチップを粒状化するステップは、前記自動車タイヤ中のスチール及び繊維を除去するステップが含まれる。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記スチールが磁気的に除去される。

単独で又は組み合わせて実施例と組み合わせ可能な実施例の態様には、以下のものが含まれる。すなわち、前記繊維は、振動式スクリーンと風力分級機との組み合わせを用いて除去される。

本明細書で述べる主題の１つ又は複数の実施の形態の詳細は、付随する図面及び説明に記載されている。本主題の他の特徴、態様、及び利点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。

図１は、タイヤを逸泥防止剤として再利用するために使用できる例示的な方法を示すフローチャートである。

図２Ａは、試験装置を利用した試験によって得られた、歪みに対する弾性を示すプロット図である。

図２Ｂは、試験装置を利用した試験によって得られた、荷重に対する弾性を示すプロット図である。

図３は、高流失域を通って掘削されている例示的な坑井の側断面図である。

図面間に共通する符号及び名称は、それらが同一の要素であることを示す。

高流失域に遭遇すると、坑井内の液柱の急速な低下を伴いながら、所定量の掘削流体が地層へと流失する。この液柱の低下は、パイプの詰まり、坑井の不安定性、キック、又は噴出など、さまざまな掘削上の問題を引き起こす可能性があり、それらのいずれの問題によっても、井戸の枝掘りや放棄を余儀なくされる場合がある。循環流体の流失状態の抑制が遅れると、さまざまな掘削上の問題を引き起こす可能性は高まる。流失抑制剤（ＬＣＭ）を用いることによって、掘削作業中に高流出域に遭遇した場合の掘削流体の流失を軽減できる。ＬＣＭは、高流失域を塞ぐ粒子又は水和性流体を含むことができる。掘削流体は、坑井の壁部に沿う岩石の孔部及び割れ目を通って地層へ入り込み、粒子は、坑井の壁に沿う岩石の孔部及び割れ目の内部に閉じ込められることによって、高流失域を塞ぐ。流体全体の流出を効果的に抑制するには、その場での応力の状態が変化する中であっても、完全性と安定性とを維持し得る、弾性的で、安定性のある、液密な封止物の堆積が必要となる。例えば、貯留層の枯渇状態、地質構造の変化状態、増加サージ圧や増加スワブ圧の下で変動する運転状態、及び、ダウンホールの他のさまざまな状態が発生することがある。効果的なＬＣＭは、こうした状態の下で短期及び長期に亘って、流体の流出全体の抑制をもたらす。高流失域を隔離するには、多大な量の弾性のＬＣＭが必要になることが多い。このような多大な量には、多大な経済的コストが伴う。

効果的なＬＣＭは高い弾性を持つことができる。すなわち、ＬＣＭは、荷重を受けた後、元の形状に復元できる。言い換えると、効果的なＬＣＭは、あらゆる孔部又は割れ目の寸法に応じてさまざまな大きさに適応するために、優れた形状適合性をもたらす延性と展性を備える必要がある。効果的なＬＣＭは、坑井流体に対して十分な耐薬品性を持つことができる。ゴムはこれらの基準を満たすことができる。

自動車産業は、世界中で毎年大量の廃タイヤを産み出している。廃タイヤは再利用が難しく、適切に廃棄しないと環境に危害を及ぼすことがある。たとえば、廃タイヤの山は深刻な火災の元となって、煙や有毒ガスの放出による健康及び環境への危害をもたらす。このような山は、さまざまな病気を引き起こす齧歯類や蚊の繁殖場所にもなる。

本開示は、坑井内の高流失域を封止するための新しいＬＣＭ、及び廃タイヤからＬＣＭを製造する新しい方法について述べる。高流失域を封止するために、ＬＣＭは、掘削流体と共に高圧下で坑井内へ圧送される。圧力の大きさは、圧縮された状態にあるＬＣＭの粒子を、坑井の壁内にある孔部及び割れ目へ強制的に入り込ませるのに十分なものである。圧力がなくなると、ＬＣＭ粒子は膨張し、割れ目を恒久的に封止する。ＬＣＭは、使用済みのタイヤ、たとえば自動車タイヤを回収して、これを細断することによって製造される。本願は自動車タイヤについて言及するが、自動二輪車、トラック、トレーラ、トラクタ、及び航空機のタイヤも、その他のタイヤ付車両のタイヤも、同様にタイヤ源として使うことができる。タイヤは細断され、繊維と金属線が取り除かれ、さらに、所望の粒子サイズに粉砕される。

図１は、本開示の各態様で利用できる例示の方法１００を示すフローチャートである。ステップ１０２では、自動車を運ぶ（ｃａｒｒｙ、担う）には適さない自動車タイヤを取得する。たとえば、このタイヤは、パンク修理ができなかったり、接地面が摩耗していたり、自動車での使用を妨げる他の欠陥があったりするものである。自動車タイヤを取得した後、その自動車タイヤのクリーニングを行って汚染物質及び不純物を除去することができる。クリーニングとしては、洗剤や脱脂剤によるタイヤ洗浄、又は、他の公知のクリーニング方法によるタイヤ洗浄を行うことができる。実施によっては、廃タイヤを水洗い及びこすり洗いすることができる。実施によっては、エアブロー、温水洗浄、又は両方の組み合わせ、によって廃タイヤのクリーニングを行うことができる。エアブローを用いる実施では、高圧エア流により、廃タイヤの表面から汚染物質を吹き飛ばす。

ステップ１０４では、取得した自動車タイヤから、大きさが約１００ｍｍから１，０００ｍｍのタイヤ片を形成する。タイヤ片を形成するステップには、クリーニングが行われた自動車タイヤを細断してタイヤチップを形成するステップを含むことができる。実施によっては、２軸シュレッダ又は４軸せん断シュレッダなどの産業用廃タイヤシュレッダでタイヤを細断できる。実施によっては、タイヤ片をさらに粒状化してタイヤチップにすることもできる。実施によっては、少なくともいくつかのタイヤ片は、少なくともいくつかのタイヤチップよりも大きい。すなわち、タイヤ片をタイヤチップの大きさまで小さくすることにより、タイヤ片はさらに細かくなる。細かくしたタイヤチップの大きさは、２５０μｍから５ｍｍの範囲である。所望の大きさのタイヤチップを生産できる適切な任意の粉砕装置を用いることができる。タイヤチップを粒状化するステップは、自動車タイヤからスチールベルト（ｓｔｅｅｌｂａｎｄ）と繊維とを除去するステップを含むことができる。スチールは、振動スクリーンを用いて、遠心分離を介して、比重分離を介して、又は他の任意の方法によって、磁気的に除去できる。繊維は、振動スクリーン、風力分級機、又は他の任意のフィルタによる方法によって除去できる。細粒化した最終品を、ＬＣＭとして掘削作業に利用できる。

ステップ１０６では、タイヤチップを、所定量の坑井キャリア流体と混合して混合物を形成する。たとえば、所定量の坑井キャリア流体は、水、ベントナイト、ソーダ灰、水酸化ナトリウム、又は他の坑井流体添加物を含むことができる。掘削流体に添加できるＬＣＭの量の範囲は、掘削流体の圧送に悪影響を与えることがないように、５ｐｐｂ（質量）から５０ｐｐｂ（質量）とすることができる。実施によっては、流体１バレル当たり３０ポンド未満のＬＣＭを含む掘削流体の場合、流体の重量に対して、ＬＣＭの影響は無視できる程度である。実施の形態によっては、ＬＣＭの浮力を中立状態にさせることができる。ＬＣＭは、坑井内の乱流により、少なくとも部分的に、掘削流体中で浮遊状態を維持できる。

ステップ１０８では、流体とタイヤチップとの混合物が、坑井掘削作業中に逸泥防止剤として用いられる。坑井掘削作業中に混合物を逸泥防止剤として用いるステップは、坑井掘削作業中に掘削されている坑井に混合物を流し込むステップを含むことができる。タイヤチップは、坑井が掘削されている地層の逸泥域を少なくとも部分的に封止できる。すなわち、ＬＣＭ粒子（又はチップ）は、坑井の壁部の割れ目と孔部内に留まって、坑井から地層への流体の流れを少なくとも部分的に阻止することができる。ＬＣＭ混合物を、坑井内で連続循環させることができる、又は、ピル（ｐｉｌｌ）を用い、まとめて射出することもできる。高流失域が減って掘削作業を十分に継続できるようになるまで、ＬＣＭ混合物を循環させることができる。坑井から圧力が除去されても、ＬＣＭ粒子はその場に留まり、貯留層から地層の高流失域への流体の流入を少なくとも部分的に阻止し続けることができる。ＬＣＭ粒子は、坑井内の圧力が低下してから膨張して元のサイズに戻ることにより、その場に留まる。膨張したＬＣＭ粒子は、入り込んだ孔部や割れ目に留まる。膨張量及び圧力の詳細については、本開示において、後で詳細に述べる。

特定のＬＣＭについての詳細な試験を実験室で行った。いくつかの例では、本開示で論ずるタイヤベースのＬＣＭを、市販製品と比較する。試験については、以下の例でさらに詳細に述べる。

実験の構成
体積圧縮性と弾性のある廃タイヤ粒子が弾性のある廃タイヤ粒子の大きさの半分の大きさの隙間に割り込む能力との定性的評価を、５００ポンド毎平方インチのゲージ圧（ｐｓｉｇ）の下で行った。この試験では、大きさ２ｍｍの割れ目を模した、２ｍｍの溝付きのディスクを使用した。キャリア流体としてベントナイト液を使用して、隙間を模した試験用ディスクの１ｍｍの溝へ２ｍｍのタイヤ粒子が割り込む能力を試験した。５００ｐｓｉｇの圧力をかけた直後から、すべてのベントナイト液が２ｍｍのタイヤ粒子と共にディスクの１ｍｍの溝へ徐々に割り込んだ。これは、５００ｐｓｉｇの割り込み圧力における、廃タイヤ粒子の大きさよりも小さい溝を通過するための弾性のあるタイヤ粒子の体積圧縮性を実証するものである。

廃タイヤ粒子が圧力の作用の下で収縮し、圧力が解放された後に、又は圧力がかからなくなった後に、膨張して元の大きさに戻る能力は、その弾性特性又は反発特性を示し、弾性のある市販ＬＣＭ製品の実現可能な代替品としての適性を示す。こうした結果については、本開示において後述する。弾性のあるこのタイヤ粒子の特性により、これらタイヤ粒子は、変化する差圧、その場の応力、地質活動、及び稼働状態の中で、掘削及びセメンチング中の流体全体の流失を効果的に抑制する適切な対応を保証する。タイヤ粒子の優れた伸縮性、延性、及び弾性は、タイヤ粒子の大きさを即時に調整して隙間及び割れ目にきっちりと嵌め込ませ、隙間及び割れ目から飛び出したり外れたりすることを防ぐ。優れた伸縮性、体積圧縮性、形状適合性、及び反発性を持つ、廃タイヤベースの弾性ＬＣＭの柔軟な物理的及び機械的性質は、それらの形状及び大きさを容易に調整して、さまざまな大きさの岩石の孔部及び割れ目を埋めることを可能にする。

歪みエネルギー法、すなわち、荷重がかけられている間に吸収される最大エネルギーと、かけられた荷重を解除した後に解放される最大エネルギーとを計測する方法を用いて、弾性係数を計算した。

適切な量の廃タイヤ粒子を用いて、直径４．４センチメートル（ｃｍ）の円筒形の試験セル中で、高さ４．５ｃｍの円筒形サンプルを作った。廃タイヤ粒子を試験セルに入れた後、それを手で振って振動させて粒子を密集させ、試験セルの中で高さ４．５ｃｍの円筒形のサンプルを形成した。オペレーティングソフトウェアを有する荷重試験機を使用して、さまざまな歪みの比率でサンプルを圧縮し、歪ませるのに必要な荷重、戴荷時の吸収される歪みエネルギー、及び除荷時の解放される歪みエネルギーを測定し、材料の弾性係数を計算した。試験の戴荷段階及び除荷段階で用いた負荷速度は０．５ｍｍ／秒であった。

実験の結果
図２Ａに、タイヤ粒子の歪みの割合（ｘ軸）に対する関数としてのタイヤ粒子の弾性係数（ｙ軸）を示す。このデータは、２０％から５０％の範囲のさまざまな歪みの割合における、廃タイヤ粒子の弾性的挙動を示す。さらに、このデータは、廃タイヤベースのＬＣＭの弾性的挙動が、歪みの割合の増加に伴って増加することを示している。この考察の重要性は、粒子が、歪みの割合の増加に伴ってより大きな歪みエネルギーを吸収し、それに作用する荷重が取り除かれるとより多くの歪みエネルギーを放出することにある。したがって、より大きな割り込みの圧力又はブルヘッディング（ｂｕｌｌ−ｈｅａｄｉｎｇ）の圧力によって流失域に形成された封止物及び詰め物は、割り込み圧力又はブルヘッディング圧力が解除されるときに、より多くの歪みエネルギーを放出することによって、封止及び塞ぎ能力を維持する。対照的に、市販の、グラファイトベースの弾性ＬＣＭは、サンプルの歪みが１０％のとき、４７％の弾性係数を示した。ただし、１０％の歪みに必要な荷重は約６０キログラム重（ｋｇｆ）である。これは、市販の弾性ＬＣＭの圧縮性が低下し、弾性特性が低下したことを示す。この考察に基づいて、廃タイヤベースの粒子状ＬＣＭは、市販の弾性ＬＣＭの実現可能な代替品となる。図２Ｂに、弾性限界未満の力で廃タイヤ粒子を圧縮するために加えられた圧縮荷重の関数としての、タイヤベースのＬＣＭの弾性係数を示す。このデータは、１０ｋｇｆを下回る圧縮荷重においても、廃タイヤ粒子の優れた弾性的挙動を明確に示している。さらに、このデータは、廃タイヤベースのＬＣＭの弾性的挙動が、圧縮荷重の増加に伴って増加することを示す。この考察の掘削工学的な重要性は、圧力及び応力が材料の弾性限界を超えないことを条件に、粒子は、割り込み圧力又はブルヘッディング圧力の増加に伴って、より小さな隙間に割り込むことができるようになること、そして、反対にその場における応力及び圧力が減少する場合には、元のサイズに戻ることにある。図２Ｂによると、廃タイヤベース品は、１０ｋｇｆの圧縮荷重でも約４０％の弾性係数であり、約６０ｋｇｆの圧縮荷重では約５０％の弾性係数であることを示す。対照的に、市販の弾性ＬＣＭは、サンプルに１０％の歪みを生ずるための約６０ｋｇｆの圧縮荷重に対して、約４７％の弾性係数を示した。これは、タイヤベースのＬＣＭが、掘削中の循環の流失を抑制するための他の市販の弾性ＬＣＭ品に対する、より優れた実行可能な代替品であることを示す。したがって、廃タイヤベースの弾性ＬＣＭを市販の弾性ＬＣＭの代替品として用いて、ピル又は流失抑制スラリーを形成する弾性のある封止物及び詰め物を設計することができる。

図３は、本開示のいくつかの実施に係る、地層４０４内に位置する高流失域４０２を掘削する坑井掘削システム４００の一例の側面図及び上面図を示す。図示のように、坑井循環システムは、坑井４０６の噴出防止装置及び坑口４１８を通して掘削ストリング４０８の重量を支える掘削やぐら（ｄｅｒｒｉｃｋ）４１６を含む。掘削やぐら４１６は、掘削ストリング４０８を坑井４０６内に選択的に配置することもできる。掘削ストリング４０８は、地層４０４へ坑井４０６を掘削する掘削ビット４１０に接続されたダウンホール端を有する。掘削及び坑井堀り屑４２９を除去できるようにするために、循環ポンプ４３４によって、掘削流体４１４を、坑井４０６を通して循環させる。循環ポンプ４３４の吸込口は、第１のパイプ４２６を介して泥水ピット４２４に接続され、循環ポンプ４３４の吐出口は、第２のパイプ４５０を介してドリルストリング４０８の上端に接続される。噴出防止装置４１８は、第３のパイプ４２０を介してスクリーン４２２及びシェーカーテーブル４２１に接続されている。泥水ピット４２４は、スクリーン４２２及びシェーカーテーブル４２１に接続され、循環流体４１４を受け入れる。

先に述べたように、循環流体４１４は、タイヤベースのＬＣＭ粒子４２８を循環させることができる。循環中、流体４１４は泥水ピット４２４から汲み上げられ、第１のパイプ４２６を通って循環ポンプ４３４の吸込部に流れる。次に、循環ポンプ４３４は、流体４１４を、第２のパイプ４５０を通して吐出口から掘削ストリングの上端部へ圧送する。掘削ストリングは、坑口及び噴出防止装置４１８を通り、掘削ビット４１０を通って坑井４０６に入る。掘削ビット４１０を出た後、流体４１４及びＬＣＭ粒子４２８は、掘り屑４２９及びＬＣＭ粒子４２８を運びながら、坑井のアニュラス（環状隙間）を通って坑口に向かって流れる。流体４１４がアニュラスを通って流れるときに、流体４１４に増加圧力をかけて循環させることによって、ＬＣＭ粒子４２８を坑井４０６の高流失区域４０２に位置する孔部及び割れ目に流れ込むようにすることができる。この増加圧力は、ＬＣＭ粒子４２８を高流失域４０２へ押し込むのに十分な圧力である。ＬＣＭ粒子４２８は、高流失域４０２内の孔部及び割れ目の内側に留まるように、いったんアニュラスの圧力が解除されれば膨張することができる。流体４１４及び余剰なＬＣＭ粒子４２８は、噴出防止装置４１８を通って泥水ピット４２４へ流れる。実施によっては、泥水ピット４２４は、流体４１４から掘り屑４２９を除去するためのスクリーン又はシェーカーテーブルを含むことができる。余剰なＬＣＭ粒子４２８は、掘削作業を継続するために、高流失域４０２が十分に塞がれるまで再循環させることができる。図示の実施は垂直坑井を示しているが、本開示の原理は、傾斜坑井又は水平坑井にも同様に適用できる。

以上、本主題の特定の実施について述べた。他の実施も、以下の特許請求の範囲に含まれる。

４００坑井循環システム
４０２高流失域
４０４地層
４０６坑井
４１４流体
４２８ＬＣＭ粒子
４２９掘り屑
４３４循環ポンプ

Claims

自動車を運ぶには適さない自動車タイヤを取得するステップと；
前記取得した自動車タイヤから複数のタイヤチップを形成するステップと；
前記複数のタイヤチップを、所定量の坑井キャリア流体と混合して混合物を形成するステップと；
前記混合物を、坑井掘削作業中の逸泥防止剤として用いるステップと；を備える、
方法。
前記混合物を、前記坑井掘削作業中の逸泥防止剤として用いるステップは、前記坑井掘削作業中に、前記混合物を掘削中の坑井に流し込むステップであって、前記複数のタイヤチップは、坑井が掘削されている地層中の逸泥域を少なくとも部分的に封止する、ステップを備える、
請求項１に記載の方法。
前記所定量の坑井キャリア流体は、水、ベントナイト、ソーダ灰、又は水酸化ナトリウムを備える、
請求項１に記載の方法。
前記自動車タイヤを取得するステップの後、前記取得した自動車タイヤをクリーニングするステップをさらに備える、
請求項１に記載の方法。
前記複数のタイヤチップを形成するステップは、前記クリーニングがなされた自動車タイヤを細断して複数のタイヤチップを形成するステップであって、前記複数のタイヤチップの少なくとも一部は、前記複数のタイヤチップの少なくとも一部より大きい、ステップを備える、
請求項４に記載の方法。
前記複数のタイヤチップを前記複数のタイヤチップに粒状化するステップをさらに備える、
請求項５に記載の方法。
前記複数のタイヤチップを粒状化するステップは、前記自動車タイヤ中のスチール及び繊維を除去するステップを備える、
請求項６に記載の方法。
前記スチールは磁気的に除去される、
請求項７に記載の方法。
前記繊維を、振動式スクリーンと風力分級機との組み合わせを用いて除去する、
請求項７に記載の方法。