NO135940B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår vandige, kalkholdige borevæsker til bruk ved boring av brønner i underjordiske formasjoner, hvilke borevæsker inneholder et additiv for reduksjon av gelstyrkene og flytegrensene for borevæskene som er mettet med kalsiumhydroksyd.

Borevæsker eller boreslam som de noen ganger kalles,

er oppslemminger av leireaktige faststoffer som benyttes ved bor-

ing av brønner i jorden slik de bores for tapping av underjordiske reservoirer av petroleum, gass og andre fluide stoffer. Bore-

væsker har et antall funksjoner, og den viktigste er fjerning av utboret masse fra brønnen, avtetting av permeable formasjoner med henblikk på gass, olje.eller .vann som kan forefinnes på for-skjellige nivåer etterhvert som brønnen bores inn i den underjordiske formasjon, avkjøling og smøring av boreverktøyet og bore-

røret som bærer verktøyet, og å holde utboret materiale i suspen-sjon i tilfelle borestopp og pumping av borevæske.

En ideell borevæske er et tiksotropt fluid, dvs.

et fluid hvis viskositet reduseres etterhvert som graden av agitering eller skjærkraftpåvirkning økes. Ved boring av brønner ved bruk av borevæsker forårsakes agitering eller skjærkraftpåvirkning ved pumping eller annen sirkulering av borevæsken gjen-

nom borestrengen. Når agiteringen eller skjærkraftpåvirkningen som forårsakes av sirkulering bringes til en stans, danner fluidet en gelstruktur som vil holde fast avskåret materiale og forhindre at dette faller ned i bunnen av hullet. Hastigheten for geldannelsen må være slik at utboret materiale kun faller et kort stykke før gelstrukturen er tilstrekkelig sterk til å holde det fast. Det er viktig å holde graden av geldannelse og hastigheten for denne innen snevre grenser, fordi overdreven geldannelse

vil være ugunstig for gjenopptak av boringen og vil også ha en tendens til å holde fast gass i borevæsken. Fastholding av gass i borevæsken fører til en vesentlig reduksjon av tettheten i borevæsken, noe som kan være ugunstig for fortsatt sikker boring av brønnen, spesielt hvis man må regne med høytrykksformasjoner. Hvis geldannelseshastigheten og gelstyrken er under det ønskede området, vil utboret materiale og andre faste stoffer slik som egenvektsforøkende stoffer falle til bunnen av hullet, noe som resulterer i gjentetting av borerøret.

Spesielle borefluider benyttes i visse geografiske områder der brønnen må trenge gjennom formasjoner kjent som "kast-eller slamlag". En vandig borevæske inneholdende overskudd av kalsiumhydroksyd og andre vannoppløselige talkumsalter og med en på forhånd fastsatt alkalitet er beskrevet i US-patént nr. 2.802. 783, og denne borevæske har vært meget vellykket for boring i "mud making" kastlag slik de foreligger i området ved kysten av den Mexikanske Gulf. En vesentlig forskjellig vandig borevæske for regulering av en annen type kastlag er beskrevet i den ålment tilgjengelige norske patentsøknad nr. 4455/73, en borevæske som med hell har vært benyttet for boring av "Illitic", et "non-mud making" kastlag slik det foreligger i området Delaware Basin i Vest-Texas og New Mexico, spesielt området Pennsylvania-Missis-sippi. Denne sistnevnte borevæske, en borevæske med lavt fast-stoff innhold, er også mettet med henblikk på kalsiumhydroksyd og har i tillegg overskytende eller uoppløste kalsiumhydroksyd i dispergert form. Den er ellers heller forskjellig fra det først-nevnte slam idet at den foreligger i form av et høyt flokulert system som karakteriseres ved at API-vanntap på over 100 cm^, et forhold mellom flytepunkt og plastisk viskositet på mindre enn 1 og hår videre en høy toleranse for natriumklorid, noe som sogar tillater bruken av mettet natriumkloridsaltoppløsning for frem-stilling av borevæsken.

De fleste borevæsker, inkludert den først beskrevne lagkontrollerende borevæske, reagerer på vanlige dispergeringsmidler eller fortynnere hva angår gelstyrkene og flytepunktene. Dette er ikke tilfelle når det gjelder borevæsken med lavt fast-stoff innhold som er beskrevet i den ovenfor angitte norske søknad nr. 4455/73> spesielt når denne væske mettes med både kalsium-hydroksyd og natriumklorid-. Således er det et vesentlig behov for et additiv for bruk i en vandig borevæske, hvilken er mettet med henblikk på kalsiumhydroksyd og som også kan være mettet med henblikk på natriumklorid, hvilket additiv er istand til å redusere gelstyrkene og flytegrensene for slike borevæsker til det ønskede kritiske driftsområde slik at hverken gassinnfanging eller fast-stoff sedimentering inntrer.

Gelstyrken og flytegrensen for en vandig borevæske som er mettet med henblikk på kalsiumhydroksyd og som kan inneholde overskudd av eller uoppløst kalsiumhydroksyd og som videre kan være mettet med henblikk på natriumklorid, reduseres ifølge oppfinnelsen effektivt ved behandling av borevæsken med hydrolyserte ceralfaststof f er bestående av frå 15-25 vekt-% disakkarider, trisakkarider, tetrasakkarider og pentasakkarider, og fra 75-85 vekt-$ heksasakkarider og høyere sakkarider. Fra omkring 0,357 til omkring 22,82 kg av dette materiale pr. nr borevæske kan benyttes, og helst fra 1,43-8.56 kg av materialet pr. m^ borevæske, da dette gir en ønskelig reduksjon av gelstyrken og flytegrensen.

Det nye additiv kan være et næringsmiddeladditiv hvis karbohydratsammensetning er gitt i tabell 1 nedenfor:

Dette materiale er tilgjengelig under betegnelsen "MORREX". Materialet er tilgjengelig i granulær form for bruk i næringsmiddelprodukter som et massegivende næringsmiddel. Det er tilgjengelig generelt med omkring 5% fuktighet og har en pH-verdi på fra 4,5-5,5..

Den type vandige borevæsker for hvilke dette additiv spesielt er ønsket.i den hensikt å redusere gelstyrkene og flytegrensene, er vandige borevæsker med oppløst kalsiumhydroksyd eller kalk, spesielt de som har en vandig fase som er mettet med henblikk på kalsiumhydroksyd og som inneholder overskytende uoppløst kalsiumhydroksyd. De kastlagkontrollerende borevæsker og borevæskene med lavt faststoffinnhold for hvilke dette additiv har vist seg spesielt brukbart, har en vandig fase som er mettet med henblikk på kalsiumhydroksyd og det foreligger også uoppløst kalsiumhydroksyd dispergert i borevæsken. Borevæsker med lavt faststoffinnhold, for hvilken additivet opprinnelig ble utviklet og i hvilket det er spesielt egnet for bruk er karakterisert ved at den har et nivå for oppløselig kalsium i filtratet på over 200 og helst over 1000 ppm, og en alkalitet i filtratet på over 0,5 ml og 0,02 N svovelsyre pr. ml filtrat. Hele borevæsken har altså typisk minst 2,853 kg/m^ overskytende uoppløst kalsiumhydroksyd. Borevæskens reologi karakteriseres ved forholdet mellom plastisk viskositet og flytegrense, hvilket ikke er større enn 1 og videre en uvanlig høy API-filtreringshastighet i området 100 ml eller mer. Gelstyrkene for slike væsker, spesielt borevæsker med lavt faststoffinnhold, er ikke unormalt stor, og det er ikke uvanlig å bore et relativt langt hullsegment ved bruk av borevæske med lavt faststoffinnhold og å holde den ønskede reologiske egenskap uten bruk av noe ytterligere dispergeringsmiddel eller fortynnings-middel. Vanligvis benyttes vann for å regulere den plastiske viskositet og flytegrensen, og når disse parametre holdes innen de på forhånd bestemte områder, ligger gelstyrkene innen et ønsket område. Det oppstår imidlertid problemer på flere måter når brønnen bores gjennom heller lange intervaller. Etter at bore-driften har vært fortsatt i lengre tidsrom, blir en betydelig mengde faststoffer fra formasjonene som gjennombores, dispergert i borevæsken. Selvom montmorillonitiske typer av leirer ikke flyter i den sterkt kjemikaliserte vandige fase av borevæsken med lavt faststoffinnehold, dispergeres de deri og har en tendens til å øke den plastiske viskositet og flytepunktet. Tilsetning av vann vil vanligvis redusere den plastiske viskositet og flytepunktene. Hvis egenvektsøkende stoffer slik som barytt er tilsatt til borevæsken for å øke tettheten eller slamvekten, kan imidlertid vanntilsetning bli heller dyr på grunn av nødvendigheten av tilsetning av ytterligere egenvektsforøkende stoffer; derfor må man ty til visse typer kjemiske dispergeringsmidler. Den øvre grense for tolererbar gelstyrke bestemmes ved tendensen for luft og andre gasser til å bli dispergert og innfanget i borevæsken. Innfangning av luft og andre gasser i borevæske gir et fnugg-aktig stoff med uønskede egenskaper og forårsaker også et sterkt tap i tettheten eller slamvekten i borevæsken. Det optimale området for gelstyrker for en borevæske med lavt faststoffinnhold bestemmes prinsipielt ved borevæskens spesifike vekt (slamvekt). For en borevæske med en spesifikk vekt på 1198,2 kg/m^ eller

2 10

mindre, er de optimale gelstyrker fra 0 -0 opprinnelig og fra

2 40

0-0 10 minutter.

Konsentrasjonen av hydrolyserte ceralfaststoffer som er nødvendig for å redusere gelstyrken i en borevæske til det ønskede området vil være avhengig av den opprinnelige gelstyrken i væsken såvel som andre faktorer. Generelt er det å foretrekke på forhånd å undersøke reaksjonen for å bestemme den optimale konsentrasjon. Meget små justeringer kan kreve helt ned til 0,357 kg hydrolyserte ceralfaststoffer pr. m^ borevæske og i ekstreme tilfelle kan det være nødvendig med opptil 22,82 kg/m^. Generelt vil den ønskede reduksjon i gelstyrken oppnås ved bruk

av fra omkring 1,43 til omkring 8,56 kg hydrolyserte ceralfaststoffer pr. m borevæske.

Det er vanlig praksis for fagfolk å måle gelstyrken ved bruk av et "shearometer"-rør. En målt mengde borevæske an-bringes i en beholder og rystes, og "shearometer"-røret slippes i borevæsken umiddelbart etter at omrystingen eller en annen om-røring er avsluttet. Hvis "shearometer"-røret synker kun et stykke ned i borevæsken i beholderen i løpet av 60 sekunder, fjer-nes røret og dybden som røret har treng gjennom måles. Borevæsken tillates å stå uten ytterligere omrøring i 10 minutter, og forsøket gjentas. Hvis "shearometer"-røret igjen synker kun et stykke mot bunnen av beholderen, måles dybden igjen. Hvis "shear.o-meteret" synker 3 cm i den prøve som ble gjennomført umiddelbart etter omrøring, og det synker 5 cm etter at borevæsken har stått uten omrøring i 10 minutter, antydes gelstyrken som 3-5-

Hvis på den annen side "shearometer"-røret synker til bunnen av beholderen i løpet av mindre enn 60 sekunder, noteres tiden som er nødvendig for at "shearometeret" skal synke helt til bunns. Hvis røret synker til bunnen i beholderen i løpet av 15 sekunder, antydes gelstyrken som 0 15. Hvis således "shearometer"-røret ved måling av en gelstyrke i en borevæske sank til bunnen av beholderen i løpet av 10 sekunder i den prøve som ble gjennom-ført umiddelbart etter omrøring og det sank til bunns i løpet av 30 sekunder etter at borevæsken hadde stått uten ytterligere om-røring i 10 minutter, angis gelstyrken som O^^-O .

Det hydrolyserte ceralfaststoffadditiv ble prøvet

i et boreslam med lavt faststoffinnhold, og de oppnådde data finnes i tabell 2 nedenfor. For sammenligningens skyld ble det samme slam behandlet med de samme konsentrasjoner av to kommersielt tilgjengelige borevæskedispergeringsmidler og de resulterende reologiske egenskaper er også angitt i tabellen. Slik det fremgår av de i tabell 2 angitte data var det hydrolyserte ceralfaststoff meget effektivt som reduksjonsmiddel for gelstyrken-og kun 5,7 kg/ m 2 reduserte effektivt gelstyrken fra 5,7-4,8 til 0 1 -0 2. Ingen av- de kommersielt tilgjengelige stoffer viste en tilstrekkelig ytelse ved et nivå på 5,7 kg/m^. Bruken av 11,31 kg/rn^ av de hydrolyserte ceralfaststoffer resulterte i et O^-O<1> gel, noe som antyder at det ikke forelå noen tendens til overbelastning. 11,4l kg/m av de kommersielt tilgjengelige dispergeringsmidler kunne redusere gelstyrken i slammet til 0 1 -0 2.

FG 2 = flytegrense, beregnet ved å trekke fra avlesingen på viskosimeteret ved 300 omdr./min. fra verdien ved flytepunktet.

TV^ = tilsynelatende viskositet, beregnet ved å dividere avled-ningen på viskosimeteret ved 600 omdr./min. med 2.

Resultatene i tabell 2 er overraskende av flere grunner. De to dispergeringsmidler som ble brukt er begge.ut-, merkéde stoffer, usedvanlig effektive for dispergering av kalsiumholdige borevæsker, og det skulle ventes at de ville virke mere tilfredsstillende i denne borevæske. Kalsiumlignosulfonatet som ble benyttet er "Kembreak" og ferrokromlignosulfonat var "Q-broxin". Begge stoffer benyttes vanligvis i kalsiumholdige borevæsker, men de var relativt lite effektive til å redusere den plastiske viskositet eller gelstyrken for boreslammet med lavt faststoffinnhold i denne prøve. Videre har karbohydratstoffer, spesielt på forhånd forhydrolisert stivelse, kjent additiv for borevæsker og generelt brukt for å redusere filtreringshastig-heten eller vanntapet i borevæsker, generelt en tendens til å

øke istedenfor å redusere gelstyrken, og forårsaker videre generelt en økning i den plastiske viskositet. Akkurat det motsatte ble bemerket ved dette forsøk for hvilket de oppnådde data er angitt i tabell 2, og stoffet ser ut til å være et meget utmerket dispergeringsmiddel for den flokkulerte borevæske med lavt faststoffinnhold som ble benyttet i disse forsøk.

For å bestemme anvendbarheten av additivet ifølge oppfinnelsen på andre typer, borevæsker ble det gjennomført prøver på en borevæske med lav pH-verdi og et sjøvannslam. Slik det fremgår av tabell 3, var det hydrolyserte ceralfast stoff relativt lite effektivt for reduksjon av gelstyrken både ved boreslam med lav pH-verdi og for et sjøvannslam. Således har stoffet en spesifik anvendelse på systemer som inneholder kalsiumhydroksyd eller kalk.

Slik det fremgår av de data som finnes i tabell 3 var det nye additiv ifølge oppfinnelsen relativt lite effektivt for å forbedre de reologiske egenskaper i en borevæske med lav pH-verdi, mens det konvensjonelle ferro-krom-lignosulfonat ga utmerkede reologiske egenskaper; videre var materialet ifølge oppfinnelsen helt uéffektivt for å forbedre de reologiske egenskaper i sjøvannsslam.

Således bekrefter de ovenfor angitte data at de hydrolyserte cereal-faststoffer ifølge oppfinnelsen er meget effektive for å redusere flytegrensen og gelstyrken for en vandig borevæske som er mettet med og som inneholder overskudd av uoppløst kalsium-hydroksyd mens den er helt ueffektiv for en mere konvensjonell borevæske med lav pH-verdi. Dette er témmelig uventet fordi de fleste av de dispergeringsmidler som virker i omgivelser med høyt kalsiuminnhold slik som en borevæske mettet med kalk også vil gi en tilfredsstillende ytelse i væsker med lav pH-verdi (selv om det omvendte ikke nødvendigvis er tilfelle). På samme måte vil de hydrolyserte cereal-faststoffer ifølge oppfinnelsen ikke bevirke reduksjon av flytegrensen eller de reologiske egenskaper i sjøvannsslam slik som vist under 13 og 14 i tabell 3. Fordi sjøvannsslam er sterkt flokulerte slam på samme måte som borevæskene med lav pH-verdi er dette også et noe uventet resultat. Det gode resultat som oppnås ved behandling med de hydrolyserte cereal-faststoffer ifølge oppfinnelsen er således begrenset til vandige borevæsker som inneholder kalsiumhydroksyd.

Basert på de resultater som ble oppnådd i de ovenfor angitte laboratorieforsøk ble det gjennomført feltforsøk med en borevæske med lavt faststoffinnhold som ble benyttet for å bore "Moise Cerf(NCT)l" brønn nr. 1 i Peco County, Texas, USA. Denne prøve ble startet i løpet av boring på omkring 4.880 m dyp, noe som tilsvarte boring i sement. Forhåndsprøver ble gjennomført ved bruk av basisborevæsken med lavt faststoffinnhold som ble benyttet i topphullseksjonen i borehullet på "et tidspunkt umiddelbart før påbegynnelse av prøven, og de oppnådde behandlingsdata er angitt i tabell 4 nedenfor.

Henvisninger: Se tabell 2.

Slik det fremgår reduseres gelstyrkene meget effektivt

ved bare 2,85 kg/-^ hydrolyserte cereal-faststof f er og de ble redusert til meget lave nivåer ved bruk av 5j7 og 8,56 kg/m^ cereral faststoffer. Gelreduksjonen var så ekstrem ved 5*7 og 8,56 kg/m^ cereal faststoffer at barytten som på forhånd var tilsatt til borevæsken for å øke den spesifike vekt hadde en tendens til sedimentasjon på bunnen av beholderen. Mens 3_6 gelavlesninger er for høye og har en tendens til å forårsake gassinnfangning, er 0<1->0<1> gelavlesninger for lave. Det ble antatt at 0 3 -(K 5 gelavlesnmg omtrent skulle tilsvare optimum, og således ble feltforsøket gjennomført ved bruk av 2,85 kg/m^ hydrolyserte cereal-faststoffer. ;Behandlingen ble foretatt under den antagelse at det totale volum av borevæske som ble benyttet på tidspunktet for boringen av brønnen var omtrent 238.485 liter, og det ble benyttet 479 s 5 kg hydra-tiserte cereal-fa*ststof f er. 2,853 kg/m^ væske ble tilsatt til borevæsken i løpet av en fullført sirkulering, noe som krever tilsetning av hydrolyserte cereal-faststoffer i en.hastighet på omtrent 22,65 kg (en sekk) hvert 30. minutt. Trakteviskositet <p>g "Fann VG Meter" mål-inger ble foretatt og notert under behandlingsperioden både på borevæsken som kom tilbake, fra brønnen og også på slam som var behandlet og som ble pumpet tilbake til brønnen. Utvalgte typiske resultater er angitt i tabell 5-

Henvisninger: Se tabell 2..

Forsøk 19 representerer typiske verdier før behandlingen ble påbegynt. Slik det fremgår ble gelstyrkene redusert til et ønsket område på 0-0 før pumping til brønnen selvom de kom tilbake med gel på 4-4 som var tilstrekkelig høyt til å forårsake gassinnfanging. Forsøk 20 gir de reologiske egenskaper for et slam som kom fra og som pumpes tilbake til brønnen flere timer etter at den totale behandling ble foretatt. Det fremgår derav at reolo-gien var stabilisert til det ønskede område og at gelstyrken for fluidet som kom tilbake fra brønnen i det vesentlige var tilsvar-ende gelstyrken for fluidet som ble pumpet inn i brønnen. Gel-styrkemålingen forble relativt konstant etter behandlingen, og det var ikke nødvendig med noen ytterligere supplerende behandling for fortsatt boring.

Således fremgår det at bruken av fra 0,357-22,82 kg/m^ og helst 1,43-8,56 kg/cm^ av hydrolyserte ceralfaststoffer bestående av omkring 80% eller mere heksasakkarider og ovenfor og omkring 20$ eller mindre di- til pentasakkarid effektivt vil redusere flytegrensen og gelstyrken for et sterkt flokkulert borevæskesystem med en vandig fase mettet med kalsiumhydroksyd også inneholdende et overskudd uoppløst kalsiumhydroksyd i dispergert form, hvilket boremiddelsystem viser liten reaksjon på kommersielt tilgjengelige dispergeringsmidler.

Claims (1)

1. Vandig borevæske med en flytende fase mettet med kalsiumhydroksyd, karakterisert ved at den som additiv for reduksjon av gelstyrken og flytegrensen inneholder fra 0,357-22,82 kg/m^ hydrolyserte ceralfaststoffer bestående av fra 15-25 vekt-% disakkarider, trisakkarider, tetrasakkarider og pentasakkarider, og fra 75-85 vekt-% heksasakkarider og høyere sakkarider.