NO171814B

NO171814B - Fremgangsmaate for testing av boreslam

Info

Publication number: NO171814B
Application number: NO881022A
Authority: NO
Inventors: Timothy Gareth John Jones; Trevor Hughes
Original assignee: Forex Neptune Sa
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1993-01-25
Also published as: EP0282231B1; DE3881913D1; NO881022D0; GB8705502D0; NO171814C; EP0282231A2; GB2202047A; IN170569B; EP0282231A3; US4904603A; DE3881913T2; CA1338437C; NO881022L

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for testing av boreoperasjonene og mer spesielt, borevæsken, som kalles boreslam, og borkaks for å identifisere forandringer i boreprosessen ved kontinuerlig å fastslå forandringer i den kjemiske sammensetningen av slammet. I en foretrukket utfø-relsesform gjelder oppfinnelsen anvendelsen av ione-kromato-grafi ved borestedet under boreoperasjoner for å analysere ionesammensetningen av boreslam (filtrat og/eller faststoffer) og/eller utborede faststoffer (borekaks). Metoden er tenkt anvendt både med vannbaserte slam og invert-emulsjonsslam, selv om i det sistnevnte tilfelle vanligvis bare den vandige fasen analyseres.

Ved den roterende boring av brønner, som f.eks. hydro-karbonbrønner, sirkuleres et slam kontinuerlig fra overflaten ned til bunnen av det hullet som bores og tilbake til overflaten igjen. Slammet har flere funksjoner, en av dem er å tran-sportere borekaks som er boret ut av borkronen opp til overflaten, hvor den separeres fra slammet. En annen funksjon er å pålegge et hydrostatisk trykk på veggene i borehullet for å unngå sammenfalling av borehullet og en innstrømming av gass eller væske fra de formasjonene som det bores i. Slammets egenskaper er derfor viktige å regulere og å holde innenfor visse grenser. F.eks. må densiteten være stor nok til å utøve et visst hydrostatisk trykk på formasjonene, men ikke for stort for å bryte disse formasjonene. Slammets viskositet er også en viktig egenskap, siden den medvirker til slammets evne til transport av borekaks. Vektmaterialet, f.eks. baritt, tilsettes til slammet for å få det til å utøve så stort trykk som nødvendig for å beherske formasjonstrykkene. Leire tilsettes til slammet for å holde borekaksen i suspensjon når det beveger seg oppover i hullet. Leiren kler også veggene i hullet. Dette tynne laget av leire, som kalles veggkake, gjør hullet stabilt slik at det ikke vil falle sammen eller løsne. En rekke kjemikalier er tilgjengelige for å gi slammet de nøyaktige egenskaper det behøver for å gjøre det så lett som mulig å bore hullet.

Å bibeholde stabiliteten i borehullet er én av hovedprob-

lemene som oppstår ved boring av olje- og gassbrønner. Det er observert på feltet at hull i skiferseksjoner ofte mister trykk, hvilket fører til at materialet løsner fra borehull-veggen. Dette materiale kan løsne fra veggen i form av store fragmenter ("cavings"), som kan fjernes av det oppad sirkulerende slammet, akkurat slik som borekaks blir. Dersom slammets hull-rensende ende er utilstrekkelig, samles "cavings" på avsatser og kan få borerøret til å sitte fast ved uttrekking av hullet. Nødvendigheten av å bore om igjen gjennom fyll som er samlet på bunnen av hullet under "tripper" er et annet resultat av denne prosessen. I alle tilfeller foregår det en gradvis oppbygging av dispergerte partikler i slammet, som er for fine til å fjernes av utstyret for faststoffkontroll. Dette kan forårsake en rekke sekundære problemer: Det økede faststoffinnholdet senker borehastigheten og, da utborede faststoffer danner en dårlig filterkake, kan problemer ved regulering av væsketapet forårsake fastklebing av borestrengen i permeabel sand, vanskelighet med å regulere slamvekten fører til tapt sirkulasjon og en ustabil reologi er ytterligere problemer av dette slag.

I noen tilfeller sveller skifer i kontakt med slammet på en slik måte at borehulldiameteren minsker. I slike tilfeller, som identifiseres i felten ved et behov for stadig "røm-ming", tetner borehullet rundt borestrengen, og det er igjen en øket risiko for fastkiling.

De forskjellige former for hullinstabilitet som er et resultat av reaksjoner mellom borevæsken og de underjordiske formasjonene som gjennomtrenges av borehullet, er relatert til hydratisering og dispergering av leiresedimenter.

Under boreprosessen forandres boreslammets ionesammensetning fra dets opprinnelige sammensetning. Disse forandringer i sammensetning er delvis et mål på prosessene nede i hullet, som kan kalles slam-fjell-reaksjoner. Et viktig eksempel på slam-fjell-reaksjoner er ioneveksling mellom kationer i slammet og i skiferformasjoner. I vanlig borepraksis overvåkeses ikke ionesammensetningen av slammet, slik at graden av disse reaksjoner ikke kan bestemmes og sammensetningen av boreslam-

met kan ikke bibeholdes nøyaktig.

En unntakelse er festingen av mengden av kaliumioner i boreslam på borestedet. Kaliumsalter tilsettes vanligvis til slam for å danne inhiberende, vann-baserte borevæsker for å stabilisere skiferseksjoner ved hjelp av en fremgangsmåte som antas å være kationveksling. Det er derfor kjent at kaliumioner fjernes fra slammet under boringen av skiferseksjoner. Den metode som er anbefalt av American Petroleum Institute (API RP 13B, 1980) for kaliumanalyse omfatter måling av høyden av et sentrifugert sediment som er oppnådd ved utfelling av kalium fra filtratet som kaliumperklorat. I en annen fremgangsmåte utfelles kalium ved bruk av et kjent overskudd av natriumtetrafenylbor. Det natriumsalt som blir igjen etter at kaliumsaltet er utfelt, bestemmes så ved titrering med et kvaternært ammoniumsalt. US patent 4.546.252 beskriver en fremgangsmåte for kaliumbestemmelse basert på måling av konsentrasjonen av den naturlig forekommende, radioaktive K<*>°-isotopen med bruk av en gamme-strålingsdetektor.

De ovennevnte fremgangsmåtene gir antagelig et adekvat mål på konsentrasjonen av kaliumioner i slamsystemet. Det forekommer imidlertid ingen sammenlignbar informasjon om konsentrasjonen av andre ioner i slamsystemet. Det vil generelt ikke være mulig å tolke prosesser nede i hullet basert på forandringer i konsentrasjonen av bare ett ion. Andre kationer som f.eks. kalsium kan dessuten anvendes for å danne inhiberende slamsystemer, og deres mengde i slamsystemet skal bibeholdes. I tillegg bør mengden av toksiske kjemikalier fra slamsystemer som uttømmes i omgivelsene reguleres. Avgitte konsentrasjoner er imidlertid ikke nøyaktig kjent.

I US patent 4.507.210 er det beskrevet en fremgangsmåte for fremstilling av et vandig boreslam for å minske svelling og dispergering av underjordiske formasjoner som kommer i kontakt med slammet. Denne fremgangsmåten er basert på en filtreringsmetode.

I US patent 4.3 06.879 fremstilles en logg ved å analysere de kjemiske elementene som finnes i returborevæsken under boring av en geotermisk brønn for hver 10 eller 20 meter, og avsetning av deres konsentrasjoner i forhold til boredybden. De kjemiske elementene som analyseres er de metaller som finnes i de fluider som inneholdes i vannreservoaret under trykk. Loggen er anvendbar for å oppnå informasjon når det gjelder hvilken type av vannreservoar under trykk som borkronen har gjennomtrengt, den relative temperaturen i vannreservoaret og sammensetningen av vannet i vannreservoaret. Den logg som oppnås her gjelder sammensetningen av formasjonsvann som strømmer inn i borehullet, dvs. den er spesielt beregnet for formasjonsvann. Ingen informasjon tilveiebringes derfor om det boreslam som anvendes under boring av en brønn og om de kjemiske reaksjonene mellom slammet og de formasjoner som gjennomtrenges av borehullet.

Den artikkel som har titelen "Detefmination of free chromate in liquosulfonate dispersants by ion chromatography with atomic absorption spectrometric detection" og publisert i Analytica Chemica Acta, 160 (1984), sider 263-266, beskriver en fremgangsmåte for bruk av ionekromatografi for bestemmelse av fritt kromat i borehulladditiver som anvendes i boreslam. Denne metoden anvendes imidlertid i et laboratorium, og ikke på borestedet, bare for en forbindelse og boreslammet testes ikke kontinuerlig.

På den annen side anvendes en test som i industrien kalles metylenblåttesten, allment for å måle kationvekslerkapasiteten (CEC) for slamfaststoffene. Det er kjent at smektitleirer har et høyt kjemisk aktivt overflateareale sammenlignet med andre leirer. Dette reflekteres i den mengden positivt ladete substanser som smektiter kan absorbere. Ved å måle den ladningsmengde som en leire/skifer absorberer kan kationvekslerkapasiteten oppnås og dette kan anvendes som en indikasjon på dens vannfølsomhet i borehullet. Grove feltmetoder for CEC basert på absorbsjonen av fargestoffer, i hovedsak metylenblått, er brukt i industrien i mange år. Verdien av en slik test er meget begrenset fordi fremgangsmåten ikke gjør det mulig å identifisere de vekslerkationer som er forbundet med vekslerstedene og deres medvirkning til ioneinnholdet i slamsystemet kan ikke fastslås. Den målte CEC for leiremineraler bestemt ved hjelp av metylenblåttesten avhenger også av naturen av vekslerkationet.

Formålet med oppfinnelsen er å regulere boringen av bore-hull ved å bestemme ionesammensetningene for boreslammene og/eller uthoret borekaks for å følge forskjellige kjemiske prosesser som forekommer i borehullene, f.eks. saltvanninnstrøm-ning, forandringer i løseligheten av salter med forandringer i pH og kationvekslerprosesser omfattende de kationer som tilsettes til vannbaserte slam (f.eks. kalium, kalsium) for å stabilisere skiferseksjoner. Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen, ved en fremgangsmåte for testing av boreslam som angitt i de etterfølgende patentkrav.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen tas det prøver av slammet og dets vandige filtrat analyseres på borestedet ved hjelp av ionekromatografi for å bestemme valgte positive og negative ionekonsentrasjoner. I tillegg kan pH og temperaturen i hver prøve måles. I en foretrukket utførelsesform bestemmes innholdet av anion, enverdig kation og toverdig kation i slamprøvefiltratet ved hjelp av tre kromatografienhe-ter. Fortrinnsvis tolkes sammensetningen av det således testete slamfiltratet for å indikere reaksjoner nede i hullet, idet sammensetningen av det slam som tilføres til hullet justeres til eller imot det optimale ettersom boringen foregår.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen bestemmes forandringer i litologi eller andre forandringer etterhvert som boringen foregår ved kryss-avsetning av kalsium- og magnesium-ionekonsentrasjonene i prøvene og/eller ved kryss-avsetning av kaliumionkonsentrasjons- eller kalium/natriumionkonsentra-sjons-forholdet og kalsium/magnesiumionkonsentrasjonsforholdet i prøvene.

I et annet aspekt ved oppfinnelsen testes boreslammet i bruk ved å analysere slamfaststoffene ved borestedet av det periodisk oppsamlede slammet på sorberte ioner og/eller kationvekslerkapasitet. Slamfaststoffene tørkes, en kjent vekt av de tørkede faststoffene vaskes for å fjerne sorberte ioner, og kationer og anioner i den resulterende løsningen identifi-

seres og bestemmes ved ionekromatografi.

I et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen analyseres utboret borekaks i det boreslam som er i bruk ved å separere borekaksen fra slammet, tørke, ekstrahere ioner fra en kjent vekt av det separerte, tørkete borekaks i løsning og analysere den resulterende løsning ved hjelp av ionekromatografi for å bestemme utvalgte positive og negative ioner. Kationvekslerkapasiteten til den utborete borekaksen kan så med fordel bestemmes.

I et annet ytterligere aspekt ved oppfinnelsen tas det periodisk prøver av det sirkulerende slammet, dets vandige filtrat analyseres ved borestedet for å bestemme utvalgte positive og negative ionekonsentrasjoner, ionekonsentrasjons-dataene lagres dg sammenlignes med allerede lagrede data. Disse lagrede data kan være data som tidligere er oppnådd ved analyse av tidligere slamfiltratprøver eller kan være referansedata som er karakteristiske for den ønskede slamsammensetningen.

Følgende beskrivelse av oppfinnelsen følges av tegninger i hvilke: Figur 1 viser skjematisk sirkulasjonssystemet for det slam som anvendes i oljerigger.

Figur 2 illustrerer ionekromatografienheten.

Figur 3 er et eksempel på det som kommer ut av en ionekromatograf . Figur 4 viser et prøveformat av slamsammensetningsloggen. Figur 5 illustrerer kort den fremgangsmåte som anvendes for å teste slamfaststoffenes kationvekslerkapasitet.

Figur 6 er et prøveformat av slamfaststoffloggen.

Figur 7 er et prøveformat av borekaksloggen.

Figur 8 illustrerer en algoritme for et tolkningsskjema for slamfiltratanalysen. Figur 9 er et grunnriss der kalium- og toriumkonsentra-sjonsaksene er utfylt med den målte kationvekslerkapasiteten. Figur 10 er et grunnriss av forholdet mellom de molale kloridkonsentrasjonene 15^ i skiferen over den ekvivalente konsentrasjonen 5^ i reservoaret, mot forholdet av den effektive konsentrasjonen A for kationvekslersteder over den molale kloridkonsentrasjonen irid i reservoaret. Figur 11 viser den utborete litologien som en funksjon av prøvetiden i det gitte felteksemplet. Figur 12 er den målte utborete dybde (i meter) som en funksjon av prøvetagningstiden (i timer). Figur 13 er et grunnriss av slamfiltrat pH (ved 25°C) mot prøvetiden. Figur 14, 15, 16, 17, 18, 19 viser variasjonene, mot prøvetiden, av ionekonsentrasjonene i henholdsvis natrium, klorid, natriumklorid, kalium, magnesium og kalsium. Figur 20 er et grunnriss av kalsiumionekonsentrasjonen (molar x 100) mot magnesiumionkonsentrasjonen (molar x 100). Figur 21 er sulfationkonsentrasjonen (molar x 100) mot prøvetiden (i timer). Figurer 22 og 23 henholdsvis den tilsynelatende aniondefisit (ekvivalenter pr. liter) mot prøvetiden (i timer) og natrium-kloridkonsentrasjonen (ekvivalente i liter). Figurene 24 og 25 viser henholdsvis den tilsynelatende aniondefisit (Ad) minus (natrium-klorid) konsentrasjonene (ekvivalenter pr. liter) mot prøvetiden (i timer) og magnesiumkonsentrasjonen (ekvivalenter pr. liter). Figur 26 viser kalsium/magnesiumforholdet for filtratprø-ver mot kaliumkonsentrasjonen (molar x 100).

På figur 1, som viser slamsirkulasjonsutstyret, inneholdes slammet 10 i en slamtank 12, kalt den aktive tank. En pumpe 14 trekker slammet opp fra tanken gjennom et rør 16 og presser slammet gjennom utløpsledningen 18, standrøret 20, den roterende slangen 22 og svivelen 24. Slammet strømmer så inn i drivrøret 26 og ned gjennom borehullet 28 i borerøret 3 0 og vektrørene 32. Slammet når bunnen av hullet ved borkronen 34 og strømmer så opp til overflaten i ringrommet 3 6 og i slam-returledningen 38. Slammet faller så ned over en vibrerende, siktlignende anordning 40, kalt en borekakssikt. Siktens rolle er å fraseparere slammets flytende fase, fra borekaksen som er utboret med borkronen 34 og transportert opp i ringrommet med slammet. Separeringen utføres ved at slammet passerer gjennom en sikt som vibrerer. Faststoffene, kalt borekaks, som er større enn siktens maskestørrelse, går ikke gjennom sikten og avgis enten til en reservetank når boreriggen er på land eller i en lekter når boreoperasjonene utføres offshore. De faste partiklene som inneholdes i slammet og som har en størrelse som er mindre enn siktens maskestørrelse, går gjennom sikten og forblir derfor i slammet. Disse fine faststoffene (heretter referert til som slamfaststoffene eller faststoffene) omfatter en del av det vektmateriale som er tilsatt til slammet for å oppnå en viss slamdensitet og også fine faststoffer fra de formasjoner som borehullet går gjennom. Etter sikten 40 strømmer slammet inn i et kontrollutstyr for faststoff, representert skjematisk med 42, gjennom røret 44. Faststoffkontrollutstyret 42 kan omfatte en gass-, silt- og sandfjerner. Så faller slammet ned i tanken 10 gjennom røret 46. En slamblandetrakt 48 anvendes generelt for å tilsette faste materialer som f.eks. leire og baritt, til slammet i den aktive tanken.

Den følgende beskrivelse av oppfinnelsen refererer til forsøk som er utført med slamprøver som er uttatt ved kjente tider og hvert 15. minutt, fra både den aktive tanken 12 og fra røret 44 mellom sikten 40 og faststoffkontrollutstyret 42. I tillegg er det oppnådd prøver av borekaks direkte i sikten 40. Analyser utføres på slamfiltratet for å bestemme dets ionesammensetning og på slamfaststoffene og borekaksen i hvilke kationvekslerkapasiteten bestemmes. Den analytiske teknikken er fortrinnsvis et ionekromatografsystem, som anvendes for å bestemme både kation- og anioninnholdet i slammet og. i borekaksen, og kationinnholdet i slamfaststoffene. Vanligvis bestemmes ioneinnholdet på rene, faststoffrie løsninger, og derfor kreves faststoff-væskeseparasjon for de fleste av analysene. De mest interessante ionene er kalium, natrium, kalsium, magnesium, klorid, sulfat og bromid. Ionesammensetningen i slamfiltratet økes med det hydroksydioneinnhold som kan bestemmes fra borestedsmåling av pH på både slam og slamfiltratet. Tolkningen av målingene som er utført på slamfiltratet utføres på borestedet, fortrinnsvis ved hjelp av en

datamaskin.

En hovedfordel med ionekromatografiteknikken er dens evne til å identifisere anioner, i motsetning til de fleste andre teknikker (f.eks. atomabsorbsjonsspektroskopi, flammeemisjons-fotometri, induktivt koplet plasma [ICP]). Videre fordeler med et ionekromatografisystem er dets følsomhet (oppløsning ned til ca. 1 del pr. billion), nøyaktighet (bedre enn 0,5% basert på topparealet) og evne til å differensiere forskjellige ioner med generelt små interferenseffekter. Prinsippene for operasjon og generell bruk av en ionekromatograf er vel kj ent.

Riggkromatografisystemet kan fortrinnsvis ha tre uavhen-gige enheter som muliggjør samtidig bestemmelse av anioner, og enverdige og toverdige kationer. Hver enhet kan ha en kroma-tografipumpe, et injeksjonssystem med en injeksjonssløyfe med fast vo-lum, en ionevekslerkolonne, en demperfiber eller - membran og et elektrisk ledningsevnepåvisningssystem. Figur 2 viser skjematisk en slik enhet i hvilken det er en eluerings-middelstrøm 2 fra en høytrykks væskekromatografipumpe 4 gjennom en beskyttelseskolonne 6, ionevekslerkolonne 8, demper-membranenhet 3 med et regeneratorinnløp 5 og -utløp 7,og endelig ledningsevnedetektor 9. Demperen anvendes for å redusere den elektriske ledningsevnen til det elueringsmiddel som anvendes for å separere de forskjellige ionene i kromato-grafikolonnene og derfor for å øke oppløsningen av målingene. På figur 2 er en "kjemisk" demper vist skjematisk, men en "elektronisk" demper kan brukes like godt. Injeksjonssystemet omfatter en injeksjonsport 11, en injeksjonssløyfe 13 med fast volum og et injeksjonsstoppeur 15, og sammenbundet mellom detektoren 9 og stoppeuret 15 er et utgangssystem 17 som rapporterer ledningsende som en funksjon av tiden. Den elek-trolytløsning som skal analyseres, og som er separert fra den faste fasen, injiseres i de tre kromatografienhetene samtidig enten manuelt eller ved bruk av en automtisk prøvetaker med et tredobbelt forbindelsesstykke. Utgangen fra de tre separate detektorsystemene kan logges med datamaskin. De enkelte ionene identifiseres ved hjelp av deres karakteristiske reten-sjonstider i ionevekslerkolonnene, mens deres konsentrasjoner bestemmes ved hjelp av de integrerte arealene under toppene. En datamaskin kan gi en direkte avlesning i konsentrasjonsen-heter dersom den er programmert med kalibreringsdata bestående av topparealet som en funksjon av konsentrasjonen. For opti-mal ytelse er standardene tilpasset til de omtrentlige sammen-setningene av de prøvene som skal analyseres. Figur 3 viser et typisk eksempel på et ionekromatografisystem (bemerk at skalaen for topphøydene for de tre ionetypene er justert av hensiktsmessighetsgrunner) som anvendes ifølge oppfinnelsen. Figurer 3(a), 3(b) og 3(c) er eksempler på avsetninger som er oppnådd for henholdsvis toverdig kation-, enverdig kation- og anion-analyse.

I foreliggende oppfinnelse kan et slamfiltration være et "hoved"-ion og av interesse av én eller flere grunner. Det kan f.eks. ha en konsentrasjon i filtratet på minst 100 ppm. Det kan ha en signifikant effekt på slamegenskapene ved hvilken som helst konsentrasjon, noe som ofte er tilfelle når det er et spesialadditiv som med hensikt er tilsatt til slammet. Det kan være ett som forårsaker potensielle miljøproblemer om det avgis selv ved lave konsentrasjoner, f.eks. godt under 100 ppm. Alle interessante slamfiltrationer kan bestemmes med ionekromatografi, men de behøver ikke nødvendigvis bestemmes. Således kan hydrogen- og hydroksydionkonsentrasjoner tilveiebringes ved pH-måling, og karbonat- og hydrogenkarbonat (bikarbonat) -ionekonsentrasjoner kan utledes fra de målte konsentrasjoner av andre ioner. Av de viktigste slamfiltrationer som foreligger og som er egnet for ionekromatografi, behøver ikke alle måles, selv om minst én kationkonsentrasjon og minst én anionkonsentrasjon måles på denne måten. Typiske hoved-slamfiltrationer for bestemmelse ved ionekromatografi er natrium, kalium, kalsium, magnesium, klorid og sulfat.

På de steder der prøver tas, måles og logges pH og temperatur i slammet ved en kombinert sonde som innføres i slam-strømmen. Hver slamprøve overføres til en sentrifuge hvor de faste og flytende bestanddelene separeres ved fast rotasjons-hastighet og en fast tidsperiode. Slamfiltratet injiseres i de tre kromatografienhetene samtidig for å bestemme innholdene av anion, enverdig kation og toverdig kation. Generelt må slamfiltratet fortynnes med en faktor på ca. 100 for å sikre at analytkonsentrasjonen er i det optimale område for ione-kromtografisystemet. pH i slamfiltratet (ufortynnet) bestemmes ved omgivelsestemperatur og korrigeres til verdien ved den temperatur som opptegnes ved prøvetagningspunktet.

En korreksjon er nødvendig for å omdanne den målte sammensetningen av filtratet til en total ionesammensetning i slammet som uttrykker ionesammensetningen pr. enhetsvolum av slam

hvor Ci<m> er konsentrasjonen (mole m"<3>) av ioneslaget i slammet, Ci<£> er dets konsentrasjon i filtratet bestemt ved ionekromatograf isystemet , og va volumfraksjonen av vandig fase i slammet.

Volumfraksjonen va defineres av

hvor Va er volumet av vandig fase i et totalvolum av slam Vm. I fravær av fortynningseffekter ved blanding av slamfaststoffene (volum Vs) med den vandige fase hvilket gir volumfraksjonen vs av faststoffer i slammet

En enkel metode for å bestemme va på borestedet består i en kombinasjon av en måling av slamdensiteten og vektfraksjo-nen wa av den vandige fasen i slammet som defineres ved

hvor Ma er massen av den vandige fasen (bestående av masse M„ av vann og Me av oppløste salter) i masse Mn, av slam. Således er hvor da og dn, er henholdsvis densiteten av den vandige fasen og slammet. En mengde wa' defineres av slik at eller

hvor Mi"1 er den molare masse av ion i (kg pr. mole) og d„ er densiteten av vann (kg m"3) . Mengden wa' kan måles nøyaktig og raskt ved bruk av en liten infrarød tørkevekt for å tørke slamprøven til konstant vekt ved en fast. temperatur. Den krevede vektfraksjon wa kan derfor beregnes fra ligning (9).

Slamdensiteten d,,, kan bestemmes med et konvensjonelt densitome-ter (eller en oljefeltslamvekt) mens da nøyaktig kan beregnes fra den kjente ionesammensetningen i slamfiltratet.

Den korrigerte utgang fra filtratanalysen ved bruk av ionekromatografisystemet er settet av Ci<m> for hovedanionene og -kationene (typisk natrium, kalium, kalsium, magnesium, klorid og sulfat) i slamsystemet. Settet av Ci<m> sammen med målingen av pH og temperatur i slamstrømmen ved prøvetagningspunktet, pH i slamf iltratet ved slamstrømtemperaturen, slamdensitet dn,, og volumfraksjonen vs av faststoffer i slammet rapporteres sammen med prøvetiden og slamforsinkelsestiden. Formatet for dataene er en flersporslogg, slamsammensetningsloggen, som viser verdien for hver enkelt måling som en funksjon av tiden. Figur 4 viser et prøveformat av slamsammensetningsloggen. Verdiene for C^ er tilgjengelige for å gjøre det mulig for filtratsammensetningen å følge den API-anbefalte filtrerings-testen (API RP 13B, 1980). Forsinkelsestiden tL er definert senere med ligning (28) på side 36.

Det er mulig å optimere strømningshastigheten og konsentrasjonen av elueringsmiddelet i ionekromatografisystemet for å oppnå kromatogrammer med god kvalitet i løpet av en kort tidsperiode. For det beskrevne kromatografisystemet er det mulig å måle settet av C^ omtrent hvert 15. minutt, for å gi ca. fire slamanalyser pr. time.

Slamfaststoffene kan analyseres istedenfor eller i tillegg til slamfiltratet. Som allerede angitt er vanlig praksis på oljefeltet ved analyse av faststoffbestanddelen i slammet, bestemmelsen av dens kationvekslerkapasitet (CEC) ved bruk av metylenblåttesten. Hovedformålet med testen er å bestemme oppbygningen av dispergerte leiremineraler fra utboret skifer hvis partikkelstørrelse er for liten for fjerning med borerig-gens faststoffkontrollutstyr. Ifølge oppfinnelsen anvendes et ionekromatografisystem for å tilveiebringe nøyaktig mål på CEC for slamfaststoffene og identifisere vekslerkationene i leire-mineralene under boreprosessen.

En kjent vekt av sentrifugesedimentet tørkes f.eks. ved en fast temperatur til konstant vekt. Det tørre sedimentet homogeniseres og vaskes så med et kjent volum av vandig meta-nol eller vann for å fjerne det sorberte saltet uten hydrolyse av vekslerkationene på leireoverflaten. Metanol-vann-saltløs-ningen eller vann-saltløsningen fortynnes med en faktor på ca. 100 og analyseres på anioner og kationer ved bruk av ionekromatograf isystemet. Konsentrasjonen av sorberte ioner i sedimentet, uttrykt som mole ion pr. kg tørt slamfaststoff noteres. Det sorberte ioneinnholdet finnes generelt å være neglisjerbart i sammenligning med konsentrasjonen av ionet i filtratet, særlig ved høye sentrifugehastigheter. Denne antagelsen undersøkes imidlertid kontinuerlig, og når det oppstår høye sorberte ioneinnhold kan det gjøres en korrek-sj on.

Etter at det sorberte ioneinnholdet er bestemt, kan slamfaststoffenes kationvekslerkapasitet bestemmes og vekslerKationene identifiseres.

En kjent vekt av det tørre, vaskede slamfaststoffsedimen-tet (homogenisert) blandes eksempelvis med et kjent volum 0,5 molar tetrametylamoniumbromidløsning. Det store overskudd av tetrametylamoniumioner vil erstatte de naturlig forekommende vekslerkationene på slamfaststoffene og frigjøre dem til vekslerløsningen. Et nøytralt til høyt pH kreves for å sikre at frigjøringen av kalsiumioner i løsning ved oppløsning av kalsiumkarbonat minimeres. Etter en fastsatt tid, sentrifuge-res ionevekslersuspensjonen med en fastsatt hastighet i en fastsatt tid og supernatanten ekstraheres. Det separerte faststoffet omsettes så med et andre volum av tetrametyl-amoniumløsningen for å sikre fullstendig utveksling. De to supernatantene kombineres, fortynnes med en faktor på ca. 100 og analyseres på enverdige og toverdige kationer ved hjelp av ionekromatografisystemet. Summen av alle frigjorte kationer, normalisert til tørr faststoffvekt, er derfor slamfaststoffenes kationvekslerkapasitet, uttrykt i mole, enverdige veks-lerstillinger pr. kg tørt faststoff. De vekslerkationer som er forbundet med slamfaststoffene kan ansees å være en inte-grert del av kationene i slamsystemet. Bidraget av veks-lerkation i i slamfaststoffene til det totale innholdet av i i slammet er gitt av

hvor Xi er den fraksjon av kationvekslerkapasiteten (CEC) av slamfaststoffene som opptas av kation i. Densiteten ds til den tørre faststoffbestanddelen i slammet kan beregnes fra

siden alle mengder d^, da, va og vs er kjent.

En undersøkelse av slamfaststoffenes kationvekslerkapasitet kan utføres ved å måle forskjellen i tetrametylammonium-ionkonsentrasjon før og etter ionevekslerreaksjonen med faststoffene. Figur 5 viser en oppsummering av fremgangsmåten. Figur 5(a) viser det rå kromatogrammet for frigjøring av toverdige kationer fra ionevekslerreaksjonen sammen med det store overskuddet av tetrametylammoniumioner som ikke er utvekslet. Kromatogrammet for den opprinnelige 0,5 molare tetrametylammoniumløsningen fremgår av figur 4(b). Subtrak-sjonen av figur 4(b) fra figur 4(a) gir figur 4(c) som viser ikke bare de positive toppene Px og P2 for henholdsvis de frigjorte magnesium- og kalsiumkationene, men også fjerningen R av tetrametylammoniumioner fra reaksjonsløsningen. Ladningen av de frigjorte kationene sammenlignes direkte med ladningen av tetrametylammoniumfjerning.

Resultatet av målingene av slamfaststoffene er en flersporslogg som kalles slamfaststoffloggen, og viser CEC, volumfraksjonen vs av faststoffer i slammet, densiteten ds av den tørre faststoffbestanddelen, fraksjonen Xi av kation i som metter vekslerstillingene, dets effektive konsentrasjon C™* i slamsystemet og forandringen ACms i vekslerkapasitet for slam-stoffene for hver prøvetid. Figur 6 viser et prøveformat av slamfaststoffloggen.

Utboret skiferborekaks kan med fordel analyseres, uavhen-gig eller i tillegg til slamfiltrat- og/eller faststoffanaly-

sen.

Et problem som oppstår ved fremstilling og bruk av et inhiberende slamsystem er at naturen av den skifer som må reguleres ofte er ukjent. Siden forskjellige skifertyper generelt krever forskjellig inhiberende slamsammensetninger, er effektiviteten til slammet i skiferformasjonene ukjent. En løsning på analyse og karakterisering av skifer er bruken av vaierloggdata i forgreningsbrønner eller virkelig tids MWD-målinger (måling under boring), selv om den vanlige tolkningen av disse målingene i skiferseksjonen generelt er dårlig.

Den alternative løsningen er analysen av skiferborekaks ved overflaten av prøvene hvor det har skjedd liten nedbryt-ning (f.eks. svelling) under transport i ringrommet. Aktuelle teknikker for borekaksanalyse er begrenset til geologisk beskrivelse (f.eks. konvensjonell slamlogg), densitetsmåling og bestemmelse av CEC ved bruk av metylenblått (eller beslek-tet farge) -testen. Metylenblåttesten for måling av CEC hos leiremineraler, sammen med dens begrensninger, er diskutert. For tiden gjøres det ikke bruk av disse målingene for tolkning eller bedømmelse av borehullstabilitet.

Et ionekromatografisystem kan anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse for å tilveiebringe en måling på borestedet av utboret borekaks, mere spesielt (men ikke utelukkende) skiferborekaks, som resulterer i en pålitelig måling av CEC og identifisering og kvantifisering av de kationer som er tilgjengelige for ioneveksling med slamsystemet.

En prøve av utboret skiferborekaks tas fra rystesikten og brytes opp for å avsløre en del av borekaksen hvor det later til at det ikke har skjedd noen forandring i vanninnhold eller ionesammensetning. Skiferborekaksen tørkes til konstant vekt ved en fast temperatur ved bruk av den lille infrarødttørke-vekten for å gi det ukorrigerte delvektinnholdet wa* av vann i borekaksen

hvor M„ er vekten av vann som tapes ved tørking, Msh er tørr-vekten av den saltfrie skiferen og <M>sa er vekten av sorbert salt ("dårlig vann"-salt) i skiferen. Måling av wa<*> vil være den første (og sannsynligvis den beste) indikasjonen på at det ikke har skjedd noen forandring i ringrommet av den borekaks-prøven som undersøkes. Den tørkede skiferprøven knuses så på en spesiell måte for å gi et pulver med en fastsatt gjennomsnittlig partikkel-størrelse. Den malte skiferen vaskes med et fast volum av metanol-vann-løsningen eller vannet for å fjerne det sorberte saltet uten å hydrolisere skiferens vekslerkationer. Metanol-vann-salt-løsningen eller vann-salt-løsningen fortynnes med en faktor på ca. 100 og analyseres på anioner og enverdige og toverdige kationer ved bruk av ionekromatografisystemet. Vekten Mi av hvert ion pr. enhetsvekt av tørr skifermatriks kan derfor bestemmes. Summen av MA gir vekten av sorbert salt Msa fra hvilken en Msh kan beregnes. Den korrigerte vektfrak-sjonen wa av vann i skiferen kan oppnås fra ligning (13) idet det bemerkes at

Den molale konsentrasjonen (mole av ioner pr. kg vann) mi av de sorberte ionene i skiferen oppnås ved å normalisere MA til fraksjonsvekten av vann wa i skiferen

hvor Mi"<1> er den molare massen av ion i.

Det andre stadium i analysen av skiferborekaksen er å bestemme skiferens kationvekslerkapasitet og å identifisere vekslerkationene. En kjent vekt av den tørre, saltfrie malte skiferborekaksen plasseres i et kjent volum av 0,5 molar tetrametylammoniumbromidløsning og blandes i en fastsatt tid. Etter den fastsatte tiden avsluttes ionevekslerreaksjonen ved å sentrifugere dispersjonen ved en fastsatt hastighet i en fastsatt tid. Supernatanten fjernes fra sentrifugen, og det sedimenterte faststoffet dispergeres i et andre kjent volum av ionevekslerreaksjonsblandingen for å sikre fullstendig utveksling. Den kombinerte reaksjonsløsningen fortynnes med en faktor på ca. 100 og analyseres på enverdige og toverdige kationer ved bruk av ionekromatografisystemet. Identifikasjonen og kvantifikasjonen aav kationene i ionevekslervæsken oppnås. Summeringen av alle de frigjorte kationene er kationvekslerkapasiteten CEC. Den metode for kromatogramsubtraksjon for å fastslå ladningsbalansen i ionevekslerprosessen, som vises i figur 5, kan også anvendes for måling av CEC i skifer-prøver.

Borekaksanalysen kan vises i det følgende format. Det totale kationinnholdet i borekaksen (oppnådd som veksler-eller sorberte kationer) uttrykkes som den molale konsentrasjonen mc, mens innholdet av sorbert anion ma oppnås ganske enkelt fra den opprinnelige vaskefremgangsmåten. I begge tilfeller angis de molale konsentrasjonene med hensyn på vanninnholdet i borekaksen. Forskjellen mellom anion- og kationinnholdet i borekaksen er forårsaket av kationvekslerkapasiteten CEC, hvor Zc er ladningen på et kation, Za er ladningen på et anion, og A er den effektive konsentrasjonen av enverdige ionevekslerstillinger i borekaksen normalisert til vanninnholdet. Resultatet av målingene er den borekaksanalyselogg som gir borekaksens vanninnhold wa, molal konsentrasjon av anion og kation m±i CEC, og verdien av A for hver borekaksprøve. Den tid ved hvilken prøven ble tatt fra rystesikten omdannes til formasjonsdybde ved bruk av forsinkelsestiden i ringrommet. Den forsinkelsestid som anvendes for å relatere prøvetiden til formasjonsdybde vises på borekaksanalyseloggen. Et eksempel på formatet av borekaksloggen fremgår av figur 7.

Målingen av ionesammensetningen av én eller flere av slamfiltratet, slamfaststoffene og utborede borekaks følges av en tolkning på borestedet (f.eks. datamaskin-basert) gir kontinuerlig informasjon om den kjemiske sammensetningen av slammet og graden av reaksjoner mellom slam og formasjon. Forskjellige tolkningsskjemaer diskuteres separat nedenfor.

(1) Slamfiltratsammensetning

Figur 8 viser en algoritme for et tolkningsskjema, heretter kalt "slamrådgiversystemet", for slamfiltratanalysen basert på målinger på borestedet av C^ og filtrat-pH. Etter hver slamanalyse (dvs. ved intervaller på ca. 15-2 0 minutter) er hovedresultatene av datatolkningssystemet:

(a) anbefalinger om å justere saltinnholdet og pH i slammet for å bibeholde sammensetningen, (b) trendanalyse om forandringer i filtratsammensetningen for å indikere reaksjoner mellom slam og litologi.

Etter hver analyse sammenlignes slamfiltratsammensetningen Ci<f>, slam- og filtrat-pH, slamdensitet og volumfraksjon av faststoffer i slammet med de ekvivalente verdier for det slam som er spesifisert (referanseslam). Slamsammensetningen er analysert ved en spesifisert temperatur for å bestemme , pH (slam og filtrat), dm og vs som vil opptre som referansever-dier. Filtratet fra referanseslamsammensetningen undersøkes jevnlig for å sjekke kalibreringen av ionekromatografisystemet. Hver analyse gir derfor forskjellen mellom slamprøven og referansen. Dersom formuleringen av slamspesifikasjonen følges av grenser innen hvilke sammensetningen og egenskapene er akseptable, så vil analysen av slammet bestemme når slammet ikke er ifølge spesifikasjonen.

"Slamrådgiversystemet" krever ytterligere data for å gjøre det mulig at forandringer i slamfiltratsammensetningen og slamegenskapene kan omdannes til anbefalinger for forandringer av slamsystemet, og å diagnostisere reaksjoner nede i hullet og mellom formasjon og slam. De krevede data er:

s1amstrømningshastighet

åpent hullvolum

totalt hullvolum

totale ionesammensetninger for alle tilsetninger til slammet (faststoffer og væsker)

utboret litologi

gjennomtrengingshastighet ved boring (ROP).

I løpet av en viss spesifisert tidsperiode, da det er utført n analyser av slamfiltrat (~n/4 timer), fremgår det trender i forandringen av ionesammensetningen (inkludert pH).

En gjennomsnittlig hastighet for forandring av ioner C L £ beregnes for de n datapunktene. Dersom trendene er godt identifisert, så kan "slamrådgiveren" forutsi resultatene av den neste analysen, dvs. settet av C^. Den (n + l) (dvs. neste) analyse kan sjekkes med slamrådgiverens forutsigelse for hver måling. En mengde A™* 1 kan defineres som måler avvikelsen, innenfor grenser som er satt av kvaliteten for den trend som er identifisert fra de tidligere n punktene, fra slamrådgiverens forutsigelse. Trenden og dens kvalitet sammenlignes med ROP, slamstrømningshastighet og den utborede litologien i løpet av samme tidsperiode for å fastslå om det er noen erkjennbar årsak til trenden og grunnene til den beregnede avvikelsen Aj""<1>"<1.>

"Rådgiveren" kan fremvise den slamsammensetningslogg som viser de n punktene for operatøren for visuelt å eksaminere trenden.

Forutsatt at slammet er innenfor den ønskede spesifikasjon for de n analysene, så kan 11 slamrådgiver"-systemet forutsi den tid ts da slammet beveger seg ut av spesifikasjon for et spesielt ion. Det er klart at noen ioner har en større vekt enn andre, og at vekten uttrykker ionenes rolle for slammets ytelse. Det kan eksempelvis være nødvendig bare å bibeholde konsentrasjonen av kalium-, magnesium-, natrium- og kalsiumioner sammen med pH. Variasjonen av bromidinnholdet innenfor rimelige grenser kan derfor være av liten interesse. "Rådgiveren" anvender trenden i C* for å beregne den nødvendige satstilsetningen av salt til slammet for å hindre overtredelse av slamspesifikasjonen eller for å korrigere sammensetningen dersom spesifikasjonen allerede er overtrådt. Dersom den konsentrasjonsforandring som angis av "rådgiveren" er dC, så er den nødvendige mengde salt for å tilbakeføre slammet til spesifikasjonen VT.dC, hvor VT er det totale volumet av det aktive slamsystemet. Volumet VT er kjent, som sammen med slamstrømningshastigheten vm, gjør det mulig å beregne rundtripptiden tR(=VT/vn) for slammet og derfor den tid som kreves for at tilsetningen skal registreres på slamsammensetningsloggen. For å bibeholde slammets spesifikasjon, basert på råd-giverens forutsigelse, kreves det at ts er større enn TR.

Det generelle problem som oppstår ved forsøk på å tolke forandringer i Ci<f>, er å være istand til å skille mellom hydrodynamisk dispersjon (inkludert fortynning fra signifikante tilsetninger av fluid til slammet) og reaksjon (adsorbsjon, utfelning, osv.) i borehullet. Siden et av hovedformålene med "slamrådgiver"-systemet er å indikere reaksjoner mellom slam og formasjon, er det nødvendig å skille mellom hydrodynamisk dispersjon og borehullreaksjon. Problemet med hydrodynamisk dispersjon kan takles ved bruk av et sporkjemikalium i borehullet som kan påvises ved hjelp av ionekromatografisystemet, men som er mer eller mindre inert når det gjelder borehull-reaksjoner som f.eks. adsorbsjon eller utfelning. Et eksempel på et slikt kjemikalium er litiumbromid, idet litium- og bromidioner lett påvises av ionekromatograf isystemet og ikke er utsatt forløselighetsforandringer når pH i slammet varie-rer. Litiumionet har tilstrekkelig lav ionevekslerselektivi-tet til å minimere reaksjon med formasjonen eller borekaksen.

Bruken av et spesielt sporstoff for å bestemme dispersjonsegenskapene i borehullet omfatter måling av dets konsentrasjon Ct<f> i filtratet som en funksjon av tiden. Det er nødvendig at sporstoffets tilførselskonsentrasjonsegenskaper er kjent slik at overføringsfunksjonen i borehullet kan bestemmes. En kjent mengde av sporstoffet injiseres eksempelvis jevnt i slamstrømsystemet i en fastsatt tid, som for en gitt slamstrømningshastighet gjør det mulig å beregne konsentra-sjonstrinnet for sporstoffet. Målingene av sporstoffets konsentrasjon Ct<f> i returs1amstrømmen vil gjøre det mulig å bestemme dispersjonsegenskapene i borehullet. Tilførselskon-sentrasjonen for tilsetning av hvert aktivt slamkjemikalium til slamstrømsystemet må måles på lignende måte, og "slamrådgiveren" kan anvendes for å regulere tilførselen fra en kjennskap om VT, dC og tr.

Bruken av et inert sporstoffion for å teste dispersjons-faktoren ved- slamsirkulasjon er formålet med søkerens samtidi-ge GB patentsøknad nr. 87 05503 som er innlevert 9. mars 1987 med titelen "Monitoring Drilling Mud Circulation".

Den andre hovedoppgaven som "slamrådgiversystemet" utfø-rer på borestedet er et forsøk på å forklare forandringene i slammets ionesammensetning for å identifisere de forskjellige prosessene i borehullet.

Det første trinnet er å identifisere den rent disperge-rende medvirkningen til forandring i ved samtidig måling av Ct<f>. Det skal understrekes at variasjonen av Ct<f> med tiden ikke vanligvis utgjør den normale type av dispersjonskurve (som f.eks. oppnås fra en karbidforsinkelsestest), siden målingen av Ct<f> med ionekromatografisystemet ikke er kontinuerlig. Prøve taes imidlertid av filtratet på samme tid som sporstoffet slik at det kan gjøres en direkte sammenligning mellom transporten av inerte og aktive forbindelser. Målingen av Ct<f >med ionekromatografisystemet kan anvendes for å kalibrere kontinuerlig, men mindre direkte målinger av konsentrasjon for å oppnå dispersjonsegenskaper i brønnen. Et eksempel er bruken av litium- og bromidionselektive dioder som kan kombineres med pH-målingssystemet.

En alternativ fremgangsmåte er å anvende "slamrådgiver-systemet" for å beregne den mengde av ioner i for kontinuerlig tilsetning (dvs. ikke satstilsetning) til slamstrømmen slik at Ci<f> forblir konstant, eller minst innenfor de grenser som er satt med slamspesifikasjonen. Denne tilsetning oppnås ved å kjenne VT, dC og tR ved hver analyse. Tilsetningen av ioner for å bibeholde spesifikasjonen i slamsystemet er derfor et direkte mål på dets opptak som resultat av reaksjoner i borehullet.

Det andre trinnet er kvantifiseringen av den tilsynelatende ladningsdefisit for å indikere betydningen av anioner som f.eks. karbonat og bikarbonat som ikke rutinemessig påvises av det ionekromatografisystem som er beskrevet ovenfor. Ladningsbalansen i den målte slamfiltratsammensetningen krever at

hvor Zi er ladningen av ionet i. Ionekromatografisystemet slik det er beskrevet, påviser ikke hydroksyd- (0H<_>) karbonat- (C03<2_>) og bikarbonat- (HC03_) anioner. Siden disse anioner er tilstede i slamsystemet, vil analysen synes å vise en anionmangel. Målingen av pH vil gjøre det mulig å bestemme 0H_ siden

I slam som er sjøvannbasert vil ladningsbalanseligningen (ligning (17)) omfatte ionene natrium, kalium, kalsium, magnesium, klorid, sulfat, bromid og hydroksyd (dvs. pH). Anionmangel en Ad bestemmes av

hvor underindeksene c og a indikerer summering av henholdsvis kationer og anioner, som identifisert og målt ved ionekromatograf isystemet og pH-målingen. Dersom aniondefisiten Ad er over en viss verdi, og denne verdien velges slik at den gjør greie for bruttopresisjonen av anionanalysene og typisk konsentra-sjon for de mindre viktige anionene (f.eks. fluorid, sulfid) og kationene (f.eks. strontium), så rapporteres den som signifikant av "slamrådgiveren11 og fremvises etter hver analyse. Tolkningen av mengdene av karbonat- og bikarbonatanioner og mangesium- og kalsiumkationer i slamfiltratet krever en forståelse av en rekke komplekse kjemiske reaksjoner som er avhengig av pH i slamsystemet. Løseligheten av kalsiumioner bestemmes f.eks. av to hovedlikevekter, nemlig utfeiningen av fast kalsiumhydroksyd (kalk, Ca(OH)2) og fast kalsiumkarbonat (CaC03) . pH-avhengigheten av kalsiumionkonsentrasjonen slik den fremgår av reaksjonen eller bestemmes ved 25"C ved Når pH i slammet øker, minsker den maksimale tillatte kalsiumionkonsentrasjonen i slamfiltratet. I de fleste typiske slam der pH er ca. 10 eller mindre, kan kalsiumkonsentrasjonen ved likevekt være meget stor slik at kalkutfelling ikke er noe problem. Utfeiningen av magnesiumhydroksyd bestemmes av (ved 25°C)

slik at, for et gitt pH, den maksimale konsentrasjonen av

magnesium er betydelig under den maksimale kalsiumkonsentrasjonen.

Nærværet av løselige karbonat- og bikarbonatanioner i slamsystemet forårsaker et heller mer komplekst tolkningsprob-lem. Karbonatmengden i slammet kan forandres med en rekke prosesser, inkludert opptak av karbondioksyd fra enten luften

(omrøring i faststoffkontrollutstyret og den aktive tanken)

eller innstrømninger i borehullet (i form av gass eller løs-ning) , karbonat (kalksten og dolomitt) -oppløsning og slamad-ditiver som inneholder karbonat. Generelt må slamsystemet ansees som et åpent system når det gjelder karbondioksyd.

Innenfor "slamrådgiversystemet" kan det være en data-maskinmodell som inneholder en rekke kjemiske likevektsreak-sjoner av den type som er vist i ligning (21). Denne modellen, som inneholder en database av likevektskonstanter for alle reaksjoner som ansees relevante for slamsystemet, kan være lik de modeller som er vel kjent for tolkning av den kjemiske sammensetningen i naturlig vann, som f.eks. den modellen som anvendes i det kommersielle datamaskinprogrammet som er kjent under navnet WATEQF. Ved hver analyse påkalles modellen for å forsøke å forklare trendene i C^, pH og anionmangel Ad. Modellen og databasen kan eksempelvis anvendes for å beregne karbonat- og bikarbonatkonsentrasjonene i slamfiltratet forutsatt at slamsystemet er i likevekt med karbondioksydet i luften og ved bruk av de målte verdiene for pH, [Ca<2+>] og [Mg2+] . De beregnede karbonat- og bikarbonatkonsentrasjonene kan sammenlignes med den målte anionmangel Ad. På lignende måte kan modellen beregne karbonat- og bikarbonatkonsentra-sj onene i slammet basert på de målte verdiene for toverdige kationer og pH forutsatt at slamsystemet er lukket og at det ikke er noen ytre karbondioksydkilde. Sammenligning av disse to sett av beregninger med karbonatmengden slik den måles ved anionmangelen, indikerer i hvilken grad tilskrivningen av anionmangelen til karbonat- og bikarbonationer er gyldig. De termodynamiske beregningene som utføres i modellen omfatter bestemmelsen av det partielle målvolumet av C^ som gjør det mulig å beregne densiteten da i filtratet (se ligning (6)). De termodynamiske beregningene kan også gi vannaktiviteten a„ i filtratet, en viktig kvantitet som anvendes for tilpasning av slamsysternene til skifertyper.

En kryssavsetning av magnesium- mot kalsiumionekonsentra-sjoner kan gi en nyttig guide til den utborede litologien, og gir distinkte linjer som tilsvarer forskjellige formasjoner. En tverravsetning av kaliumkonsentrasjons- eller kali-um/natriumkonsentrasjonsforholdet mot kalsi-um/magnesiumkonsentrasjonsforholdet kan også skille mellom forskjellige utborede formasjoner, og kan indikere innstrøm-ning av sjøvann, spesielt når kaliuminnholdet i det tilførte slammet er forskjellig fra kaliuminnholdet i sjøvann.

Anionsammensetningen av slammet, målt med det beskrevne ionekromatografisystemet (dvs. utelukkelse av hydroksyd-, karbonat- og bikarbonationer), kan ventes å forbli i hovedsak konstant siden de fleste forandringer opptrer i kationsammen-setningen. I et sjøvannbasert slam kan hovedanionene (klorid, bromid, sulfat) ikke ventes å variere i sammensetning under boreprosessen bortsett fra ved tilsetning av salter som f.eks. kaliumklorid. Det målte anioninnholdet vil derfor indikere bruttosaltforandringer i slamsystemet, inkludert eventuelle forurensninger i slamadditivene, f.eks. natriumklorid i karboksymetylcellulose (CMC). Ioniske forurensninger i spesielle satser av slamkjemikalier kan bestemmes ved borestedet ved bruk av ionekromatografisystemet. Etter hver analyse beregnes den totale, målte anionladningen Ac<m> fra

og fremvises av "rådgiveren". Forandringer i Ac<m> vil indikere salttilsetninger (eller fjerninger eller fortynninger med væske med et forskjellig saltinnhold). En spesiell anvendelse av den målte anionladningen er å indikere at saltvann har kommet inn i borehullet, f.eks. fra et tilbakeslag av saltløs-ning. Siden saltheten i de fleste permeable formasjoner som påtreffes ved oljefeltboring er signifikant høyere enn i sjøvann, vil den målte anionladningen direkte vise innstrøm-

ningen. Dersom dispersjonsegenskapene i borehullet er kjent, kan det gjøres et anslag for innstrømningskonsentrasjonen.

Forandringene i kationsammensetning, når den målte anionsammensetningen, pH, anionmangel og dispersjonsegenskaper er tatt i betraktning, er forårsaket av reaksjon mellom slam og formasjon, som i prinsippet er en kationveksling. En hvilken som helst veksling i de korrigerte kationmengdene må ladnings-balanseres slik at en hvilken som helst fjerning av eksempelvis kaliumioner, må balanseres ved en ekvivalent økning av konsentrasjonen av et annet kation som f.eks. kalsium. Disse korrigerte forandringene vil være et direkte mål på effektiviteten til et inhiberende vannbasert slam som anvendes for å bore i en skiferseksjon. 11 Slamrådgiver "-systemet fremviser den korrigerte kationkonsentrasjonsforandringen etter hver analyse.

Det som fremgår av analyseloggen for borekaksen (figur 7), kan behandles og tolkes for å gi verdifull informasjon om den skifertypen som bores (f.eks. svelling, brudd), dens sammenpresningstilstand og de kationer som kan frigjøres til slamsystemet når kationveksling opptrer. Det som fremgår av skiferanalyseloggen kan behandles og fremvises av "slamrådgiversystemet".

Den første informasjonen som analyseloggen for borekaksen viser, når den borede formasjonen er en skifer, er en indikasjon på skifermineralogien fra målingen av CEC i borekaksen. Generelt tilsvarer lave verdier for CEC skifer av de harde, illitiske, kaolinitiske typene som kan forårsake stabilitetsproblemer i borehullet ved hydratiseringsindusert brudd. De høyere verdier for CEC tilsvarer økende mykere skifer som er karakterisert ved et høyt montmorillonitinnhold og en tendens til å forårsake stabilitetsproblemer i borehullet som kommer av svelling og dispersjon. Den skifer med høye verdier for CEC ("gumbo"-skifer) som dispergeres i borehullet, forårsaker problemer med regulering av faststoffer og en økning i volumfraksjonen av faststoffer i slamsystemet (vs i ligning (4)). CEC i skiferen korrelerer derfor grovt med verdien for vs.

En mer detaljert mineralogi for skiferen kan oppnås ved en kombinasjon av CEC-måling på borestedet med den mineralogi som oppnås fra den vel kjente kalium/torium-innholdsavsetning, idet sammenligningen bestemmes av det naturlige gammastrålespektrum for skiferen. Det naturlige gammastrålespektrum for skiferen oppnås fra et MWD-spektrometer. Den kombinerte avsetningen fremgår av figur 9, hvor kalium- og toriumkonsent-rasjonsaksene (henholdsvis i vekt-% og ppm) suplementeres med det målte CEC. En spesiell fordel med addisjonen av CEC til kalium/torium kryssavsetningen er identifikasjonen av skifer som i hovedsak inneholder kaolinit eller montmorillonit, og som ofte ikke oppløses godt på kalium/torium-kryssavsetningen. Som vist i figur 9 er montmorillonitskifer karakterisert ved større verdier for CEC sammenlignet med kaolinitskifer. Kombinasjonen av sammensetningen fra det naturlige gamma-strål espektrometeret og målingen av CEC på borestedet betyr at skifermineralogien kan fastslås innenfor en typisk forsinkelsestid fra den bores.

Under begravelsen og kompakteringen av en skiferformasjon drives både vann og sorberte salter (anioner og assosierte kationer) fra skiferen inn i nærliggende, permeable formasjoner. Vanninnholdet wa (ligning (13)) og sorbert saltinnhold i skiferen er ventet å minske med økende kompaktering (dybde). Dersom skiferborekaksen kan ansees å ha vært i det minste lokal likevekt med skiferformasjonen før boring, så kan skiferen behandles som en kompakterende Donnan-membran. Fra en enkel Donnan-membranteori bestemmes det sorberte saltinnholdet av saltkonsentrasjonen i den nærliggende, permeable formasjonen og den effektive konsentrasjonen A (=CEC/wa) av kationveks-lerstillinger.

Et hovedresultat av skiferanalyseloggen er variasjonen av vanninnhold wa med den vertikale dybde Z. Innenfor en gitt skiferformasjon kan kompakteringstrenden fastslås fra direkte målinger av vanninnhold istedenfor fra verdier som kan sluttes fra vaier- eller MWD-loggdata. Dersom kompakteringen av skiferen alltid har vært fulgt av drenering, så avhenger vanninnholdet wa ved en gitt dybde Z bare av skiferens mineralogi og dens ionesammensetning. Skiferseksjonens mineralogi

(og eventuelle variasjoner i den) bestemmes av borekaksens CEC som det vises på skiferanalyseloggen. Vanninnholdet wa i skiferen (uttrykt som kg vann pr. kg tørr skifermatriks) normaliseres til skiferens CEC (mole av enverdige vekslerstil-linger i skiferen pr. kg tørr skifermatriks) ved å dividere wa med CEC for å gi A"<1>, vanninnholdet i skiferen pr. enhet av vekslerkapasitet. Variasjonen av A"<1> med Z er den korrigerte kompakteringsloggen for skiferformasjonen som avhenger bare av typen av kationer i skiferen og kompakteringstilstandene.

Den korrigerte kompakteringsloggen viser det korrigerte vanninnholdet i skiferen som en funksjon av loddrett dybde. For normal kompaktering der det ikke er noen signifikant forandring i skiferens ionesammensetning, vil mengden A"<1> avta monotont med Z. De to hovedårsakene til en forandring i A"<1 >ved en gitt dybde er en forandring i skiferens evne til å tape vann (og ioner) ved fordrivelse og en signifikant forandring i skiferens ionesammensetning. Skiferens ionesammensetning måles og fremvises på borekaksens analyselogg (figur 7), og derfor kan det gjøres en korrelasjon mellom kationinnhold og A" <1>. Den gjenværende årsak til en avvikelse i kompakteringstrenden, skiferens kompakteringstilstand, kan derfor identifiseres. Når det gjelder en underkompaktert skifer, er verdien for A"<1> høyere enn ventet ved en gitt verdi av Z.

Skiferens kompakteringstilstand, slik den måles med parametrene wa og A, kan ytterligere beskrives ved korrelasjon av A med dens totale, sorberte salt- (dvs. anion) innhold.

For et 1:1 salt som f.eks. natriumklorid, relaterer den enkle donan-likevekten (som forutsetter likhet mellom aktivitets-koeffisienten for saltet i skiferen og det ytre reservoaret) den molale kloridkonsentrasjonen 5^ i skiferen til den ekvivalente konsentrasjonen mcl i reservoaret ved

Donnan-likevekten slik den beskrives ved ligning (25) er en saltutelukkelseslikevekt siden saltinnholdet for en gitt verdi av % i skifermembranen minsker når den effektive konsentrasjonen av dens ionevekslerstillinger øker. Dersom skiferseksjonen er karakterisert ved en konstant verdi for saltinnholdet i løsningen i det ytre reservoaret, så er anion-konsentrasjonen i skiferen direkte relatert til wa og CEC. En avsetning av %/% mot A/mcl fremgår av figur 10, som understreker det enestående forholdet mellom 5^ og A ved et fast racl. Det målte anioninnholdet i skiferen som en funksjon av dybden vil derfor suplementere kompakteringstrenden slik den representeres ved wa - Z og A"<1> - Z-avsetningene.

"Slamrådgiver-systemet" kan beregne den totale ladningen Cas for anionene (mole av enverdig ladning pr. kg tørr skifermatriks) i skiferen, definert ved

fra hver skiferborekaksanalyse. Den totale anionladningen, som generelt domineres ved nærværet av kloridionet, fremkommer etter hver analyse, og viser dens variasjon med dybden. "Slamrådgiver-systemet" konstruerer en kryssavsetning av Cas mot A- for å- analysere- kompakteringstrenden i skiferen slik den måles både ved det normaliserte vanninnholdet (A"<1>) og saltinnholdet i skiferen. Ved hvert datapunkt beregnes den totale anionladningen Cas i det eksterne reservoaret, ved bruk av ligning (25) for å sjekke antagelsenes riktighet.

Skiferanalyseloggen gir også viktig informasjon om den type og mengde av kationer som er tilgjengelige for utveksling med kationer i slamsystemet. Under boringen av en signifikant skiferformasjon indikerer de korrigerte forandringene i kationinnholdet i slamfiltratet, beregnet og fremvist av "slamrådgiversystemet", graden av reaksjon (i hovedsak kationveksling) mellom slammet og skiferen. "Slamrådergiversystemet" korrelerer målingen av det totale kationinnholdet i skiferen til de målte forandringene i kationinnholdet i slamfiltratet.

EKSEMPEL PÅ EN ANALYSE

Et eksempel på en analyse som legemliggjør foreliggende oppfinnelse gis nu.

Analysen ble ikke utført på et borested. Slamprøver ble uttatt under boring offshore som angitt i detalj nedenfor, og ble deretter analysert på land ved hjelp av ionekromatografisystemet, uten noen forhåndskjennskap til eller kontroll med forandringer i slamsammensetningen under operasjon. Ikke desto mindre illustrerer eksempelet anvendelse av analysesys-temet og angir hvor nyttig det kan være når det anvendes på borestedet samtidig med boring.

Eksempel på et slamsystem

Slamsystemet for boring av hullet på 31 cm var i det vesentlige et bentonit/sj©vannsystem uten tilsetning av noen spesiell inhibitor (polymer eller ionisk) for å regulere skiferseksjonene. Tabell 1 viser slamsammensetningen og funksjonen til hvert slamprodukt.

Med denne slamblandingen:

vil tilsetningen av ferrokromlignosulfonat følges av et fall i pH, og derfor skal natriumhydroksyd tilsettes for å bibeholde pH på ønsket verdi,

må faststoffinnholdet i slammet holdes under 8 volum-%

ved å gjøre maksimal bruk av faststoffkontrollutstyret, når faststoffinnholdet stiger over 8%, anbefales slam-erstatning (dvs. kasting av gammelt slam og erstatning med nytt slam),

testes mengden av overskudd sulfit i systemet og en sulfitholding oksygenfjerner for korrosjonsinhibering tilsettes for å bibeholde et overskudd av sulfit på 100-300 ppm,

skal karbonat/bikarbonatmengdene i slammet reguleres

nøye, kalsiumhydroksyd (kalk) skal tilsettes for å be-kjempe karbonatforurensning og bibeholde pH i området 9-10 og kalsiumkonsentrasjonen i området 250-600 ppm.

Den slamblanding som er vist i Tabell 1 gjør det mulig å definere en referanseslamblanding slik at alle etterfølgende blandinger (dvs. de aktuelle slamprøvene) kan sammenlignes med den. Referanseslammet sammensettes slik at konsentrasjonen av hvert produkt er omtrent ved midtpunktet av det område som er vist i Tabell 1.

Slamprøveutvinnin<g>

Slamprøver ble tatt fra tre punkter i slamstrømningssys-temet. Strømningsledningen umiddelbart over sikten, slamstrøm-men umiddelbart under sikten og fra den aktive (suge) tanken.

Hver slamprøve ble plassert og forseglet i en liten, 60 ml prøveflaske av polyten slik at slammet fylte flasken fullstendig. Det ble utvist forsiktighet for å sikre at intet luftrom var tilstede i prøveflasken for således å minske reduksjonen i pH forårsaket av absorbsjonen av karbondioksyd fra luften.

Slamvolumer, strømningshastigheter, forsinkelsestider og dvbde- tidsdata.

I forsøk på å kvantifisere reaksjoner mellom slam og formasjon ved variasjon av den målte filtratsammensetningen med tiden for prøvetagning ved overflaten, er det nødvendig å kjenne den tiden som slammet har tilbragt i ringrommet, dvs. slamforsinkelsestiden. En kjennskap til slamforsinkelsestiden gjør det mulig å relatere slamprøvetiden til den borede dybde, da dette element av slam kom inn i ringrommet. Den korteste tiden på hvilken en hvilken som helst kjemisk informasjon kan nå overflaten om en forandring i sammensetning på grunn av eksponering av den nye formasjonen er slamforsinkelsestiden.

Forsinkelsestiden tL beregnes fra

hvor VA er det totale, beregnede ringroitivolumet og v er den målte slamstrømningshastigheten. Ringromvolumet VA er beregnet fra forskjellen mellom det totale hullvolumet (foret og åpent hull) og volumet av borerøret og anordningen i bunnen av hullet. Det antas implisit ved beregning av det åpne hullvolumet at hullet er i normalmål. Ingen aktuell forsinkelsestid ble målt, idet det eksempelvis ble brukt acetylenforsinkelses-testen eller et annet sporstoff.

Boredata ga informasjon om totale hull-, ringrom- og rørvolumer. Ved starten av prøvetagningen:

boret dybde = 2181 m

totalt hullvolum = 167 m<3>

ringromvolum = 137 m<3>

rørfortrengning = 11,5 m<3>

rørkapasitet = 18,3 m<3>

Det området av strømningshastigheter som forekom under prøvetagningen var 2,4 til 2,65 m<3>/minutt selv om boringen stanset fra 7,13 til 872 timer og slam ble sirkulert med en redusert strømningshastighet på 1,4 m<3>/minutt. Slamstrømnings-hastigheten ved starten av prøvetagningen var 2,6 m<3>/minutt hvilket gir en forsinkelsestid på 52,4 minutter. Ved avslut-ning av prøvetagningen:

boret dybde = 2368 m

totalt hullvolum =181 m<3>

ringromvolum =149 m<3>

rørfortrengning = 13,2 m<3>

rørkapasitet = 19,1 m<3>

Den endelige strømningshastigheten var 2,4 m<3>/minutt som ga en forsinkelsestid på 60,4 minutter. Forsinkelsestiden under den aktuelle boringen varierte fra 52,2 til 60,4 minutter over området av boret dybde 2182 til 2368 m. Den laveste beregnede forsinkelsestiden forekom under stans i boringen, selv om slamsirkulasjonen fortsatte med den reduserte strøm-ningshastigheten på 1,4 m<3>/minutt, hvilket ga enforsinkelsestid på 97 minutter. Slamstrømningshastigheten ble beregnet fra den målte slaghastigheten og den kjente kapasitet på slampum-pen (12 liter pr. slag).

Figur 11 viser den borede litologien slik den sees ved overflaten som en funksjon av tiden fra starten av prøvetag-ningen. Tiden ved overflaten er summen av den aktuelle tid ved hvilken formasjonen ble boret pluss forsinkelsestiden.

Den andre formasjonen ble eksempelvis entret 3,6 timer etter at prøvetagningen startet, men enhver informasjon ville først nå overflaten etter 4,5 timer på grunn av forsinkelsestiden på 0,9 timer. Toppen av den andre formasjonen vises derfor i figur 11 ved en overflatetid på 4,5 timer.

Figur 12 viser variasjonen av boret dybde med prøvetag-ningstid. Det er to signifikante brudd i boring som inntrer ved t = 7,1 timer og t =2 0,3 timer. Prøvetiden kan omdannes til boret dybde ved å bruke figur 12.

Kjemisk analyse av slamfiltratprøver

Sammensetning av referanseslam

Tabell 2 viser sammensetningen av referanseslammet basert på den foreslåtte sammensetning som er oppsummert i Tabell 1. Slammet er sjøvannbasert og derfor vil slammets ionesammensetning reflektere både saltinnholdet i slamproduktene og i sjøvannet. Ionesammensetningen i det sjøvann som ble brukt er angitt i Tabell 3.

Den målte pH for sjøvannet i likevekt med karbondioksydet i atmosfæren ved 25°C var 8,21. Ladningssummeringen av ionene som er målt ved hjelp av ionekromatografisystemet, sammen med hydroksydkonsentrasjoner målt ved hjelp av pH fra ligning (18) fremgår av Tabell 3. Det synes å være en mangel på anioner i sjøvannprøven med en ekvivalent ladning på 0,001 molar. Denne anionladningen kan sannsynligvis tilbakeføres til nærværet av karbonat- og bikarbonationer i sjøvannet som ikke direkte kan måles med ionekromatografisystemet slik det normalt brukes. Verdien på 0,001 molar ved summering av den målte ioneladnin-gen i sjøvannet vil være innenfor den akkumulerte feil for hver av analysene. Dette er en beregnet verdi av tilsynelatende karbonat/bikarbonatkonsentrasj on.

Referanseslammet er laget ifølge den spesifikasjon som er angitt i Tabell 2, idet det skal bemerkes at slamproduktene er vist uttrykt i vekt pr. volumenhet sjøvann. Slamprøvene ble sentrifugert ved bruk av en benketoppsentrifuge. Den kjemiske sammensetningen av slamfiltratprøvene ble så analysert ved bruk av et ionekromtografisystem.

Den kjemiske analysen av referanseslamfiltratet fremgår av Tabell 4. En sammenligning mellom analysene av sjøvann og referansefiltratet (Tabell 4) viser forandringen i sammensetning på grunn av tilsetningen av slamkjemikaliene. Forandringen i konsentrasjonen dC for hvert ioneslag og forandringen i pH fremgår også av Tabell 4. De eneste ionetilsetningene til slamsystemet som slamprodukter (se Tabell 4) er natriumhydroksyd og natriumkarbonat slik at ionekromatografisystemet bare skal påvise en forandringi natriumkonsentrasjonen i slamsystemet. Økningen i natriumkonsentrasjon skal være 0,105 molar (0,16 molar fra natriumkarbonat og 0,089 molar fra natriumhydroksyd). Den målte forandringen i natriumkonsentrasjonen er imidlertid 0,264 molar, hvilket indikerer at en natriumkonsentrasjon på 0,159 molar er tilstede i de gjenværende slamadditivene, dvs. bentonit og polymerene.

Tilsetningen av slamproduktene, oppført i Tabell 2, til sjøvannet har forandret alle ionekonsentrasjonene. Med unntagelse av magnesium har alle ionekonsentrasjonene øket. En kort analyse skal nu gis for å forklare disse konsentrasjons-forandringene.

Tilsetningen av 0,089 mole hydroksyd (i form av natriumhydroksyd) til en liter av nesten nøytralt sjøvann skulle, fra ligning (18), heve pH til 12,95. Den målte pH-verdien i slamfiltratet er bare 9,77, slik at hydroksydkonsentrasjonen i løsningen bare er 6 x IO"<5>. Det er tydelig at nesten alt tilsatt hydroksyd er fjernet fra filtratet. Minskningen i magnesiumkonsentrasjon mellom sjøvann og slamfiltrat forårsa-kes av dannelsen av uløselig magnesiumhydroksyd. Den kjemiske reaksjonen er

og den kjemiske likevekten ved 25°C styres av ligning (23).

Når pH er 12,95, er magnesiumkonsentrasjonen ved likevekt mindre enn IO"<9> molar, mens ved en pH-verdi på 9,77, er magnesiumkonsentrasjonen 2 x IO"<3> molar. Forandringen i hydroksydionkonsentrasjonen, fra forskjellen mellom den tilsatte hyd-roksydkonsentras j onen og det målte pH i slamfiltratet, er 0,089 mole, mens forandringen i magnesiumkonsentrasjonen er bare 0,053 ekvivalenter pr. liter (dvs. 0,053 mole av enverdig ladning pr. liter). Intet annet kation er tapt fra løsningen i denne konsentrasjonen og derfor er 0,036 mole hydroksydion pr. liter slamfiltrat erstattet i løsning med et annet anion som ikke direkte kan identifiseres ved hjelp av ionekromatograf isystemet . Den målte magnesiumkonsentrasjonen i slamfiltratet er 0,030 molar, som er en størrelsesorden høyere enn den ventede verdien ved et pH på 9,77. Således later det til at det er minst et annet reagens (eller komponent) i løsning som fjerner hydroksydioner og tillater at det blir igjen en høyere likevektsmagnesiumkonsentrasjon i løsning i filtratet enn ventet ved denne pH-verdi (ligning (23)).

Den tilsynelatende anionmangelen i referanseslamfiltratet har steget signifikant til en verdi på 0,085 ekvivalent pr. liter fra verdien på 0,001 ekvivalent pr. liter i sjøvannet. Medvirkningen av det tilsatte karbonat (tilsatt som natriumkarbonat) til denne ubalansen er bare 0,016 ekvivalent pr. liter, og derfor forblir en anionmangel på 0,069 ekvivalent pr. liter. Denne anionmangel inneholder de 0,036 ekvivalent pr. liter av anion som dannes av hydroksydionet, og derfor ble 0,033 ekvivalent pr. liter mangel tilsatt med bentoniten og/eller polymerene (Tabell 2).

Den relativt store forskjellen i natriumionkonsentrasjonen mellom sjøvannet og slamfiltratet (0,264-0,105 molar) er sammenlignbar med den tilsvarende forskjell i kloridionkonsentrasjonene (0,128 molar), og derfor er det meste av det natrium som forekommer som forurensning i polymerene og bentoniten i form av natriumklorid. Den gjenværende natriumkonsentrasjonen (0,031 molar) må derfor i hovedsak ha vært tilsatt som et salt hvis anion ikke er påvist ved hjelp av ionekromatografisystemet, siden det ikke har vært noen sammenlignbar forandring i sulfationkonsentrasjonen, den eneste andre anion med signifikant konsentrasjon som er målt. De 0,031 ekvivalenter pr. liter av natrium korrelerer godt med anionmangelen på 0,033.

De eneste andre uorganiske anioner av noen signifikant konsentrasjon i slamfiltratet er karbonat- og bikrbonationer, selv om disse ionene ikke kan påvises direkte med normal bruk av anionkromatografisystemet. Det er kjent at natriumkarbonat kan forekomme i signifikante mengder i bentoniter som anvendes i boreslam. I den bentonitprøven som ble anvendt for å fremstille referanseslammet er f.eks. det frie natriumkarbonatinn-holdet ved bruk av sjøvannvasking 0,014 g/g tørr bentonit slik det selges (0,3 x 19~<3> mole natrium pr. gram). Referanseslamfiltratet skal derfor inneholde 0,011 mole natrium pr. liter, frigjort ved vasking av 35,68 g bentonit pr. liter sjøvann. Natriumkarbonat anvendes vanligvis som et strekkmiddel for bentonit, spesielt når det gjelder dets reologiske egenskaper. Natriumkarbonatet i bentoniten kan også foreligge som et resultat av inadekvat vasking etter den ionevekslerprosess som anvendes for å omdanne naturlig forekommende kalsiummontmoril-lonit til natriumformen.

Det tilsynelatende tap av 0,03 6 molar konsentrasjon av hydroksydioner balanseres ved resten av den beregnede anion-ubalansen, og dette er sannsynligvis forårsaket av karbonat-/bikarbonationer. Likevekten mellom slamfiltratet og atmosfæren resulterer i at karbondioksyd fra luften oppløses i filtratet og noe av dette danner karbonsyre som dissosierer for å danne karbonat-, bikarbonat- og hydrogenioner i løsning:

Dissosieringen av karbonsyre frigjør derfor hydrogenioner i løsningen og senker pH. Alkalislamfiltratet vil absorbere karbondioksyd fra atmosfæren og senke dets pH ved effektivt å erstatte hydroksydioner i løsningen med karbonat- og bikarbo-kationer. Reduksjonen av hydroksydionkonsentrasjonen i referanseslamfiltratet med 0,089 molar er derfor forårsaket av en kombinasjon av uthelning av uløselig magnesiumhydroksyd og dannelse av karbonat- og bikarbonationer i løsning.

Den høye magnesiumkonsentrasjonen som finnes i slamfiltratet ved en pH-verdi på 9,77 er sannsynligvis forårsaket av dannelsen av ionepar mellom magnesium- og karbonat- og bikarbonationer, dvs. forbindelsene MgHC03<+> og MgC03 dannes i løsning. Dannelsen av ionepar i løsning økes meget av nærværet av de høye elektrolytkonsentrasjonene som finnes i sjø-vann.

Økningen i konsentrasjonen av kalium (3,2 x 10"<3> molar) og kalsium (0,75x 10"<3> molar) i filtratløsningen er sannsynligvis forårsaket av forurensninger i slamproduktene. Kalsiumkonsentrasjonen i både sjøvannet (439 ppm) og referanseslamfiltratet (470 ppm) ligger godt innenfor den kalsiumkonsentrasjon som anbefales i det foreslåtte slamsystemet.

Det er mulig at det har vært ioneveksling mellom kalium i filtratet og kalsium fra bentoniten. Det er kjent at noen bentonitprøver har opptil 50% av deres vekslerkapasitet opp-tatt av kalsiumioner, selv om det nominelt selges som natrium-montmorillonit. Nærværet av en slik stor fraksjon av kalsium i bentoniten er forårsaket av ufullstendig ioneveksling av den naturlig forekommende kalsiummontmorilloniten til den ønskede natriumformen. Den industrielle ionevekslerprosessen har også en tendens til å etterlate relativt store mengder natriumkarbonat i bentoniten (se ovenfor). Det er interessant at det later til å være liten veksling mellom natrium i bentoniten og kalium i løsning. Dette kan være forårsaket av den store konsentrasjonen av natrium i løsningen.

Som konklusjon av dette er det følgende forskjeller i sammensetningen av sjøvann og filtrat: (1) hovedmengden av det hydroksyd som er tilsatt til slamsystemet for å oppnå et høyt pH, fjernes fra løsningen ved hjelp av magnesiumhydroksydutfeining og omdannelse til karbonat/- bikarbonat ved opptak av karbondioksyd, (2) en betydelig mengde natriumklorid tilsettes til slamsystemet som forurensninger i CMC- og XC-polymerene, (3) natriumkarbonat tilsettes til slamsystemet som en forurensning i bentoniten, (4) det er små økninger i konsentrasjonene av kalsium-, kalium- og sulfationer på grunn av sporforurensninger i slamproduktene.

Filtratblandingen fra en sats av aktive slamprøver (som oppviser ca. 25% av totalrekken av aktive slam) skal nå analyseres på hovedanionene og -kationene sammen med pH.

Figur 13 viser variasjonen av pH i slamfiltratprøvene med prøvetagningstiden (i timer). Hovedmengden av pH-verdiene ligger i området 8,7-8,9, idet bare én slamfiltratprøve har en pH-verdi over 9,0. Det er tydelig at under prøvetagningsperi-oden var pH i slamsystemet utenfor det anbefalte område på 9-10 (Tabell 1), selv om den nøyaktige graden av irreversibel pH-reduksjon ikke kan fastslås. I de første 15 timene stiger pH-gradvis (bortsett fra en enkelt avviker ved t=3,7 timer), og når en pH-verdi på nesten 9 ved t=15 timer. For prøvetag-ningstider større enn ca. 22 timer ble de målte pH-verdiene i filtratprøvene ganske uregelmessige. Det er vist at variasjonene i pH korrelerer med variasjonene i faststoffinnholdet i slammet. Den grove tendensen er at de høyere verdier for pH i filtratet korrelerer med de høyere faststoffinnholdene.

Natriuminnhold i slamfiltratprøvene

Figur 14 viser variasjonen av natriumkonsentrasjonen i de aktive slamfiltratprøvene som en funksjon av prøvetagningsti-den. De første 13 timene av prøvetagningsperioden er karakterisert ved en stor økning i filtratets natriumkonsentrasjon.

Natriumkonsentrasjonen i referanseslamfiltratet er 0,719 molar, slik at natriumkonsentrasjonen i prøvene i det meste av prøvetagningsperioden er signifikant over referanseverdien. Kildene for det tilsatte natrium er natriumhydroksyd for bibehold av pH, natriumkarbont for utfelning av kalsiumkarbonat og natriumkarbonat og natriumklorid som forurensninger i henholdsvis bentoniten og polymerene.

En toppkonsentrasjon på ca. 0,86 molar nås mellom t=13 timer og t=18 timer, hvilket nær tilsvarer boringen av den tredje formasjonen (se figur 11). Natriuminnholdet i filtrat-prøvene faller sterkt etter t=18 timer og fortsetter å falle for å nå en konsentrasjon på ca. 0,73 molar mellom 26 og 27 timer, hvorpå natriumkonsentrasjonen stiger og fluktuerer omkring en middelverdi på ca. 0,745 molar for resten av prøve-tagningstiden.

Minskning i natriumkonsentrasjonen etter t=18 timer synes å kunne tilbakeføres til to hovedårsaker. For det første vil den delvise erstatning av slamsystemet (eller også fortynning med sjøvann) redusere natriuminnholdet i slamfiltratprøvene. Varigheten av slamerstatning/fortynning og erstatningsvolumet er ukjent. Den etterfølgende sterke økning i faststoffinnholdet er antageligvis forårsaket av borekaks og borehulldisper-sjon. Kraftavstengningen ved t=20,5 timer stanset all slamsirkulasjon i ca. 50 minutter, hvoretter faststoffinnholdet i slammet stort sett var kommet tilbake til dets opprinnelige

(dvs. foran erstatningen) verdi på ca. 26,5%. Dersom slammet ble erstattet og/eller fortynnet ved prøvetagningstider etter ca. 24 timer, viste det målte faststoffinnholdet ikke dette bortsett fra ved fluktuasjoner i vekt-% faststoffinnhold (dvs. forholdet mellom vekten av faststoffer og vekten av slammet) som kan indikere ikke-blanding i den aktive tanken. Mulighe-ten for en andre mekanisme for fjerning av natrium fra slamsystemet diskuteres nedenfor.

Kloridinnholdet i slamfiltratprøvene

Figur 15 viser variasjonen av kloridionkonsentrasjonen i slamfiltratprøvene med prøvetagningstiden. Tendensen ved forandringen i kloridionkonsentrasjonen følger nært trenden for forandring av natriumkonsentrasjonen. Én betydelig forandring i natriuminnholdet i slamprøvene følges imidlertid ikke av en forandring i kloridinnholdet, og derfor tilsettes natrium til slamsystemet i form av et annet salt. Forskjellen mellom natrium- og kloridionkonsentrasjonene fremgår av figur 16, hvor det kan sees at bare ca. halvparten av den totale økning av natriumionkonsentrasjonen er forårsaket av tilsetning av natriumklorid. Forskjellen i natrium- og kloridion-konsentrasj oner er - 0,084 molar i sjøvann og + 0,052 molar i referanseslamfiltratet. Det mest sannsynlige anion som balan-serer økningen av natrium i slamsystemet er karbonat eller bikarbonat, idet pH i filtratprøvene er for lave til å kunne tilsvare hydroksydkonsentrasjoner av størrelsesorden 0,1 molar (se figur 13). Den tilsynelatende anionmangelen i slamsystemet er diskutert mer i detalj nedenfor.

Økningen av natriumkonsentrasjonen ved t=18 timer tilsva-res av minskning i kloridionkonsentrasjonen, siden forskjellen i deres konsentrasjoner forandres lite etter denne tiden (se figur 16). Det foreligger derfor en reduksjon i natrium-kloridkonsentrasjonen i slamsystemet, og denne fjerning sam-menfaller med boring inn i den fjerde formasjonen (figur 11). En andre mulig mekanisme for reduksjonen av natriumklorid er saltsorbsjon av borekaksen når den sveller og begynner å dispergere i ringrommet.

For prøvetider større enn 25 timer blir filtratprøvene anriket på klorid i forhold til natriuminnholdet. Denne anrikning antyder at det enten foregår en tilsetning av et annet kloridsalt eller fjerning av et natriumsalt forskjellig fra natriumklorid, eller en uttømming av slamsystemet og erstatning med slam hvis sammensetning ligner mer på refe-ranses lammet .

Kaliuminnholdet i slamfiltratprøver

Bestemmelsen av kaliuminnholdet i slamfiltrater er et viktig krav i enhver metode som anvendes for å analysere den kjemiske sammensetningen av slamprøver. Det understrekes at den eneste kilde for kalium i slamsystemet er fra sjøvann (388 ppm eller 0,010 molar), siden ingen kaliumsalter ble tilsatt for å fremstille et inhiberende slamsystem. Figur 17 viser konsentrasjonen av kalium i slamfiltratet som en funksjon av prøvetagningstiden. Før t=13,2 timer er kaliuminnholdet i filtratprøvene ganske konstant på ca. 0,008 molar (310 ppm), nær den verdi på 0,010 molar som er funnet i sjøvann, men under den verdi på 0,013 molar som er funnet i referanseslamfiltratet. Etter t=13,2 timer faller kaliumkonsentrasjonen sterkt, og når en minimumsverdi på 0,003 molar med t=23,7 timer. En sammenligning av figur 17 med figur 11 viser at den sterke minskningen i kaliuminnholdet i filtratprøvene sammen-faller nesten nøyaktig med grensen mellom de andre og tredje formasjonene som påtreffes under prøvetagningen. Den tredje formasjonen fjerner derfor kalium fra slamsystemet, enten i form av et salt ved saltsorbsjon eller ved en kationveksler-mekanisme.

For prøvetagningstider større enn ca. 24 timer begynner kaliuminnholdet i slamfiltratprøvene å øke, og ved t=29,7 timer kommer konsentrasjonene tilbake til de konsentrasjoner som ble funnet for t mindre enn 13,2 timer. Siden hovedkilden for kalium i slamsystemet er sjøvann, kan det konkluderes med at en signifikant tilsetning av sjøvann til slamsystemet forekom mellom ca. t=24 timer og t=3 0 timer.

Konsentrasjonen av kalium i filtratet avtar sterkt etter t=31,3 timer som antyder at på denne tiden har tilsetningen av sjøvann stanset og det foregår nu en fjerning av kalium i den femte formasjonen.

Maqnesiuminnholdet i slamfiltratprøvene

Variasjonen av magnesiumkonsentrasjonen i slamfiltratene med prøvetagningstiden fremgår av figur 18. Den eneste kilde for magnesium i slamfiltratprøvene er fra sjøvann, hvor konsentrasjonen er 0,056 molar (se Tabell 3). Magnesiumkonsentrasjonen i referanseslamfiltratet er 0,030 molar. Magnesiumkonsentrasjonen i filtratprøvene er derfor alltid lavere enn konsentrasjonen i sjøvann, men alltid over konsentrasjonen i referanseslamfiltratet.

Sammenligning av figur 18 med figur 11 viser at den første minskning i magnesiuminnholdet i filtratprøvene tilsvarer den første formasjonen, mens den følgende økning i konsentrasjonen tilsvarer den andre formasjonen. Tilsetningen av sjøvann til slamsystemet ved t=17 timer later til å reversere en tendens (start ved ca. t=15,5 timer) til minskende magnesiumkonsentrasjon i den tredje formasjonen. Ved t=22,7 timer faller imidlertid magnesiumkonsentrasjonen i filtratene sterkt og fortsetter å falle for å nå sin laveste konsentrasjon (0,033 molar) ved t=25 timer. Dette sterke fallet inntrer like etter at den fjerde formasjonen er gjennomtrengt, hvilket muligens indikerer magnesiumsorbsjon eller kationveksling mellom slammet og formasjonen. En alternativ grunn til minskningen er den kontinuerlige tilsetningen av nytt slam som har en magnesiumkonsentrasjon signifikant under verdien for sjøvann, dvs. pH i det tilsatte slammet er over pH i sjøvannet. Et visst bevis for tilsetningen av slam med høyt pH mellom t=22,7 timer og t=25,0 timer er den relative anriknin-gen av natrium (sammenlignet med klorid, figur 16) i filtratene, som stemmer overens med tilsetningen av natriumhydroksyd til slamsystemet. Magnesiumkonsentrasjonen stiger etter t=25,0 timer, selv om den etterfølgende variasjon i magnesiuminnholdet er noe uregelmessig og ganske lik den opptreden som finnes i pH-dataene (figur 13). Magnesiumkonsentrasjonen synes f.eks. å være et nært speilbilde av filtrat-pH med en forsinkelse på ca. 90 minutter i magnesiumprøvetagningstiden. Et slikt forhold er ventet fra ligning (23), selv om årsaken til forsinkelsen på 90 minutter når det gjelder overensstem-melsen, er uklar.

Kalsiuminnholdet i slamfiltratprøvene

Figur 19 viser den tilsvarende variasjon av kalsiuminnholdet i slamfiltratene med prøvetagningstiden. I motsetning til magnesiumkonsentrasjonen er kalsiumkonsentrasjonen i alle filtratprøvene godt under både konsentrasjonen i sjøvann (0,011 molar) og referansefiltratet (0,012 molar). Slamspesifikasjonen krever at kalsiumkonsentrasjonen holdes i området 250-600 ppm, mens den maksimalt målte kalsiumkonsentrasjonen i filtratpøvene bare er 242 ppm.

Kalsiumkonsentrasjonen i filtratene øker generelt fra t=0 til t=19,8 timer hvor den når en toppkonsentrasjon på 0,006 molar, selv om tendensen ikke er jevn. Bortenfor t=19,8 timer minsker kalsiumkonsentrasjonen inntil t=25 timer hvorpå den igjen øker og når den samme toppkonsentrasjonen ved t=26,2 timer og t=29,l timer. De siste 4,5 timer av prøvetagningen er karakterisert ved en minskning i kalsiumkonsentrasjonen.

Kalsiuminnholdet i filtratene følger grovt magnesiuminnholdet, idet den generelle tendens er at begge ionekonsentra-sj oner øker og minsker sammen. Det er noen unntak, spesielt i den første formasjonen minsker magnesiuminnholdet mens kalsiuminnholdet både minsker og øker. Begge ionekonsentrasjoner viser en sterk minskning ved boring inn i den fjerde formasjonen, fulgt av en sterk økning på grunn av sjøvanntilsetning.

Figur 20 er en kryssavsetning av kalsium- og magnesium-konsentrasjonene i filtratprøvene. De punkter som er nummerert i rekkefølge for økende tid, viser to distinkte områder. Punktene 1 til 11 (bemerk avvikere ved 2 og 10) representerer ionekonsentrasjoner i filtrater fra de første, andre og tredje formasjonene, mens de som er nummerert med 12-23 er fra de fjerde og femte formasjonene. De første 11 punktene gir et rimelig lineært forhold som er vel separert fra punkter 12-23.

De sistnevnte punktene synes å danne to forskjellige, men parallelle linjer bestående av henholdsvis punkter 12-16 og 17-23. Punktene 12-16 tilsvarer reduksjonen av både kalsium-og magnesiumkonsentrasjonen ved boring inn i den fjerde formasjonen, mens punktene 17-23 tilsvarer den uregelmessige opptreden som synes å være et resultat av addisjon av sjøvann. Den generelle tendensen i tverravsetningen er at noen formasjoner er karakterisert ved et høyt magnesium- og lavt kal-siuminnhold, mens de andre formasjonene er karakterisert ved et høyt kalsium- og lavt magnesiuminnhold. Denne avsetning er en av de mest følsomme indikatorene på kjemiske forandringer i slammet på grunn av tilsetning av slamprodukter og/eller reaksjoner mellom slam og formasjon. Karbonatoppløsning eller utfelning som opptrer i slammet er eksempelvis karakterisert ved data på avsetningen i figur 20, som faller sammen rundt en rett linje som går gjennom dataene med referansetallene 3 til 11.

Sulfationkonsentrasionen i slamfiltratprøvene

Figur 21 viser variasjonen av sulfationkonsentrasjonen i slamfiltratprøvene som en funksjon av tid. Konsentrasjonen av sulfat i referanseslamfiltratet er 0,032 molar, av hvilket 0,030 molar kommer fra sjøvann. Slamproduktene som er vist i Tabell 2, gir en liten sulfattilsetning til slamsystemet, sannsynligvis i form av natriumsulfat. Diskusjonen av pH-målingene tidligere antyder at det har foregått en viss irreversibel reduksjon av sulfationer ved anaerob bakterievirk-ning, og derfor er det sannsynlig at sulfatmengdene i filtratene, når de måles i laboratoriet, er lavere enn når det ble tatt prøver av slammet på borestedet. Dette understreker igjen nødvendigheten av å utføre analysene direkte på borestedet.

Den målte sulfatkonsentrasjonen i slamfiltratprøvene ligger rimelig godt i området for sjøvann- og referansefilt-ratkonsentrasjonene. To uttalte topper kan sees mellom t=2,6 timer og t=6,7 timer, og t=9,3 timer og t=22,7 timer, hvor basisverdien for konsentrasjonen etter den andre toppen når den opprinnelige sulfatkonsentrasjonen på 0,028 molar. Den første toppen når en verdi på 0,031 molar, mens den andre toppverdien er 0,034 molar. Med unntagelse av et konsentra-sjonsfall ved t=27,4 timer fulgt av en sterk topp ved t=28,9 timer, stiger sulfatkonsentrasjonen gradvis fra basisverdien på 0,028 molar til den nesten nærmer seg sulfatkonsentrasjonen i sj øvann.

Økningen av sulfatkonsentrasjonen i filtratprøvene over konsentrasjonen i sjøvann er forårsaket av forurensninger i de tilsatte slamproduktene. Nærværet av de to sulfattoppene som fremgår av figur 21, indikerer derfor tilsetningen av slamprodukter. I begge tilfeller følges økningen i sulfatkonsentrasjonen av en minskning som har en tendens til å redusere det tilbake til verdien i sjøvann. Reduksjonen av konsentrasjonen er en følge av enten blanding av slammet i ringrommet eller fortynning med sjøvann. Reduksjonen av sulfatkonsentrasjonen etter at den første toppen er nådd, hvilket inntrer i tids-perioden t=3,7 til t=6,7 timer, synes ikke å være forårsaket av tilsetningen av sjøvann, siden ingen andre ioneslag indikerer en tilbakevending til konsentrasjonen i sjøvann. Det er derfor sannsynlig at denne reduksjonen av målt sulfatkonsentrasjon er forårsaket av blanding i den aktive tanken. Reduksjonen av sulfatkonsentrasjon etter den andre toppen er nådd, kan være forårsaket av sjøvannstilsetning eller slamerstat-ning. Minskningen i sulfatkonsentrasjon korrelerer med den store minskning i natrium- og kloridionkonsentrasjoner (figur 14 og figur 15), hvilket også indikerer at sjøvanntilsetning forekom på denne tiden.

Sulfatkonsentrasjonen i filtratprøvene korrelerer godt med natriumkonsentrasjonen, noe som kunne ventes siden sulfat tilsettes i form av natriumsulfat som en forurensning i bentoniten og polymerslamproduktene.

Den tilsynelatende anionman<g>el i filtratprøvene.

Summeringen av den totalt målte anion- og kationladnin-gen i hver slamfiltratprøve viser at det er en tilsynelatende anionmangel Ad slik det fremgår av ligning (19). Det understrekes at anionmangelen bare er tilsynelatende og er et mål på de anioner i løsning som ikke kan måles ved bruk av ionekromatograf isystemet. Anionmangelen omfatter pH-verdien, men denne kan måles på annen måte og tas i betraktning. Det er ventet at anionmangelen i hovedsak er karbonat- og bikarbonationer.

Figur 22 viser den tilsynelatende anionmangelen (Ad) i slamfiltratprøvene som en funksjon av prøvetagningstiden. Det er ventet at anionmangelen i hovedsak er karbonat eller bikarbonat, som effektivt er i natriumformen. En sammenligning av figurene 14 og 22 viser at Ad korrelerer godt med natriumkonsentrasjonen i filtratprøvene, selv om det er noen signifikante forskjeller. For det første er det en sterk minskning i natriumionkonsentrasjonen ved t=18 timer som ikke oppveies av anionmangelen, spesielt mellom t=22,5 timer og t=25 timer. For det andre er oppførselen etter t=25 timer ganske uregelmessig, noe som også er karakteristisk for magnesium- og kalsiumionkonsentrasjonene.

Analysen av referanseslamfiltratet viste at anionmangelen kunne tilbakeføres til karbonat/bikarbonat, og at det balan-serende kationet nesten utelukkende var natrium. Sammenligningen mellom Ad (figur 22) og (natrium-klorid)-ionekonsentra-sj onen (figur 16) viser bedre overensstemmelse mellom Ad og ([Na] - [Cl]) enn Ad og [Na], selv om Ad i motsetning til i referanseslamfiltratet, alltid er signifikant større enn ([Na] - [Cl]). Karbonat/bikarbonatkonsentrasjonen i slamprøv-ene er derfor større enn overskuddet natrium, dvs. det natrium som er forskjellig- fra det som foreligger som natriumklorid,. og således er det minst en andre kilde for karbonat. En tverravsetning av ([Na] - [Cl]) som funksjon av Ad, figur 23, viser en generelt lineær tendens hvor Ad selv om gradienten er omtrent en enhet, alltid er større enn ([Na] - [Cl]).

Figur 24 representerer variasjonen av Ad-([Na] - [Cl]) med prøvetagningstiden, og viser en god korrelasjon med både magnesium- og kalsiumionkonsentrasjonene (henholdsvis figur 18 og 19). Den andre kilde for karbonat i slamfiltratprøvene synes å være kalsium- og magnesiumkarbonater som oppnås fra de borede formasjonene. Kryssavsetningen av [Mg] som en funksjon av Ad-([Na] - [Cl]), figur 25, viser lineær opptreden med en gradient på enheten, selv om [Mg] uttrykt som ekvivalente pr. liter er signifikant større enn Ad-([Na] - [Cl]) og derfor foreligger ikke alt tilstedeværende magnesium som magnesium-karbonat. Den generelle tendensen for dataene er at de første og andre formasjonene (punkter 1-9) er karakterisert ved høye magnesium- og karbonatverdier, mens de'tredje, fjerde og femte formasjonene har lavere verdier for magnesium og karbonat.

Den målte kjemiske (ioniske) sammensetningen av slamfilt-ratprøvene har vist at det foreligger et rimelig forhold mellom filtratsammensetningen og boret litologi. Det later til at den eneste måte reaksjon mellom slam og formasjon er den mellom slammet og borekaksen, hvilket tyder på at så snart en formasjon er boret, er den eneste signifikante innvirkning den har på slamsammensetningen den kontinuerlige tilsetningen av faststoffer, f.eks. "cavings". Forskjellige typer av formasjoner kan skilles på magnesium- og kalsiuminnholdet i filtratene, idet noen er karakterisert ved et høyt Ca/Mg-forhold mens andre formasjoner oppviser lavere Ca/Mg-forhold. Kaliuminnholdet i filtratprøvene viste også god kontrast mellom skifer- og ikke-skifer-formasjoner. Figur 28 viser en kryssavsetning av kaliumkonsentrasjonen som en funksjon av kalsiumimagnesiumforholdet. De første og andre formasjonene (punkter 1-9) er godt separert fra de tredje, fjerde og femte formasjonene (punkter 10-16) både loddrett med kaliuminnholdet og horisontalt med Ca/Mg.

De lavere punktene, 17-23, ligger ved høyere kalium- og Ca/Mg-verdier enn de øvre (punkter 10-16) og synes å nærme seg verdien for kaliumkonsentrasjonen (0,99 x IO"<2> molar) og Ca/Mg-forholdet (0,196) i sjøvann. Punkter 17-23 kan tilskrives fortynning av slamsystemet med sjøvann i en formasjon, og er fortsatt ganske adskilt fra sammensetningen av filtratet i de første og andre formasjonene. Ordningen av punktene 17-23 i figur 28 antyder at fortynningen av slamsystemet hadde stoppet på den tid prøven 22 ble tatt, og at sammensetningen av filt-ratprøve 23 nærmer seg karakteristiske verdier for kalium og

Ca/Mg for skiferpunktene 10-16.

Et annet og lignende diagram (ikke illustrert her), som fører til omtrent de samme resultater, består i kryssavsetning av kalium/natriumionkonsentrasjonsforholdet og Ca/Mg-ion-konsentrasj onsforholdet.

Den første analysen av de data som er vist i figur 28 illustrerer et hovedproblem som oppstår ved tolkning av hvilke som helst kjemiske slamloggemålinger, nemlig distinksjonen mellom tilsetninger til slamsystemet ved overflaten og prosesser nede i borehullet, som f.eks. ioneveksling og innstrømning av formasjonsvann. Generelt vil det ikke være mulig å isole-re borehullprosesser ved bruk av bare målingen av slamsammensetningen i den aktive tanken, med mindre det foreligger en detaljert kjennskap til alle tilsetningene.

Den beste løsningen på problemet med prosessadskillelse er å ta prøver fra både den aktive tanken og returslamstrømmen ved skifersikten. Disse to målingene av sammensetningen gjør det mulig å måle tilsetninger til slamsystemet ved overflaten ved sammenligning av retur- og aktive slamprøver på samme tid (idet det antas at transporttiden fra sikten til den aktive tanken er neglisjerbar sammenlignet med rundtripptiden) og den direkte målingen av borehullprosesser ved å følge et slamele-ment rundt borehullet fra den aktive tanken til sikten over varigheten av rundtripptiden. Det ble tatt prøver av retur-slamstrømmen på samme tid som fra den aktive tanken og det kunne derfor utføres en direkte sammenligning.

Den ovenstående analyse har vist at det er en god korrelasjon mellom boret litologi og slamfiltratsammensetning. Spesielt er ikke-skiferformasjoner forbundet med slamfiltrater med et høyt kaliuminnhold og et lavt Mg/Ca-forhold, mens skiferformasjoner generelt er forbundet med en lav kaliumkon-sentrasjon og et høyt Mg/Ca-forhold. Ikke-skifer-formasjoner er også forbundet med generelt høyere karbonat/bikarbonat-konsentrasjoner. Den sterke minskningen i kaliumionkonsentra-sjonen ga god oppløsning til den ikke-skifer/skifersjiktgrensen, mens magnesiumionkonsentrasjonen ga en god indikasjon på overføringen fra ett skifersjikt til det neste skifersjikt. Skjelning av litologi fra den kjemiske sammensetningen til slamfiltratprøver antyder at den utborede borekaksen er hovedmedvirkende til forandringen i sammensetning.

Analyse av forandringen i slammets kjemiske sammensetning fra den aktive tanken alene muliggjør ikke full skjelning mellom tilsetninger til'slammet ved overflaten og prosesser nede i hullet. Den aktive slamanalysen må sammenlignes med den tilsvarende analyse av returs1amstrømmen. Den uregelmessige variasjonen av aktiv slamsammensetning målt i de siste trinnene av prøvetagningen antyder lokale konsentrasjoner på grunn av blanding i den aktive tanken.

Analysen har også vist at betydelige mengder natriumklorid synes å tilsettes til slamsystemet, i stor grad som forurensninger i slamproduktene, spesielt CMC. Addisjonen av natriumklorid ble fulgt av en betydelig oppbygging av karbonat (strengt anionmangelen) i slamsystemet, delvis fra natriumkarbonat (tilsatt som et slamprodukt eller som en forurensning i bentoniten) og delvis fra de borede formasjonene. Anionmangelen har den tredje største konsentrasjonen av noen ioneslag etter natrium og klorid. Det er også bemerket at, når slammet ikke sirkulerer (forårsaket eksempelvis av midlertidig stopp av boringen) og brønnen blir inaktiv i en stund (minst noen få timer), forblir de samme delene av slammet i borehullet i kontakt med de respektive formasjoner som gjennomtrenges av borehullet. Ioneveksling mellom slammet og formasjonene foregår da. Når sirkulasjonen av slammet gjenopptas og det igjen tas prøver av slammet ved overflaten, har den kjemiske analysen av prøvene vist at hver del av slammet, som en stund var i kontakt med den samme underjordiske formasjonen, hadde kjemiske egenskaper (ionekonsentrasjoner, pH og/eller CEC) som var spesifikke for denne formasjonen. Det er derfor mulig, ifølge foreliggende oppfinnelse, å bestemme de formasjoner som gjennomtrenges av borehullet og deres egenskaper ved å ta prøve av slammet og analysere dets kjemiske egenskaper, idet hver prøve tilsvarer en viss dybde og derfor en viss formasjon, inntil hele slamkolonnen i borehullet er sirkulert opp til overflaten og analysert.

Claims

1. Fremgangsmåte for testing av boreslam, omfattende periodisk prøvetagning av sirkulerende boreslam og analysering av prøvene ved ionekromatografi på rigg-stedet, karakterisert ved at det vandige filtrat av slammet analyseres for å bestemme anion-, énverdig kation- og toverdig kationkonsentrasjoner for hver prøve, for derved å innhente en rekke data relatert til endringen i konsentrasjonen av nevnte ioner med tiden, idet hver prøve tas fra samme sted i slamstrømmen ved en forutbestemt tid.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten i tillegg innbefatter måling av pH i hver prøve.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fremgangsmåten i tillegg innbefatter måling av temperaturen i hver prøve.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at anion- og kationinnholdet i slamprøve-filtratet bestemmes ved hjelp av tre ionekromatograf i-enheter.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at slamfiltratet analyseres på minst to av følgende: natrium-, kalium-, magnesium- og kalsiumkationer samt klorid- og sulfatanioner.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter overvåking av konsentrasjonen av ett ion i slammet fra prøve til prøve og sammenlignes med konsentrasjonen av nevnte ion i en referanseprøve.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at en diskret mengde av et sporstoffion som er stort sett inert overfor borehull-reaksjoner, tilsettes slammet før det strømmer inn i borehullet, og at slamprøve-filtratene analyseres for sporstoffionet for overvåking av endringer over tid i sporstoffion-konsentrasjonen i slammet som det er tatt prøve av, for å bestemme virkningen av hydrodynamisk dispersjon i det sirkulerende slam.

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter bestemmelse av anionladningsmangelen for en prøve ved referanse til en database for likevektskonstanter over områder av pH og temperatur for reaksjoner som er relevante for slamsystemet og innebærer nevnte anioner og relevante kationer, og derfra utledning av konsentrasjonen av det eller hvert uanalyserte anion ved den målte pH og temperatur i prøven og ved den målte konsentrasjon av andre ioner i prøven.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at de uanalyserte ioner er én eller flere av karbonat, hydroksyd og bikarbonat og de relevante kationer er kalsium og/eller magnesium.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter sammenligning av kalsium- og magnesium-ionekonsentrasjonene i prø-vene og bestemmelse av endringer i litologi eller andre endringer ut fra nevnte sammenligning etterhvert som boringen skrider frem.

11. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter sammenligning av kalium-ionekonsentrasjonen eller kalium/natrium-ionekonsentrasjonsforholdet og kalsium/magnesium-ionekonsen-trasjonsforholdet i prøvene og bestemmelse av endringer fra sammenligningen etterhvert som boringen skrider frem.

12. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at faststoffene i prøvene analyseres på riggstedet for sorberte ioner og/eller for kationutvekslingskapasitet.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at slamfaststoffene i en prøve tørkes, en kjent vekt av de tørkede faststoffer vaskes for å fjerne sorberte ioner, og kationer og anioner i den resulterende løsning identifiseres og proberes ved ionekromatografi .

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at slamfaststoffene i en prøve tørkes og så vaskes fri for sorberte ioner, en kjent vekt av de vaskede faststoffer ioneutveksles med erstatningskation i et kjent løsningsvolum, den resulterende løsning inneholdende ioner som er frigitt fra faststoffene analyseres ved ionekromatografi for å identifisere kationene og for å bestemme deres konsentrasjoner, og den målte, totale konsentrasjon av frigitte kationer normaliseres til tørr faststoffvekt for å gi slamfaststoffenes kationutvekslingskapasitet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13 eller 14, karakterisert ved at slamfaststoffene i en prøve tørkes og så vaskes fri for sorberte ioner, en kjent vekt av de vaskede faststoffer ioneutveksles med erstatningskation i et kjent løsningsvolum, løsningen analyseres ved hjelp av ionekromatografi før og etter ioneutveksling, og fallet i erstatningsionekonsentrasjonen i løsningen bestemmes og normaliseres til tørr faststoffvekt for å gi slamfaststoffenes kationutvekslingskapasitet.

16. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at borekaks separeres fra slammet, tørkes, og ioner ekstraheres fra en kjent vekt av det separerte, tørkede borekaks i løsning, og den resulterende løsning analyseres ved hjelp av ionekromatografi for utvalgte anioner og kationer.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at borekakset tørkes, en kjent vekt av det tørkede borekaks vaskes for å fjerne sorberte ioner, og kationene og anionene i den resulterende løsning analyseres.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 16 eller 17, karakterisert ved at borekakset tørkes og så vaskes fri for sorberte ioner, en kjent vekt av det vaskede borekaks ioneutveksles med erstatningskation i et kjent løs-ningsvolum, den resulterende løsning inneholdende ioner analyseres ved ionekromatografi for å identifisere kationene og måle deres konsentrasjoner, og den målte totale konsentra-sjon av frigitte kationer normaliseres til den tørkede bore-kaks-vekt for å gi borekaksets kationutvekslingskapasitet.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 16 eller 17, karakterisert ved at borekakset tørkes og så vaskes fri for sorberte ioner, en kjent vekt av det vaskede borekaks ioneutveksles med erstatningskation i et kjent løs-ningsvolum, løsningen analyseres ved ionekromatografi før og etter ioneutveksling, og fallet i erstatningsionekonsentra-sjon i løsningen bestemmes og normaliseres til tørr borekaks-vekt for å gi borekaksets kationutvekslingskapasitet.

20. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 14, 15, 18 eller 19, karakterisert ved at den videre omfatter sammenligning av kationeutvekslingskapasiteten og torium- og kaliuminnholdet i den borede formasjon for derved å frembringe en tredimensjonal graf som karakteriserer formasjonen.

21. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at slamtilførselens sammensetning justeres i henhold til analyseresultatene, til eller imot et forutbestemt optimum etterhvert som boringen skrider frem.

22. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at analyseprøver tas i det vesentlige samtidig fra slammet som kommer inn i borehullet og slammet som strømmer ut av borehullet, og at analysene sammenlignes for å skille mellom tilsetninger til slammet ved overflaten og prosesser nede i borehullet.

23. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at ionekonsentrasjons-dataene lagres og sammenlignes med allerede lagrede data.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, karakterisert ved at de allerede lagrede data er data som tidligere er fremskaffet ved analysen av forut-gående slamfiltratprøver.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 23 eller 24, karakterisert ved at de allerede lagrede data er referansedata som er karakteristiske for den forskrevne slamformulering.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 25, karakterisert ved at som resultat av nevnte sammenligning justeres slamsammensetningen til den foreskrevne formulering.