NO172546B - Faststoff-fri, ikke-vandig borevaeske for komplettering eller overhaling av en broenn - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører faststoff-fri, ikke-vandig borevæske for komplettering eller overhaling av en brønn. Borevaesken har variabel høy spesifikk vekt og kan benyttes under eller etter boring for å komplettere og/eller behandle en produksjons- eller injeksjonsbrønn.

Væskene er nyttige som kompletteringsvæsker eller over-hal ingsvæsker , sammen betegnet brønnhul1væsker, hvor høy stabilitet, lav korrosjon og fravær av størkning er ønsket.

Betegnelsen "faststoff-fri" anvendes på brønnhullbasisvæsken som har den ønskede spesifikke vekt. Denne betegnelse forstås innen teknikken å bety at intet fast vektmiddel er benyttet. I visse tilfeller kan imidlertid faste additiver tilsettes til brønnhul1væsken for spesielle formål.

Eksempler på brønnhul1væsker er innboringsvæsker, fraktureringsvæsker, gruspakkingsvæsker og pakningsvæsker.

Etter at en olje- eller gassbrønn har blitt boret, blir foringen perforert for å tilveiebringe adgang gjennom fSringen til jordformasjonen inneholdende hydrokarbonene som skal utvinnes. Dette kan gjøres ved å sprenge formede ladninger av forskjelliger typer i foringen eller ved hjelp av mekaniske foringsperforeringsanordninger av slagtypen. Ved perforering av foringen blir i alle tilfeller brønnens indre utsatt for jordformasjonstrykket og nødvendiggjør et opp-veiende hydrostatisk trykk av væske i brønnen for å hindre tap av kontroll av brønnen. I praksis blir det hydrostatiske trykket i brønnen vanligvis holdt noe høyere enn det i jordformasjonen, og noe av væsken i brønnen strømmer ofte gjennom perforeringene inn i jordformasjonen.

I et slikt tilfelle er det uønsket å benytte boreslam som brønnhul1væske. Slammaterialene med deres faste bestanddeler har tilbøyelighet til å gjentette perforeringer og, dersom de kommer inn i jordformasjonen, kan de forstyrre tilbørlig utvinning av det ønskede hydrokarbon fra reservoaret, spesielt i sandholdige formasjoner. For å unngå slike problemer er det vanlig å benytte en faststoff-fri kompletteringsvæske som opprettholdes i brønnen for å balansere som utøves av jordformasjonen.

En annen anvendelse for en slik væske i denne sammenheng betegnet "pakningsvæske", er å utøve et hydrostatisk trykk på en ringformet pakning for å sikre at den produserte oljen eller gassen bare kommer ut fra røret i veggen under kontroll av brønnoperatøren. I praksis blir pakningen anbragt i det ringformede rom mellom foringen og røret, væsketett, slik at formasjonsproduktene slik som gass eller olje hindres i å unnslippe fra brønnen unntatt gjennom røret. Dette ringrom over pakningen fylles deretter med en pakningsvæske for å holde et hydrostatisk trykk på opphull- eller toppsiden av pakningen som er omtrent det samme som, eller muligens noe større enn, trykket i den produserende formasjonen. Ved anvendelse av en slik væske, produserer formasjonsproduktene det samme, eller noe mindre, trykk på den andre siden eller nedhullssiden av pakningen som den tilsatte væske gjør på den motsatte siden av pakningen. Således minimaliserer fjerningen av eventuelt vesentlig differensialtrykk over pakningen enhver tendens til siving eller lekking av formasjonsproduktene rundt pakningen.

For at en brønnhul 1 væske skal være nyttig i disse og andre anvendelser må væsken ha tilstrekkelig spesifikk vekt til å utøve det nødvendige hydrostatiske trykk og dets spesifikke vekt bør fortrinnsvis kunne varieres for å utøve det ønskede omfang av hydrostatisk trykk for å balansere trykket som utøves av jordformasjonen. Det hydrostatiske trykket til væsken er basert på høyden av vaeskesøylen i brønnen og dens spesifikke vekt. Siden brønndypden og følgelig høyden på væskesøylen i brønnen er fiksert, bør bare den eneste gjenværende variable, nemlig væskens spesifikke vekt, kunne varieres til å oppfylle behovene for det hydrostatiske trykk som er nødvendig nede i borehullet.

Dette oppnås i dag ved hjelp av et av to midler. Ofte blir tette partikkelformige materialer slik som barytter eller kalsiumkarbonat suspendert i et baerervæske. En hovedulempe med denne metoden er migreringen av disse faste stoffene inn i reservoaret hvilket leder til en svekkelse av hydrokarbon-gjenvinningen. For å bøte på dette problemet har tette, faststoff-frie, saltoppløsninger med forskjellige sammen-setninger blitt foreslått.

Brønnhul1væsker bør være ikke-korroderende overfor jern-metallrør som de er i kontakt med i lengre tidsrom. Når først en produksjonsbrønn er etablert og rør, pakning og kompletteringsvæske har blitt anbragt, omfatter erstatning av enhver del av rørstrengen på grunn av korrosjon av kompletteringsvæsken, en større operasjon hvilket krever avstengning av brønnen og en kostbar og lang periode for fjerning og erstatning av rørstrengen. Dersom korrosjonen i tillegg er sterk og hurtig, er tap av kontroll av brønnen på grunn av rørbrudd en alvorlig mulighet.

Brønnhul1væsker kan være (1) vannbaserte, f.eks. salt-oppløsninger, (2) invert-emulsjoner eller (3) oljebaserte systemer.

Vannbaserte systemer anvendes ofte, spesielt klare salt-oppløsninger, men de er forbundet med den ulempe at de noen ganger er toksiske (og nødvendiggjør derfor spesielle håndteringsprosedyrer), korroderende (og krever bruken av brønnforinger og/eller korrosjonsinhibitorer), og kan rekrystallisere og vise uforenelighet med reservoarvæsker.

De er også utsatt for skummingsproblemer og er hygroskopiske. Absorpsjon av vann leder til tap av spesifikk vekt og ytterligere reguleringsproblemer. En ytterligere ulempe er deres tilbøyelighet til å angripe elastomere tetninger i brønnhullutstyret.

Invertemulsjonsvæsker kan vektbelastes med syreoppløselige materialer slik som kalsiumkarbonat og viser liten reaksjon med reservoarleirer. De overflateaktive midlene som benyttes for å utvikle invertemulsjonen kan imidlertid skade reservoarformasjoner gjennom fuktbarhetsendringer.

Skade på formasjonen er et særlig akutt problem i mange brønner. Dette kan forårsakes av faststoffinntrengning fra faste partikler i brønnhul1væsken, slik som barytter eller leire, eller væskeinntrengning av selve væsken. Dette kan gi opphav til dispergering og migrering av reservoarleirer, emulsjonsblokkering og utfelling av avsetninger.

Ren råolje er naturligvis det minst skadelige kompletteringsvæsken som kan anbringes over en oljeholdig formasjon. Dets anvendelse har imidlertid blitt alvorlig begrenset på grunn av vanskeligheten med å suspendere vektmidler deri og selv om dette har blitt overvunnet så kan disse gi opphav til de ovenfor omtalte problemer.

For å overvinne disse problemene er det nå tilveiebragt en ny borevæske for komplettering eller overhaling av en brønn samt en ny brønnhul1væske.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en faststoff-fri, ikke-vandig borevæske for komplettering eller overhaling av en brønn, kjennetegnet ved at den omfatter en klorert eller bromert vegetabilsk olje, eter eller hydrokarbon oppløst i råolje, kerosin, en dieselolje eller en lavtoksisk boreolje, idet væsken har en spesifikk vekt i området 0,9 - 2,3.

Borevæsken har fortrinnsvis en spesifikk vekt i området 1,5-2,2.

Væsken har videre fortrinnsvis et Pensky Martens-flammepunkt på minst 66°C.

De relative mengdeforhold mellom halogenert materiale og oppløsningsmiddel kan velges til å gi en brønnhul1væske som har en ønsket spesifikk vekt.

Det halogenerte materialet er fortrinnsvis et bromert hydrokarbon, og egnede slike er bromerte aromatiske etere, difenyler, alifatiske hydrokarboner, benzen og alkylbenzener.

I tilfellet for alkylaromatiske forbindelser er det fore-trukket at bromsubstituentene kun er i den aromatiske kjernen og ikke i alkylsidekjeden. De foretrukne bromerte alkyl-benzenene er bromert etylbenzen og kumen.

Blandinger av isomerer og forbindelser med forskjellige grader av bromering resulterende fra bromeringsreaksjonene er egnet.

Nevnte borevæsker er generelt ikke-korroderende, termisk stabile og ikke-beskadigende overfor formasjoner.

Om ønsket kan imidlertid slike egenskaper modifiseres eller forbedres ved bruk av konvensjonelle additiver. Viskositeten kan f.eks. økes ved tilsetning av viskositetsregulerende midler slik som polyisobuten og polymerer og kopolymerer av akrylsyre og metakrylsyre og -estere. Termisk stabilitet kan forbedres ved tilsetning av antioksydasjonsmidler slik som sekundære aromatiske aminer og hindredede alkylfenoler.

Ytterligere egenskaper kan tilveiebringes for spesifikke formål, igjen ved bruk av konvensjonelle additiver. F.eks. krever fraktureringsvæsker anvendelse av geldannende midler slik som såper. I visse formasjoner kan det være nødvendig å benytte brodannende additiver og væsketapsadditiver slik som størrelsesregulert salt eller kalsiumkarbonat.

Væskene har lave stivnetemperaturer. I mange tilfeller er temperaturene ved brønnhodet ved jordoverflaten slik at mange væsker i den tidligere teknikk ville bli utsatt for frysing eller omkrystallisering i brønnoperasjoner med mindre spesielle foranstaltninger ble iverksatt. Siden fryse- eller omkrystalliseringstemperaturene for slike væsker godt kan være over frysetemperaturen for vann, og i noen tilfeller være så høy som 10 eller 15 °C, må omfattende forsiktighets-regler normalt benyttes for å hindre at disse væskene fryser. Disse omfatter omvarming av lagrings- og transportbeholdere for disse væskene og anvendelse av oppvarmingskapper rundt brønnledningene som benyttes for å føre væsken inn og ut av veggen. Slik spesiell håndtering innebærer betydelige operasjonsproblemer og -omkostninger.

Siden væskene er vesentlig ikke-vandige, er det intet problem med svellingen av leirholdige strukturer eller med avsetningsdannelse. I tilegg blir reservoarets kompatibilitet forbedret.

Oppfinnelsen illustreres under henvisning til følgende eksempler 1 - 7 og figurer 1 - 3 på de medfølgende tegningene. Figur 1 er en grafisk fremstilling som viser forholdet mellom den spesifikke vekt for en væske og konsentrasjonen av et densitetsøkende middel i et oppløsningsmiddel. Figurer 2 og 3 er figurer som viser hvordan permeabiliteten til en kjerne påvirkes av behandling ifølge foreliggende oppfinnelse.

I eksemplene 1-4 var testvæsken ifølge oppfinnelsen den som er identifisert ved betegnelsen NODO 1, som er navnet på en serie væsker med forskjellige spesifikke vekter fremstilt ved oppløsning av forskjellige mengder av en pentabrom-difenyleter, solgt under varebetegnelsen DE-71 av Great Lakes Chemical Corporation, i en lavtoksisk, boreolje, solgt av BP Chemicals Ltd. under varebetegnelsen BP 8313, i overens-stemmelse med det forhold som er vist grafisk på den med-følgende figur 1.

Mengdeforholdene kan velges slik at det oppnås blandinger med spesifikk vekt varierende fra mindre enn 1 til større enn 2.

Eksempel 1

Eksempel 1 illustrerer den lave korroderbarheten til NODO 1.

Testene ble utført ved 65-70°C i 165 timer på kuponger av 4140-stål og karbonstål i laboratorieglassutstyr ved bruk av 350 ml NODO 1 og 500 ml av en etablert kompletteringsvæske basert på ZnBr2/CaBr2~saltoppløsning. NODO 1 hadde en spesifikk vekt på 1,91 og saltoppløsningen en spesifikk vekt på 2,31.

Resultater som angitt i nedenstående tabell 1 ble oppnådd.

Resultatene ovenfor viser at det eksperimentelle komplet-ter ingsvæsken (NODO 1) ikke er så korroderende som det etablerte kompletteringsvæsken (ZnBr2/CaBr2) •

Eksempel 2

Eksempel 2 illustrerer det lave angrepsnivået på elastomerer fra NODO 1, som i dette eksemplet hadde en spesifikk vekt på 1,7.

Ytelsesevnen til to elastomerer eksponert for NODO 1 og to sammenligningsmedia ble undersøkt. Tabell 2 viser de innledende fysikalske egenskapene til de benyttede polymerene. NBR 689/4 var en konvensjonell nitrilgummi (eks. BP Chemicals Ltd) som hadde et høyt (41$) akrylonitrilinnhold med et høyt (100 pph) innhold av SRF-kjønrøk og var vulkanisert ved hjelp av et svovel-donor-herdesystem. Viton GF var en fluorkarbon-elastomer oppnådd fra James Walker and Co. Ltd., som var en peroksydherdet terpolymer av vinylidenfluorid, heksafluor-propylen og tetrafluoretylen. Begge elastomerer viste lignende strekkfasthetsdata, men var forskjellige med hensyn til deres elastisitetsmoduler og følgelige forlengelse. Nitrilgummien var behandlet slik at den hadde god resistens overfor olje, mens Viton GF hadde mer generell kjemisk resistens.

Sammenligningsmediene var en ZnBr2/CaBr2-saltoppløsning med spesifikk vekt på 1,7 og en ZnB^/CaB^-saltoppløsning med en spesifikk vekt på 2,3.

Endringen i fysikalske egenskaper til elastomerene ble målt etter eksponering overfor testvæskemedia i 28 dager ved 80°C og er rapportert som prosent egenskapsretensjonsdata i tabell 3.

Sammenligning av dataene for NODO 1 med ZnBr2/CaBr2~ saltoppløsningen med spesifikk vekt 1,7 viser at det i NODO 1 var en forbedring i retensjonen av mekaniske egenskaper hos nitrilgummien.

ZnBr2/CaBr2-saltoppløsningen med spesifikk vekt 1,7 var åpenbart mindre agressiv enn en lignende type av saltopp-løsning med spesifikk vekt 2,3. Betydelig stivning av nitrilgummien var tydelig i 1,7 saltoppløsningen, men denne elastomeren ble så sprø i 2,3-saltoppløsningen at den ble utsatt for brudd for tidlig til å tillate måling av elasti-sitetsmodulen. Forskjellen i oppførsel mellom disse salt-oppløsningene antas å skyldes det faktum at 1,7-saltoppløs-ningen hadde lavere spesifikk vekt enn 2,3-saltoppløsningen og således ville mengden av sinkbromid (antatt å være ansvarlig for skadelig virkning overfor nitrilgummi) i førstnevnte være mindre i den sistnevnte.

Eksempel 3

Eksempel 3 illustrerer den høye termiske stabiliteten til NODO 1. En prøve av NODO 1 ble holdt ved 176° C i 64 timer. Ingen endring i spesifikk vekt eller viskositet ble notert og dette indikerer at produktet var stabilt ved forhøyet temperatur.

Spesifikk vekt målt ved 25"C

Viskositet målt ved 20°C

Selve pentabromdifenyleteren er relativt ustabil og dekompo-nerer ved temperaturer mellom 220°C og 320°C.

Eksempel 4

Dette eksemplet illustrerer den ikke-skadelige effekten av NODO 1 på vannfølsomme strukturer og den skade som gjøres av en kompletteringssaltoppløsning. Begge væsker hadde spesifikk vekt på 1,8.

To prøveplugger ble tatt fra en sandstenkjerne inneholdende ca. 10 vekt-# svellende leirer, hovedsakelig kaolinitt (77-81% av leirefraksjonen), og smektittt (18-23$).

Bergartmatrisen var dårlig sementert og poresystemet var godt utviklet.

Totalt ble det fra petrologiske data forutsagt at bergartmaterialet kunne være mottagelig for betydelig formasjonsskade fra vandige væsker som et resultat av svelling og dispergering av smektitt og mobiliseringen av kaolinitt-partikler. Ettersom man sluttet seg til at bergartmaterialet var dårlig konsolidert, regnet man med at fullstendig matrise-disaggregering ville være et problem dersom bergartmaterialet kom i kontakt med uforenelige vannbaserte væsker. Således ble det valgte materialet ansett for å være særlig følsomt overfor formasjonsskade.

Testene for gjensidig påvirkning for kjerne-væske ble utført ved simulerte reservoarbetingelse, dvs. et begrensende trykk på 33,10 MPa, poretrykk på 18,90 MPa og en temperatur på 64°C. De oppbevarte pluggene ble spylt innledningsvis med kerosin for å fortrenge råoljen. Deres permeabiliteter overfor kerosin ble deretter fastslått ved stabile betingelser i fremoverrettede og reverserte strømningsretninger. Oljebasert kompletteringsvæske eller den konvensjonelle kompletteringssaltoppløsningen ble deretter injisert ved en strømningshastighet på 5 ml/min. og ved en trykkforskjell på 27,06 kPa cm-<1> for det vannbaserte kompletteringsvæsken (20 porevolumer), og ved 44,76 kPa cm-<1> for det oljebaserte kompletteringsvæsken (14 porevolumer). Kjernepermeabiliteten overfor kerosin ble målt på nytt etter behandlingene i fremoverrettede og reverserte strømningsretninger.

(i) Vannbasert kompletteringssaltoppiøsning

Den første pluggen hadde en innledende permeabilitet overfor kerosin på 160 md, ved en trykkforskjell over prøven på 7,33 kPa cm-<1>. Trykkforskjellen ble holdt lav gjennom hele testen for å unngå mekanisk skade på bergartmaterialet og/eller finstoffbevegelse, som et resultat av høye væskegjennom-sivningskrefter. Etter innføring av 20 porevolumer av den konvensjonelle, vannbaserte ZnBr2/CaBr2-kompletteringssalt-oppløsningen (tilsvarende væskefluks på 18,2 ml/cm<5> bergartflate) inn i prøven, så sank kjernens permeabilitet overfor kerosin til 57,8 md i reversert strøm, og 30,7 md i fremoverrettet strøm. Kerosin-strømningshastigheten ble holdt ved 9,2 ml/min. med en gjennomsnittlig trykkforskjell på 31,27 kPa cm-<*> over kjernen, etter injisering av testvæsken. Dette representerte en 72$ reduksjon i pluggens permeabilitet som et resultat av saltoppløsningsbehandlingen. Grunnen til avviket i målingene med strømningsretning er ikke umiddelbart klart; disse forskjeller ble ikke observert før injisering av testvæske. Ingen finstoffer ble eluert fra kjernen.

Det er sannsynlig at denne permeabilitetsskade resulterte fra svelling av leirer i pore-f6ring.

(ii) NODO 1

Den andre pluggen hadde en innledende gjennomsnittlig permeabilitet overfor kerosin på 35 md ved en trykkforskjell på 33,66 kPa cm-<1>. Dens permeabilitet øket gradvis med økende kerosingjennomføring. Denne tilbøyelighet skyldes fjerning av resterende råolje fra bergartmatrisen.

13,8 porevolumer av det NODO l-oljebaserte kompletteringsvæsken, dvs. en væskefluks på 15,4 ml/cm<2> bergartflate, ble injisert gjennom kjernen. Pluggens permeabilitet overfor kerosin ved stabile betingelser øket til ca. 46 md etter behandlingen. Som for behandlingen med den vannbaserte kompletteringssaltoppløsningen varierte pluggens permeabilitet noe etter behandlingen, avhengig av væskestrøm-retningen. I reversert strøm var permeabiliteten 46 md; i fremoverrettet strøm var den 42 md. Grunnen for dette avviket er i øyeblikket ikke klart. Ingen finstoffer ble detektert under forsøket.

Resultatene fra disse forsøk er vist grafisk på fig. 2 og 3 i de medfølgende tegningene, hvor fig. 2 viser hvordan permeabiliteten til kjernen påvirkes av strømmen av kompletterings-saltoppløsning og fig. 3 av strømmen av NODO 1.

Den vandige ZnBrg/CaB^-kompletteringssaltoppløsningen forårsaket en vesentlig nedgang i permeabiliteten til reservoarmaterialet overfor kerosin. I motsetning forårsaket NODO 1 ingen skade på kjernen og ga faktisk en liten forbedring i den permeabilitet overfor kerosin.

Eksempel 5

Brom (179,8 g, 58,0 ml, 4,5 ekvivalenter, 1,125 mol) ble tilsatt dråpevis i løpet av 1,5 timer til en omrørt suspen-sjon av etylbenzen (26,50 g, 0,25 mol), jernpulver (2,60 g) og karbontetraklorid (50 ml) ved 8-10°C under nitrogen. Etter at tilsetningen var fullført, ble blandingen omrørt ved 25-30°C i 1 time og deretter langsomt behandlet (under avkjøling og omrøring) med vandig natriummetabisulfitt (0,63 molar, 30 ml). Det organiske laget ble separert og vasket med ytterligere vandig metabisulfitt (2 x 30 ml), vandig natrium-karbonat (0,70 molar, 30 ml) og vann (2 x 50 ml). Det organiske ekstraktet ble deretter tørket (MgSO^ og fordampet hvilket ga det bromerte produkt som en mobil lysegul olje (89,3 g, 11%).

Produktene ble analysert med henblikk på spesifikk vekt, og brominnhold ved røntgenfluorescens og ved 60 MHz-^E kjerne-magnetisk resonans. Ved beregning av forholdet for alifatiske til aromatiske protoner via NMR-integrering kunne et mål for produktenes brominnhold oppnås. Disse verdiene var i godt samsvar med de analytiske tallene. Resultater er angitt i nedenstående tabell 5.

Eksempel 6

Den generelle metoden i eksempel 5 ble gjentatt ved omgivelsestemperatur (10-16°C) og ved bruk av mindre opp-løsningsmiddel (25 ml).

Resultatene er angitt i nedenstående tabell 5.

Eksempel 7

Den generelle metoden i eksempel 5 ble gjentatt ved bruk av et kumen-råmateriale. Detaljerte forsøksbetingelser og resultater er angitt i nedenstående tabell 5.

Et<y>lbenzen

I begge eksemplene 5 og 6 ble mobile væskeformige produkter av høy densitet oppnådd.

NMR-studier (^-H og <l>^C) indikerte tilstedeværelsen av to hovedisomerer i eksempel 6, nemlig

pluss tre ytterligere komponenter.

Gasskromatografi og massespektralanalyse indikerte følgende mønster for bromerte produkter.

Det var ingen tegn på sidekjedebromering.

Kumen

En mobil væske med høy densitet ble igjen oppnådd i eksempel 7. NMR-studier (^H og <1>^C) indikerte følgende sammensetning:

GC/MS viste følgende bromerte produkter.

Heller ikke her var det noen tegn på sidekjedebromering fra NMR eller GC/MS.

Produktene i eksemplene 5-7 er egnet for bruk som borehull-væsker, enten alene eller i fortynnet form for oppnåelse av en væske med en hvilken som helst ønsket densitet mellom den til selve fortynningsmidlet og det bromerte produktet, slik som resultatene i nedenstående tabell 6 viser.

JP5 er et luktfritt kerosin-oppløsningsmiddel, som typisk koker i området 190-255°C, spesifikk vekt 0,785 og Pensky Martens-flammepunkt 72°C.

Det bromerte kumenproduktet ble funnet å være en væske over et bredt temperaturområde (fra -20 til 40°C), både alene og i 10$ oppløsning. Selv om den bromerte etylbenzenen og dens 10$ oppløsning var fast ved -20°C, er dette en meget streng test og pumpbare væsker ble oppnådd over -10°C.

Claims (6)

1. Faststoff-fri, ikke-vandig borevæske for komplettering eller overhaling av en brønn, karakterisert ved at den omfatter klorert eller bromert vegetabilsk olje, eter eller hydrokarbon oppløst i råolje, kerosin, en dieselolje eller en lavtoksisk boreolje, idet væsken har en spesifikk vekt i området 0,9 - 2,3.

2. Væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den har en spesifikk vekt i området 1,5 - 2,2.

3. Væske ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den har et Pensky Martens-flammepunkt på minst 66°C.

4. Væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den bromerte aromatiske eteren er en bromert difenyleter.

5 Væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den bromerte organiske hydrokarbonet er en bromert benzen eller alkylbenzen.

6. Væske ifølge krav 5, karakterisert ved at den bromerte alkylbenzenen er bromert etylbenzen eller cumen.