NO176359B - Karboksymetyl-guar-baserte borefluidpreparater - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører boref luidpreparater for anvendelse i brønnboringer som traverserer underjordiske formasjoner.

Borefluider, eller boreslam som det typisk betegnes innen industrien, benyttes ved boring av olje-, gass— eller vannbrønner for å transportere borkaks til overflaten av brønnen, for å kontrollere formasjonstrykk, for å opprett-holde stabiliteten i uforede deler av borehullet, beskytte produktive formasjoner, og avkjøle og smøre borkronene og borestrengen. Følgelig må et borefluid ha visse egenskaper, dvs. lavt fluidtap eller filtreringskontroll, suspensjonsevne for faste stoff, skalldannelsesinhibering, skjær-ufølsomhet, termisk stabilitet, pseudoplastisitet og tålbarhet for flerverdige kationer.

Selv om det tidligere har vært foreslått å anvende guar og dets derivater som additiver i borefluider har de hittil ikke vært benyttet i betydelig grad idet slike borefluider viser tendens til å flokkulere leiren og faste stoffer, og ikke er biostabile, og videre er termisk stabile bare ved lave temperaturer, f.eks. 66° C eller lavere. Følgelig har anvendelsen av borefluider inneholdende guar eller guarderi-vater vært begrenset til grunne brønner, hovedsakelig i borefluider for ikke-sirkulerende systemer hvor det brukte slammet avhendes øyeblikkelig i en boreslamtank etter at det er kommet til overflaten av brønnen.

Videre har tidligere kjent teknikk ikke beskrevet eller foreslått anvendelsen av en karboksymetylguar, og absolutt ikke en karboksymetylguar som har en kritisk substitusjonsgrad (D.S.-degree of substitution), i kombinasjon med et vandig medium som et boref luid for høytemperaturanvendelser, dvs. ved temperaturer større enn 66° C.

Ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et borefluidpreparat som er kjennetegnet ved at det i det vesentlige består av (a) et vandig medium valgt fra gruppen bestående av ferskvann og ledningsvann, naturlig og syntetisk sjøvann, og naturlig og syntetisk saltvannsoppløsning; og (b) en karboksymetylguar som har en D.S.-verdi på fra 0,1 til 0,4, hvori karboksymetylguaren har en Ubbelohde redusert spesifikk viskositet i 2 vekt-% KC1 på større enn 10.

Det er høyst uventet at man derved oppnår et borefluidpreparat som tåler omgivelser med kalsium og høy ionestyrke ved forhøyede temperaturer opp til 93° C, og som har gode reologisk og fluidtapsegenskaper, viser utmerket leire- og skalldannelsesinhibering, og som ikke viser noen indikasjon på flokkulering eller gelering av leiren eller de aktive borefaststoffene. Fortrinnsvis er D.S. for karboksymetyl fra 0,25 til 0,4, mest foretrukket fra 0,25 til 0,36. Karboksymetylguaren har en Ubbelohde-redusert spesifikk viskositet (RSV), dvs. spesifikk viskositet dividert med polymerkonsen-trasjonen (0,05 g/dl) i 2 vekt-# KC1 på større enn 10, fortrinnsvis større enn 18, mest foretrukket større enn 20 til 26.

I en annen utførelse av oppfinnelsen gir borefluidpreparatet ifølge oppfinnelsen forbedret termisk stabilitet opptil minst 135 "C ved tilsats av et vannoppløselig metallkarbonat eller

—bikarbonat, så som kalium- eller natriumkarbonat eller bikarbonat, alene i et vandig medium valgt fra gruppen bestående av ferskvann eller ledningsvann, naturlig og syntetisk sjøvann, og naturlig og syntetisk saltvannsoppløs-ning, eller i kombinasjon med et flerverdig metallsalt som ikke er karbonat i ferskvann. Flerverdig metallsalt som ikke er karbonat, slik betegnelsen benyttes i foreliggende beskrivelse, betyr et flerverdig metallsalt som ikke er et flerverdig metallkarbonat eller -bikarbonat. Egnede flerverdige metaller innbefatter magnesium, kalsium, aluminium eller jern og egnede flerverdige metallsalter innbefatter klorid og bromid. Typisk er det vannoppløselige metallkarbonatet eller -bikarbonatet tilstede i en mengde fra 2,85 kg/m<3> til 57,10 kg/m<3>, fortrinnsvis fra 2,83 kg/m<3> til 28,53 kg/m<3>, mest foretrukket fra 8,56 kg/m<3> til 28,53 kg/m<3>. Det flerverdige metallsaltet som ikke er karbonat er fortrinnsvis tilstede i en mengde fra 2,85 kg/m<3> til 14,26 kg/m<3>, fortrinnsvis fra 2,85 kg/m<3> til 11,41 kg/m<3>. D.S.-verdien for karboksymetylguaren er kritisk for fremstil-lingen av borefluidene ifølge foreliggende opfinnelse. D.S. er det gjennomsnittlige antallet karboksymetylgrupper pr. anhydro-sukkerenhet i guargummien. Når f.eks. D.S.-verdien for karboksymetylguar er større enn 0,4 påvirkes skalldannelsesinhiberingsegenskapene i negativ retning og tålbarheten for flerverdig ioniske omgivelser, så som kalsiumtålbarheten, reduseres. Når D.S.-verdien for karboksymetylguaren er mindre enn 0,1 påvirkes flytgrensen, den tilsynelatende viskositeten, skalldannelsesinhiberingen og fluidtapsegen-skapene i negativ retning.

Karboksymetylguar fremstilles fra guargummi som er avledet fra frøet av guarplanten, Cyamopsis tetragonolobus, familien Leguminosae. Guargummi er kommersielt tilgjengelig.

Karboksymetylguar fremstilles ved en hvilken som helst kjent fremgangsmåte for fremstilling av natriumkarboksymetylcellu-lose, bortsett fra at guarmel anvendes i steden for cellu-lose. Typisk fremstilles CM-guar ved å tilsette en 5056 vandig kaustisk oppløsning inneholdende 1,2 mol kaustisk forbind-else, f.eks. en vandig oppløsning av natriumhydroksyd, til guarmel i nærvær av et fortynningsmiddel, så som isopropyl-alkohol, t-butylalkohol og aceton, og omrøring inntil bestanddelene er omhyggelig blandet, og deretter tilsetning av 0,5 mol monokloreddiksyre pr. mol anhydro-sukkerenhet i guarmolekylet til reaksjonsblandingen, oppvarming til 60-80° C, fortrinnsvis ca. 70°C, og opprettholdelse av denne temperaturen i 1 til 5 timer, f ortrinnnsvis ca. 2 timer, utvinning av produktet, om nødvendig, rensing ved en hvilken som helst konvensjonell fremgangsmåte og tørking.

Området av ønskede egenskaper for et borefluidpreparat er som følger:

Tilsynelatende viskositet (AV) = 10-30 eps

Plastisk viskositet (PV) = 5-20 eps

Flytgrense (YP) = 0,49-1,46 kg/m<2>

10 sekunders gelstyrke = 0,24-0,98 kg/m<2>

10 minutters gelstyrke = 0,49-1,46 kg/m<2>

Fluidtap = mindre enn 15 ml/30 minutter.

De følgende eksemplene illustrerer trekk ved foreliggende oppfinnelse.

Alle deler og prosentangivelser som benyttes i foreliggende beskrivelse er vektdeler eller vekt-# med mindre annet er angitt.

EKSEMPEL 1

Dette eksemplet illustrerer en foretrukket spesifikk utførelse av preparatet ifølge oppfinnelsen, og hvordan dette fremstilles.

Borefluidpreparatet fremstilles ved å fylle en "Hamilton Beach" blander med 6,70 kg/m<3> karboksymetylguar med en D.S. på 0,36 og 350 ml vann inneholdende 49,93 kg/m<3> vannfri KC1 og blande i 1 minutt. Fluidet overføres deretter til en "Multimixer" og blandes med 71,33 kg/m<3> "Rev Dust" kalsium montmorilonitleire i ca. 30 minutter. Deretter reguleres pE til ca. 9,5 med en 15$ NaOH oppløsningen.

De andre eksemplene og kontrolleksemplene fremstilles ved å anvende fremgangsmåten ifølge eksempel 1 med eventuelle ytterligere bestanddeler i tillegg til polymeren og vandig medium tilsatt etter at fluidet er overført til "Multimixeren". Bestanddelene som benyttes og mengdene av hver bestanddel er angitt i tabellene i foreliggende beskrivelse .

"Rev Dust" kalsium montmorilonitt er en ikke-svellende leire med lav flytgrense, som simulerer borefaststof fer.

Med mindre annet er angitt ble de reologiske data som er angitt i foreliggende beskrivelse bestemt ved romtemperatur (23°C) ved anvendelse av en Bingham plastisk modell og et "Fann 35" konsentrisk roterende viskosimeter og fremgangsmåtene ifølge API fremgangsmåte RB 13 B, paragraf 2. Preparatene som ble oppvarmet ble avkjølt til romtemperatur før viskosimeterdata ved hjelp av "Fann 35" ble registrert.

Den plastiske viskositeten (PV) er "Fann 35" eller "Fann 50" viskosimeteravlesningen ved 600 opm minus avlesningen ved 300 opm. Flytgrensen (YP) er "Fann 35" eller "Fann 50" viskosimeteravlesningen ved 300 opm minus PV. Den tilsynelatende viskositeten (AV) er viskositeten ved 600 opm. "Fann 35" reologiske data for eksemplene 1 og 4 og kontrolleksempler 2, 3, 5 og 6 er angitt i tabell 1. Fluidtapet og skalldannelsesinhiberingsegenskapene for eksemplene 1 og 4 og kontrolleksemplene 2, 3, 5, 6 og 7 er angitt i tabell 2 nedenfor. Fluidtapet bestemmes ved å anvende en "N.L. Baroid" lavtrykksf il terpresseapparatur ifølge fremgangsmåtene i API Forsøksfremgangsmåte RB 13B, §3. Skalldannelsesinhiberingen (G') bestemmes med et "Rheometrics" trykkreométer ("Rheometrics system 4") ifølge fremgangsmåtene angitt i en artikkel med tittelen "A New Technique for the Evaluation of Shale Stability in the Presence of Polymeric Drilling Fluid" presentert ved den 60. årlige tekniske konferansen og utstillingen for The Society of Petroleum Engineers (22.-25. september, 1985) av CF. Lu. Data oppnådd ved hjelp av "Trlaxial Tester" ved en strøm-ningshastighet = 243,8 m/min. og et begrensende trykk = 17 237,5 kPa for eksemplene 1 og 4 og kontrolleksemplene 2, 3, 5 og 6 er angitt i tabell 3. De stabiliserte boref luidpreparatene ifølge foreliggende oppfinnelse er nyttige der hvor høytemperaturstabilitet er ønskelig, så som ved boreanvendelser offshore. Temperatur-stabiliteten for sjøvanns-borefluider ifølge eksempel 4 og kontrolleksempel 6, både natriumkarbonat-stabiliserte og ustabiliserte, etter varmvalsing i 16 timer er angitt i tabell 4 nedenfor.

Temperatur stab i li teten for f erskvann-boref luider ifølge eksempel 1, både stabiliserte og ustabiliserte er angitt i tabellene 5 og 6. Tabell 6 viser at stabiliteten for borefluidet ifølge foreliggende oppfinnelse forbedres ytterligere ved tilsatsen av et flerverdig metallsalt som ikke er karbonat.

Kalsiumtålbarheten for "borefluidpreparatene ifølge eksempel 1 og kontrolleksempler 3 og 8 er angitt nedenfor i tabell 7. KCl-ufølsomheten for borefluidpreparatene i eksemplene 4 og 9-12 ifølge foreliggende oppfinnelse er angitt i tabell 8. Gelstyrken er en parameter som benyttes for å forutsi boref luidets evne til å føre borkaks. Denne egenskapen og andre virkningsegenskaper for borefluidpreparatene ifølge eksemplene 1 og 4 og kontrolleksemplene 13 og 14 er angitt i tabell 9. Virkningen av konsentrasjonen av CM guaren i borefluidet på reologien for de CM guar-baserte borefluidene ifølge eksemplene 15-17 av oppfinnelsen er angitt i tabell 10 nedenfor. Tålbarheten for CM guar-borefluidene ifølge eksemplene 16 og 18 av foreliggende oppfinnelse for omgivelser med høy ionestyrke er angitt i tabell 11 nedenfor.

Høytemperaturvirkninger etter varmvalsing (H.R. - hot rolling) i 16 timer av borefluidene fra eksemplene 16 og 18 ifølge foreliggende oppfinnelse er angitt i tabell 12 nedenfor.

"Fann 50C" viskosimeterresultatene er bestemt ved oppvarme hvert preparat langsomt fra romtemperatur (23°C). Ved forskjellige temperaturer foretas 600 og 300 opm avlesninger hvorfra den tilsynelatende viskositeten, den plastiske viskositeten og flytgrensen beregnes ved å anvende den Bingham-plastiske modellen. Hvert preparat avkjøles deretter tilbake til romtemperatur og 600 og 300 opm-verdiene måles ved de samme temperaturene hvor avlesningene ble foretatt under oppvarming. Fra disse resultatene kan man måle restitusjonen for hvert preparat ved avkjøling. "Fann 50C" dataene for borefluidene ifølge eksemplene 16 og 18 av foreliggende oppfinnelse er angitt i tabell 13 nedenfor.

Dataene i tabell 13 viser god gjenvinning av egenskaper ved avkjøling etter oppvarming til 148°C.

Tålbarheten for borefluidene ifølge eksemplene 16 og 18 av foreliggende oppfinnelse overfor "Bonney Field Gumbo" (BFG) skifer er angitt i tabell 14 nedenfor. Resultatene i tabell 14 viser at borefluidene ifølge foreliggende oppfinnelse har god tålbarhet for BFG-skifer opp til 228,24 kg/m<2>.

Leirinhiberingen av borefluidene ifølge eksempel 18 ifølge foreliggende oppfinnelse og kontrolleksempel 19 ved romtemperatur og etter varmvalsing ved 121 °C i 16 timer er angitt i tabell 15 nedenfor. Følgelig tilveiebringer foreliggende oppfinnelse borefluidpreparater som tåler kalsium og omgivelser med høy ionestyrke ved forhøyede temperaturer fra 93,3° C til 135° C, de har gode reologiske og fluidtapsegenskaper og viser utmerket leire- og skiferinhibering, men flokkulerer eller gelerer ikke leiren eller de aktive borefaststoffene.

Claims (10)

1. Borefluidpreparat, karakterisert ved at det i det vesentlige består av (a) et vandig medium valgt fra gruppen bestående av ferskvann og ledningsvann, naturlig og syntetisk sjøvann, og naturlig og syntetisk saltvannsopp-løsning; og (b) en karboksymetylguar som har en D.S.-verdi på fra 0,1 til 0,4, hvori karboksymetylguaren har en Ubbelohde redusert spesifikk viskositet i 2 vekt-# KC1 på større enn 10.

2. Preparat ifølge krav 1, karakterisert ved at karboksymetylguaren har en D.S.-verdi på fra 0,25 til 0,4.

3. Preparat ifølge krav 1, karakterisert ved at karboksymetylguaren har en D.S.-verdi på fra 0,25 til 0,36.

4. Preparat ifølge krav 1, karakterisert ved at karboksymetylguaren er tilstede i en mengde på fra 0,5 ppb til 3,0 ppb.

5 . Boref luidpreparat ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det i det vesentlige består av (a) en vandig medium valgt fra gruppen bestående av ferskvann eller ledningsvann, naturlig og syntetisk sjøvann, og naturlig og syntetisk saltvannsoppløsning; (b) en karboksymetylguar som har en D.S.-verdi på fra 0,1 til 0,4; og (c) fra 1 ppb til 20 ppb av et metallsalt valgt fra gruppen bestående av vannoppløselige metallkarbonater og -bikarbonater .

6. Borefluidpreparat ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at det i det vesentlige består av (a) et vandig medium valgt fra gruppen bestående av ferskvann og ledningsvann; (b) en karboksymetylguar som har en D.S.-verdi på fra 0,1 til 0,4; (c) fra 1 ppb til 20 ppb av et metallsalt valgt fra gruppen bestående av vannoppløselige metallkarbonater og -bikarbonater; og (d) fra 1 ppb til 20 ppb av et flerverdig metallsalt som ikke er et karbonat.

7. Preparat ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at metallsaltet er valgt fra gruppen bestående av kaliumkarbonat, natriumkarbonat, kal iumbikarbonat og natriumbikarbonat.

8. Preparat ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at det flerverdige metallsaltet som ikke er et karbonat er valgt fra gruppen bestående av klorid- og bromidsalter av magnesium, kalsium, aluminium og jern.

9. Preparat ifølge krav 1, karakterisert ved at karboksymetylguaren har en Ubbelohde redusert spesifikk viskositet i 2 vekt-# KC1 på større enn 20 til 26.

10. Preparat ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det har en tilsynelatende viskositet på 10-30 eps, plastisk viskositet på 5-20 eps, flytgrense på 0,49-1,46 kg/m<2>, 10 sekunders gelstyrke på 0,24-0,98 kg/m<2>, 10 minutters gelstyrke på 0,49-1,46 kg/m<2> og fluidtap på mindre enn 15 ml/30 minutter.