NO178357B - Apparatur for bruk ved testing av en skjærkraftpåvirkbar tetningsvæske - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en apparatur for bruk ved testing av ulike kvaliteter av en skjærkraftpåvirkbar tetningsvæske for tetting av en sone av en underjordisk formasjon rundt et borehull eller for blokkering av en brønn ved utilsiktet væskeinn-strømning. Egenskaper ved tetningsvæsken som det kan være av særlig interesse å undersøke, er i hovedsak relatert til stivnetid, skjærstyrke og homogenitet under ulike trykk, tempera-turer og kjemiske forhold.

For tetting av soner av underjordiske formasjoner benyttes blant annet såkalte "reotrope" væsker, som stivner når de utsettes for store skjærkrefter. En reotrop væske for denne anvendelse er en væske som har slike fysikalske egenskaper at den lett lar seg pumpe gjennom slamsystemet (Tilstand 1) frem til borekronen og at den stivner (Tilstand 2) når den presses gjennom dysene i borekronen, hvor trykkfallet vil være omtrent i området 50-120 bar. Tiden som går fra passering av dysene og til stivning inntrer må dessuten være tilstrekkelig lang til at væsken rekker å strømme inn i formasjonssonene som den skal tette.

For å fremstille en tetningsvæske med et slikt ønsket stivne-mønster er det kjent å benytte en emulsjonsteknikk i henhold til hvilken det fremstilles en emulsjon hvor to reaktive bestanddeler - som vil avstedkomme fortykning eller stivning av væsken når de kommer i kontakt med hverandre - anbringes i hver sin fase av emulsjonen, på en slik måte at de ikke kommer i kontakt med hverandre. Sålenge emulsjonen ikke brytes, vil de to reaktive bestanddeler bli holdt adskilt fra hverandre på denne måte, hvorved emulsjonen bibeholder sin opprinnelige lave viskositet. Når derimot emulsjonen utsettes for store skjærkrefter, slik at den brytes, kommer de to reaktive bestanddeler i kontakt med hverandre, og stivning av væsken finner sted.

Denne emulsjonsteknikk kan utnyttes på flere måter. Eksempelvis beskrives i US patentskrift nr. 4.663.366 (Carr Corporation) en reotrop vann-i-olje-emulsjon hvor (a) oljefasen inneholder dispergert en hydratiserbar, i vann svellende, hydrofil leire, som f.eks. bentonitt, foruten at den inneholder oppløst et overflateaktivt middel bestående av et polyamin-derivat, og (b) vannfasen inneholder oppløst et polyakrylamid og en polykarboksylsyre. For å holde bentonitten adskilt fra vannet inntil fortykning av væsken ønskes, blir hver dråpe av den dispergerte vandige fase belagt med en membran eller en film av et polymermateriale som dannes når den vandige fase dispergeres eller emulgeres i emulsjonens oljefase. Filmen eller membranen dannes som følge av grensefaseinteraksjon mellom polyaminderivatet i oljefasen og polyakrylamidet og poly-karboksylsyren i den dispergerte vandige fase. Når emulsjonen på det ønskede tidspunkt utsettes for store skjærkrefter, brytes beskyttelsesfilmen rundt de dispergerte dråper i emulsjonen, og bentonitten kommer i kontakt med vannet, slik at svel-ling av bentonitten kan finne sted og dermed fortykking av væsken.

En tetningsvæske hvor emulsjonsteknikken er utnyttet på en annen måte, er beskrevet i norsk patentsøknad nr. 931954. Denne tetningsvæske utgjøres av en emulsjon som omfatter (a) en kontinuerlig fase inneholdende en hydrofob væske (olje), emulgator og et tverrbindingsmiddel for et polysakkarid, og (b) en diskontinuerlig fase inneholdende vann og et polysakkarid. Prinsippet for stivningen av tetningsvæsken er i dette tilfelle tverrbinding av polysakkaridet med tverrbindingsmidlet. Det er således også her avgjørende for virkningen av tetningsemulsjonen at de to reaktive bestanddeler av emulsjonen holdes adskilt fra hverandre inntil det ønskes at tetningsemulsjonen skal stivne. Denne adskillelse oppnås ved at tverrbindingsmidlet foreligger innlemmet i den hydrofobe væske (f.eks. en olje), mens polysakkaridet foreligger innlemmet i emulsjonens diskontinuerlige fase, som er en vannfase. Så lenge emulsjonen er i ro eller bare utsettes for moderate skjærkrefter, vil således ingen tverrbindingsreaksjon av betydning finner sted. Når derimot emulsjonen blir utsatt for store skjærkrefter, som når den presses gjennom en borekrone i et brønnhull, vil polysakkaridet og tverrbindingsmidlet bli bragt i kontakt med hverandre, hvorved tverrbinding av polysakkaridet finner sted og tetningsemulsjonen stivner. Slamsystemet som benyttes ved brønn- og formasjonsbehandlings-operasjoner, består av flere enheter som hver i større eller mindre grad medfører skjærpåvirkning av de væsker som pumpes gjennom systemet. Skjærpåvirkningen er nært knyttet til trykk-tapet som de enkelte enheter medfører. Størst trykktap, og dermed høyest skjærintensitet, inntreffer når den sirkulerende væske presses gjennom innsnevringer som f.eks. dysene i en borekrone eller en port i en kompletteringsstreng. Bruken av tetningsvæsker for det her angjeldende formål er basert på at kun strømningsrestriksjoner nede i brønnen skal gi tilstrekkelig skjærintensitet til at de to reaktive bestanddeler som befinner seg i hver sin fase av emulsjonen, blir bragt i kontakt med hverandre, slik at væsken fortykkes/stivner.

For at tetningsvæsken skal virke etter sin hensikt er det forøvrig viktig at den (1) er minst mulig viskøs i Tilstand 1, før den blir utsatt for store skjærkrefter, (2) stivner til stor stivhet i Tilstand 2, etter at den er blitt utsatt for store skjærkrefter, (3) bibeholder den oppnådde stivhet i ønsket tid og (4) i minst mulig grad undergår stivning i Tilstand 1 som følge av at emulsjonen gradvis går i oppløsning under lagring eller innen den har rukket å passere dysene i borekronen eller andre strømningsrestriksjoner nede i borehullet.

For å sikre at en tetningsvæske i størst mulig grad virker etter sin hensikt nede i formasjonen er det ønskelig å kunne teste tetningsvæsken før den injiseres i borehullet. Spesielt er det viktig å kunne gjenskape de skjærkrefter som tetningsvæsken vil bli utsatt for nede i borehullet, idet såvel stiv-netiden som stivheten av den dannede gel vil være avhengige av skjærkreftene som emulsjonen utsettes for.

Da det ved strømning av en væske gjennom en dyse vil være en nær sammenheng mellom trykkfallet over dysen og skjærkreftene som væsken utsettes for i dysen, er det mulig ved bruk av ned-skalerte dysestørrelser å oppnå en god simulering av de forhold som vil gjøre seg gjeldende nede i borehullet, og dermed å forutsi med godt resultat hvordan tetningsvæsken vil oppføre seg i praksis. En testapparatur som skal kunne gi et realis-tisk bilde av skjærkreftene som en væske blir utsatt for når den presses f.eks. gjennom dysene i en borekrone nede i et borehull, bør være utstyrt med en innretning for frembringelse av et trykkfall i væsken på opp til 120 bar, spesielt et trykkfall på fra 30 til 100 bar, og det vil være hensiktsmessig å kunne foreta testingen av tetningsvæsken på grunnlag av væskevolumer av størrelsesordenen 0,5-2,0 liter.

En apparatur for testing av reotrope tetningsvæsker bør for øvrig være utformet slik at den ellers ikke utsetter væsken for uønskede skjærkrefter og dessuten ikke selv utsettes for overdreven slitasje forårsaket av faste partikler inneholdt i væsken.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en apparatur for bruk ved testing av en skjærkraftpåvirkbar tetningsvæske, som oppfyller disse ønskemål. Apparaturen er kjenneteg-net ved de trekk som fremgår av krav 1.

Apparaturen og dens virkemåte skal nedenfor beskrives med henvisning til de vedføyde tegninger, som skjematisk viser fore-trukne utførelser av apparaturen.

Fig. 1 viser en sylinder 1 som via et inntak 2 i dens ene ende og en inntaksventil 3 er forbundet med en matetrakt 11 for tetningsvæske som skal testes, og som tilføres matetrakten fra en blandeapparatur (ikke vist). I den samme ende av sylinderen 1 er det anordnet et uttak 4 for tetningsvæske, som via en uttaksventil 5 er forbundet med en justerbar skjærventil 7. Foran og bak skjærventilen er det montert innretninger 8, 9 for måling av trykket henholdsvis foran og bak skjærventilen. En beholder 10 er anordnet for mottak av tetningsvæske fra skjærventilen 7. I sylinderen 1 er det anordnet et stempel 6 som tetter mot sylinderen og er bevegelig i denne, slik at det ved bevegelse innover i sylinderen kan suge tetningsvæske inn i sylinderen gjennom inntaket 2 og i en tilbakegående bevegelse kan presse tetningsvæske ut gjennom uttaket 4. Stemplet drives fortrinnsvis av et hydraulikkaggregat (ikke vist).

Skjærventilen som benyttes i apparaturen, kan hensiktsmessig være en nåleventil og ventilene 3 og 5 kuleventiler.

Apparaturens virkemåte er som følger. Sylinderen 1 fylles med tetningsvæske fra matetrakten 11 ved at inntaksventilen 3 åpnes og stemplet 6 trekkes fra sin endestilling ved inntaket 2 og uttaket 4 og inn i sylinderen, mens uttaksventilen 5 holdes stengt. Når stemplet har nådd den motsatte endestilling og det tilgjengelige sylindervolum er blitt fylt med tetningsvæske, stenges inntaksventilen 3, og uttaksventilen 5 åpnes. Stemplet føres så tilbake til den førstnevnte endestilling, hvorved tetningsvæsken presses ut av sylinderen gjennom uttaket 4 og videre gjennom uttaksventilen 5 og skjærventilen 7 til en mottaksbeholder 10. I den justerbare skjærventil 7 utsettes tetningsvæsken for en forhåndsbestemt skjærpåvirkning som for-årsaker bryting av emulsjonen og igangsetting av stivneproses-sen. Skjærpåvirkningen vil være relatert til trykkdifferansen over skjærventilen, dvs. til differansen mellom trykkene målt ved hjelp av trykkmålerne 8, 9 foran og bak skjærventilen. Ved bruk av en tetningsvæske ifølge norsk patentsøknad nr. 931954 vil stivningen inntre som følge av at tverrbindingsmidlet kommer i kontakt med polysakkaridet og avstedkommer tverrbinding av dette. Stivningen inntrer imidlertid ikke momentant, slik at tetningsvæsken lett kan strømme ned i mottaksbeholderen, hvor stivningen finner sted.

I mottaksbeholderen 10 måles egenskaper som stivnetid og stivhet (skjærstyrke) av den dannede gel på i og for seg konven-sjonell måte.

I det enkleste tilfelle er mottaksbeholderen 10 en åpen beholder som fylles med den skjærbehandlede tetningsvæske, og gelens skjærstyrke måles ved hjelp av standard geotekniske metoder.

Det vil imidlertid også kunne' være av interesse å utføre skjærbehandlingen av tetningsvæsken under mottrykk og å la den stivne under trykk. Det benyttes da en trykkbeholder som mottaksinnretning. For å kunne motta tetningsvæsken fra skjær^ ventilen må trykkbeholderen være innrettet for utslipp av dens initielle innhold under kontrollert trykk. Selve skjærstyrkemålingene kan i dette tilfelle utføres enten ved atmosfæretrykk, i hvilket tilfelle trykket i beholderen avlastes på det ønskede tidspunkt og målingene foretas ved atmosfæretrykk som ovenfor beskrevet, eller under trykk, i hvilket tilfelle trykkbeholderen vil være utstyrt med et høytrykkskonsistometer utstyrt for skjærstyrkemåling.

For å oppnå måleresultater som vil gi et enda bedre bilde av hvordan tetningsvæsken vil oppføre seg når den er blitt plas-sert i formasjonssonen som den skal tette, kan det være ønskelig å oppta den skjærbehandlede tetningsvæske i en mottaksbeholder som inneholder ett eller flere faste, gjennomtrengelige materialer med gitt, valgbar porøsitet og permeabilitet. Med kunnskap om forholdene i formasjonssonen kan man dermed tilnærmet gjenskape disse forhold og tilnærmet nøyaktig bestemme en gitt tetningsvæskes tetteevne i sonen. Når en mottaksbeholder inneholder slike faste, gjennomtrengelige materialer, kan selve skjærstyrkemålingen foretas ved hjelp av en anordning for måling av det maksimale differensialtrykk som mottaks-beholderens innhold av porøst materiale og stivnet tetningsvæske er i stand til å tåle før sammenbrudd av den stivnede tetningsvæske.

En hydraulisk utførelse av apparaturen ifølge oppfinnelsen er vist skjematisk på fig. 2, hvor de henvisningstall som gjen-finnes på fig. 1 har samme betydning som der. Sylinderen 1 er her en dobbeltvirkende hydraulisk sylinder, som inneholder et drivstempel som via en stempelstang er sammenkoblet med et arbeidsstempel 6. Drivstemplet drives med et hydraulikkaggregat omfattende en hydraulikkpumpe 15, en styreventil 14 og inn-og uttak 12, 13 for hydraulisk olje. Utformningen av mottaksinnretningen 10 og innretningene benyttet for å foreta målingene vil kunne være som ovenfor beskrevet med henvisning til fig. 1.

Apparaturen ifølge oppfinnelsen kan med fordel lages transpor-tabel. Det vil da være hensiktsmessig at stemplet 6 drives hydraulisk og at hydraulikkpumpen 15 som skal drive stemplet 6, monteres i en egen boks og tilsluttes apparaturen med hydraulisk hurtigkobling.

Eksempel.

Det var ønsket å forhåndsbestemme stivneegenskapene som en gitt skjærkraftpåvirkbar tetningsvæske ville oppvise etter å være blitt presset med et trykkfall på 60 bar gjennom dysene i en borekrone nede i et brønnhull.

For dette formål ble det benyttet en testapparatur bygd opp som skjematisk vist på den vedføyede fig. 2. Sylinderen som ble benyttet i apparaturen, hadde innvendig dimeter 65 mm og et nettovolum på ca. 1,0 1. Stemplets effektive slaglengde var 300 mm. Stemplet ble drevet av en hydraulisk enhet av varemerke Hidroirma, type UP10, P = 105 bar, Q = 3,0 l/min. Skjærventilen var en 0 10 mm nåleventil av varemerke Nupro<®>, type SS-4R3A5. Røropplegget for befordring av tetningsvæsken fra matetrakten via sylinderen og skjærventilen til mottaksbeholderen var av rustfritt stål SS 316 L og hadde innvendig dia-meter 10 mm. Som inntaks- og uttaksventiler foran og etter sylinderen ble det benyttet 0 10 mm kuleventiler av varemerke Whitey<®>, type 44-S 10 MN. Mottaksbeholderen var en åpen beholder, og skjærstyrkemålingene ble foretatt med en skjærstyrke-måler av varemerke Sinco<®> Torvane, modell 51602.

For bruk som tetningsvæske ble det fremstilt 1,375 liter vann-i-olje-emulsjon på følgende måte. 0.75 1 vann og 6,0 g xanthan ble blandet under omrøring i et 2 liters beger (beger 1). Etter henstand i 1 time ble det til blandingen tilsatt 1500 g baritt. I et annet 2 liters beger (beger 2) ble 0,25 1 "Exxsol D60", 1,0 ml "Safemul PE" (triglyceridbasert emulgator) og 8,0 g Ca(0H)2 blandet under omrøring. Blandingen i beger 1 ble deretter tilsatt til blandingen i beger 2 under omrøring. Det ble oppnådd en emulsjon med egenvekt 1,80 g/cm<3>.

Den fremstilte emulsjon ble innført i testapparaturens matetrakt, med stemplet 6 i den fremre stilling og ventilene 3 og 5 stengt. Skjærventilen 7 ble innstilt for å gi et trykkfall på 60 bar. Inntaksventilen 3 ble åpnet, og stemplet ble hydraulisk beveget over i den bakre stilling, hvorved ca. 1,0 1 av emulsjonen ble suget inn i sylinderen 1. Inntaksventilen 3 ble så stengt og uttaksventilen 5 åpnet, samtidig som stemplet ble ført frem til den fremre stilling. Emulsjonen ble dermed presset gjennom skjærventilen 7 via uttaksventilen 5 og oppsamlet i mottaksbeholderen 10. Emulsjonen stivnet i løpet av 2 minutter. Etter 24 timer ble skjærspenningen målt til 14.000 Pa.

Claims (9)

1. Apparatur for bruk ved testing av en skjærkraftpåvirkbar tetningsvæske, karakterisert ved at den omfatter en sylinder (1) som har et inntak (2) med en inntaksventil (3) for tetningsvæske og et uttak (4) med en uttaksventil (5) for tetningsvæske, et stempel (6) som tetter mot sylinderen og er bevegelig i denne, slik at det ved å beveges i sylinderen kan suge tetningsvæske inn i sylinderen gjennom inntaket (2) og i en tilbakegående bevegelse kan presse tetningsvæsken ut gjennom uttaket (4), en med uttaket (4) forbundet skjærventil (7) som er justerbar for innstilling av ønsket skjærkraft, en anordning (8,9) for måling av trykkfallet over skjærventilen, en innretning (10) for mottak av tetningsvæske som er blitt presset gjennom skjærventilen, og én eller flere anordninger for måling av egenskaper ved den skjærkraftpåvirkede tetningsvæske .

2. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at mottaksinnretningen (10) er en åpen beholder.

3. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at mottaksinnretningen (10) er en trykkbeholder innrettet for utslipp av dens innhold under kontrollert trykk under innpressingen av tetningsvæsken.

4. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at mottaksinnretningen (10) inneholder ett eller flere faste, gjennomtrengelige materialer med gitt, valgbar porøsitet og permeabilitet.

5. Apparatur ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den omfatter en anordning for måling av den stivnede tetningsvæskes skjærstyrke ved atmosfæretrykk etter standard geotekniske metoder, etter avlastning av eventuelt overtrykk i mottaksbeholderen (10).

6. Apparatur ifølge krav 3, karakterisert ved at den omfatter et høy-trykkskonsistometer utstyrt for skjærstyrkemåling, for måling av den stivnede tetningsvæskes skjærstyrke under trykk.

7. Apparatur ifølge krav 4, karakterisert ved at den omfatter en anordning for måling av det maksimale differentialtrykk som mot-taksbeholderens (10) innhold av porøst materiale og stivnet tetningsvæske er i stand til å tåle før sammenbrudd av den stivnede tetningsvæske finner sted.

8. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at inntaket (2) er forbundet med en matetrakt (11) for ifylling av tetningsvæske fra en blandeapparatur, at skjærventilen (7) er en nåleventil, og at ventilene (3) og (5) er kuleventiler.

9. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at sylinderen (1) er en dobbeltvirkende hydraulisk sylinder, som inneholder et drivstempel som via en stempelstang er sammenkoblet med et arbeidsstempel (6).