NO300332B1

NO300332B1 - Borefluid

Info

Publication number: NO300332B1
Application number: NO920121A
Authority: NO
Inventors: Gregory Phillip Elliott
Original assignee: British Petroleum Co
Priority date: 1991-01-12
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1997-05-12
Also published as: CA2058856C; EP0495579B1; ES2083674T3; NO920121L; GB9100699D0; EP0495579A3; CA2058856A1; DE69208482D1; DE69208482T2; NO920121D0; SG44682A1; EP0495579A2

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører vannbaserte borefluider som er egnet for bruk i skifer- og leireformasJoner.

Et borefluid anvendes i forbindelse med det roterende boresystemet. Borefluidet pumpes fra overflaten ned innsiden av den roterende borestrengen, utføres gjennom åpninger i borekronen og returneres til overflaten via ringrommet mellom borestrengen og hullet.

Borefluidet tjener til å avkjøle og smøre borekronen og borestrengen, bringe borekaks til overflaten, konsolidere siden i borehullet, hindre inntrykking eller sammenrasing av formasjonen, regulere underoverflatetrykk, suspendere borekaks når søylen er statisk og minimalisere skade på ethvert reservoar som eventuelt påtreffes.

Borefluider inneholder generelt en bærer, et vektmiddel og kjemiske additiver. De deles vanligvis i to kategorier, vannbaserte slam (WBM) og oljebaserte slam (OBM). I det førstnevnte er bæreren et vandig medium og i sistnevnte er den en olje. Dieselolje ble tidligere benyttet som olje, men nylig har det blitt utviklet boreoljer av lav toksisitet for dette formål.

Mens WBM er mer miljømessig akseptabelt enn OBM (fordi sistnevnte fremdeles gir opphav til problemet med depoering av store mengder oljeforurenset borekaks, selv om oljen er av lav toksistet), så er slike erkjent for å være teknisk dårligere på en rekke viktige områder, slik som termisk stabilitet, smøreevne og skiferinhibering.

Selv om skifer er mykt og derfor relativt lett å bore gjennom så forårsaker det fremdeles mange problemer for bore-ingeniøren. Det dispergerer lett i fluidet, store klumper brytes av og faller ned i hullet, porer i skiferen kan inneholde fluider som holdes under trykk og i ekstreme tilfeller vil borehullet kollapse.

Siden skifer utgjør en høy andel av de bergarter som bores i lete- og produksjonsbrønner for olje og gass, spesielt i vikgite produksjonsområder slik som Nordsjøen, så er det viktig at boretider og problemer holdes ved et minimum når det bores gjennom slike formasjoner.

Mange WBM-formuleringer som innbefatter additiver har blitt foreslått i et forsøk på å få kontroll over reaktive skifermaterialer. Slike additiver inkluderer: (a) salter slik som kaliumklorid for å begrense vann-opptak, redusere svellingen av skiferen, og redusere

utluting av eventuelle saltavsetninger som påtreffes, (b) kjemisk modifisert stivelse eller cellluloseholdige

materialer som benyttes for å redusere fluidtap,

(c) vannoppløselige polyakrylamider eller andre vann-oppløselige polymerer som adsorberes på overflaten av skifer for binding av denne med et belegg av polymer

for derved å redusere dispergering av skiferen,

(d) kalk eller gips som, skjønt den er tungt oppløselig,

virker på lignende måte som (a) og

(e) asfaltenavledede produkter som hjelper fluidtap-regulering ved å virke som blokkerende midler for sprekker og mikrofrakturer.

Hittil har imidlertid ingen av disse formuleringene vært istand til å gi skiferinhibering til de nivåer som oppnås med

OBM.

Dette er fordi et OBM-materiale ikke reagerer med skifer. Et konvensjonelt WBM-materiale vil imidlertid reagere i større eller mindre grad med mange skifertyper og forårsake at disse sveller og kan gi opphav til problemer slik som fastkjørt rør, trangt hull, hull med større diameter enn borekronen, dårlig retningskontroll, dårlig sementering og dårlig slamtilstand (hvilket leder til utstrakt dumping og for-tynning og derfor høye slamomkostninger).

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å utvikle et WBM-materiale som nærmer seg den tekniske ytelsesevnen til et OBM-materiale uten å ofre dets miljømessige fordeler.

Selv om, slik det er gitt uttrykk for i det ovenstående, bruken av kaliumklorid som et additiv til WBM er kjent så er dets effekt ikke alltid ensartet og avhenger i betydelig grad av de andre bestanddelene i borefluidet.

Man har funnet at denne uensartethet er markert i tilfellet for polyalkylenglykoladditiver og spesielt for mono-, di-, tri- og polyalkylenglykoladditiver. I tilfellet for disse forbindelsene så har tilsetningen av et kaliumsalt til mono-, di- og trietylenglykolene liten positiv effekt og kan i virkeligheten ha en negativ effekt og kan anspore dispergeringen av visse leirer og skifermaterialer, for eksempel London-leire og i mindre grad Oxford-leire. I tilfellet for tetra- og polyalkylenglykoler av høyere molekylvekt så har man oppdaget at det er en synergistisk leirestabiliserende effekt mellom disse forbindelsene og kaliumsaltet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt et vannbasert borefluid som innbefatter:

(a) et vandig medium,

(b) en polyalkylenglykol med generell formel: hvor R er H eller CH3, R<1> er E eller en alkylgruppe inneholdene 1-4 karbonatomer og n er et tall i området fra 4 til 200, i en mengde på 0,5-60 %, fortrinnsvis 1-20 %, beregnet på volum av fluidet, og (c) et kaliumsalt i en mengde på 14,3-143, fortrinnsvis 28,6-85,7 g/l.

Konsentrasjonen av polyalkylenglykol som er nødvendig for å oppnå en ønsket effekt er avhengig av glykolens molekylvekt. Generelt gjelder at desto lavere molekylvekten er jo høyere er konsentrasjonen som er nødvendig, og vice versa.

Egnede polyalkylenglykoler er polyetylenglykoler.

Polyalkylenglykoler inneholdene varierende forhold av etylenoksyd (EO)- til propylenoksyd (PO)-enheter er også egnet, for eksempel 75 56 EO, 25 % PO; 50 % EO, 50 5& PO; og 25 % EO, 75 % PO.

Saltet er et kaliumsalt, fortrinnsvis kaliumklorid. Andre kaliumsalter slik som formeat, acetat, karbonat og fosfat er imidlertid også egnet.

Fluidet kan også inneholde ytterligere konvensjonelle bestanddeler slik som vektmidler, for eksempel barytt, hematitt eller blyglans; viskositetsregulerende midler for eksempel xantangummi, fluidtapsregulerende midler for eksempel stivelse eller cellulosederivater, skiferinhibitorer for eksempel polyakrylamid, og pH-regulerende midler for eksempel natrium- eller kaliumhydroksyd.

pH-verdien blir hensiktsmessig regulert til en verdi i området 7-13.

Det vandige mediet kan være ferskvann eller saltvann.

Oppfinnelsen illustreres ytterligere under henvisning til følgende eksempler.

EKSEMPLER

For å bedømme de inhiberende egenskapene til et fluid inneholdene en polyalkylenglykol så innebar fremgangsmåten i hvert forsøk tilveiebringelse av forskjellige vann- og oppløsningsmiddel konsentrasjoner, tilsetning av en kjent mengde av dispergerbar leire (2-4 mm fraksjon) og rulling av den resulterende blanding ved romtemperatur og 20 omdr./min i 16 timer. Ved sluttend av denne tiden ble den ikke-disper-gerte leirefraksjonen (> 0,5 mm) utvunnet, tørket, veiet og eventuelt korrelasjon mellom oppløsningsmiddeltype, konsentrasjon og skiferinhibering notert.

I noen forsøk ble kaliumklorid eller et annet salt tilsatt til blandingen.

Testene ble utført på London-leire, en tertiær leire rik på svellende mineraler og representativ for en Nordsjø-gumbo.

Skifer kan defineres som en finkornet sedimentær bergart bestående av konsolidert silt og leire eller salm.

Testene på leireprøver er ekvivalente med tester på skifermaterialer.

EKSEMPEL 1

London-leire ble dispergert i sjøvann inneholdene varierende konsentrasjoner av polyetylenglykolmaterialene mono-, di-, tri- og tetraetylenglykol og i nærvær eller fravær av kaliumkorid (28,5 g/l). Resultatene er angitt i tabell 1. Tall i parantes representerer resultatene fra forsøk hvor kaliumklorid var tilstede. Resultatene viser at tilsetningen av kaliumklorid til sjøvann synes å anspore dispergeringen av London-leire for mono-, di- og trietylenglykoler. For tetraetylenglykol er imidlertid effekten reversert og tilsetningen av kaliumklorid inhiberer dispergeringen av London-leire.

EKSEMPEL 2

London-leire ble dispergert i sjøvann inneholdene varierende konsentrasjoner av polyetylenglykoler med verdier for n større enn 4. Disse resultatene er presentert i tabell 2, som i tabell 1. Resultatene viser at for disse materialene av høyere molekylvekt så trenges vesentlig lavere mengder av glykolmateriale for å inhibere dispersjonen av London-leire og at ytelsesevnen til disse additivene forbedres i nærvær av kaliumklorid til det punkt hvorved London-leire kan hindres fullstendig i å dispergere.

Oppløsningsmiddel A er en blanding av polyetylenglykoler med gjennomsnittlig molekylvekt på 280. Oppløsningsmidler B, C og D er polyetylenglykoler solgt under varebetegnelsen Breox av BP Chemicals Ltd.

EKSEMPEL 3

For å bestemme om nytteeffekten av tilsetning av kaliumklorid resulterer fra tilstedeværelsen av kalium eller ganske enkelt fra å endre ionestyrken til sjøvannet, så ble en rekke forskjellige andre salter av molarkonsentrasjoner identisk med 28,5 g/l KC1 (0,4 M) tilsatt til sjøvann. Polyglykolen som ble benyttet var oppløsningsmiddel C i tabell 2 i en konsentrasjon på 0,5 volum-56. Resultatene i eksempel 3 er vist i tabell 3 som viser at nytteeffekten skyldes kalium.

EKSEMPEL 4

For å bestemme effekten av kjemisk sammensetning på dispergeringen av London-leire så ble to polyalkylenglykolfluider inneholdene varierende forhold av etylen- og propylenoksyd analysert. Resultatene er angitt i tabell 4. Resultatene viser at lave mengder av pclyalkylenglykolmaterialet er nødvendig for å inhibere dispergeringen av London-leire og at ytelsesevnen til disse additivene forbedres i nærvær av kaliumklorid til det punkt hvor London-leire kan hindres fullstendig i å dispergere.

Oppløsningsmidler E og F er polyetylen/polypropylenglykoler solgt under varebetegnelsen Breox av BP Chemicals Ltd.

EKSEMPLER 5- 9

Etter å ha fastslått den inhiberende natur til basisfluidet så kan andre komponenter deretter tilsettes for tilveiebringelse av et helt slamsystem.

Eksempler 5-9 illustrerer slamformuleringer og effekten av tilsetning av en polyglykol. Følgende fremgangsmåte ble benyttet for fremstilling av slam og for bedømmelse av effekten av tilsetning av en polyglykol.

Slam ble fremstilt ved oppløsning av polymerene i sjøvann (med unntakelse for eksempel 6) og blandingen fikk eldes i et minimum av 30 minutter. All blanding ble utført på en Hamilton Beach-blander. Kaliumklorid ble tilsatt til oppløsningen av polymerer og pH-verdien sluttlig justert med kaliumhydroksyd til pH 9.

For å vurdere sterkt inhiberende, fullstendig formulerte vannbaserte slamsystemer så ble det benyttet en mer aggresiv dispergeringstest enn den benyttet i de foregående forsøk. Testen anvender ca 100 g av stykker av London-leire i størrelsesområdet 4-8 mm. Stykkene anbringes inne i en sylindrisk trommel hvis buede overflate omfatter et 5 mm nett av messing eller stål. Trommelen inneholdene skiferen nedsenkes delvis (til trommelens halve diameter) i slammet som skal testes og trommelen roteres i 4 timer ved omgiv-elsestemperatur. Etter denne tiden blir gjenværende skifer utvunnet, vasket og tørket og mengden av skifer tapt ved dispergering i fluidet beregnet. Undersøkelse av mengdene av utvunnet skifer i forskjellige slamsystemer gir sammen-ligninger av den relative inhiberende natur til slamsystemene som testes.

Resultatene er vist i nedenstående tabell 5.

- Alle konsentrasjoner er i g/l med mindre annet er angitt

- % er volum-56

Olje- boreolje av lav toskisitet (ex BP 83HF fra BP Chemicals Ltd. ).

Xantan = XC polymer (ex Kelco).

CMC = Na- karboksymetylcellulose - CMC LoVis (ex Baroid). Anionisk polyakrylamid - Alcomer 120L - ex Allied Colloids

A = oppløsningsmiddel A i eksempel 2.

F = oppløsningsmiddel F i eksempel 4

Eksempel 5 er et basisk WBM, som ikke er ifølge foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 6 illustrerer et oljebasert slam.

Eksempel 7 illusterer et forbedret vannbasert slam, som ikke er ifølge foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 8 er slammet ifølge eksempel 7 med 3 % polyglykol A tilsatt.

Eksempel 9 er slammet ifølge eksempel 7 med 3 # polyglykol F tilsatt.

Eksemplene 8 og 9 er i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse og viser sterkt forbedrede egenskaper sammen-lignet med det andre WBM og nærmer seg standarden for OBM-materialet.

Claims

1. Vannbasert borefluid innbefattende: (a) et vandig medium, karakterisert ved at det også inneholder kombinasjonen av (b) en polyalkylenglykol med den generelle formel: hvor R er H eller CH3, R<*> er E eller en alkylgruppe inneholdene 1-4 karbonatomer og n er et tall i området fra 4 til 200, i en mengde på 0,5-60 #, fortrinnsvis 1-20 %, beregnet på volum av fluidet, og (c) et kaliumsalt i en mengde på 14,3-143, g/l.

2. Vannbasert borefluid ifølge krav 1, karakterisert ved at konsentrasjonen av polyalkylenglykolen er i området 1-20 volum-# av fluidet.

3. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at konsentrasjonen av kaliumsaltet er i området 28,6-25,7 g/l.

4. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at polyalkylenglykolen er en polyetylenglykol.

5. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at polyalkylenglykolen inneholder etylenoksyd- og propylenoksydenheter i et forhold i området 1:3 til 3:1.

6. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at kaliumsaltet er kaliumklorid.

7. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at kaliumsaltet er et formeat, acetat, karbonat eller fosfat.

8. Vannbasert borefluid ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det i tillegg inneholder en eller flere komponeneter valgt fra gruppen bestående av vektmidler, viskositetsregulerende midler, fluidtapsregulerende midler, skiferinhibitorer og pE-reguleringsmidler.