NO301437B1 - Fremgangsmåte til å forhindre potensiell ödeleggelse av underjordiske formasjoner - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til å forhindre potensiell ødeleggelse av underjordiske formasjoner ved anvendelse av klare fullføringsfluider.

Beskrivelse av tidligere teknologi

Vandige løsninger av alkali- og jordalkalimetaller og blandinger derav blir anvendt som bore-, fullførings-, pak-nings- og perforeringsmedier i olje- og gassbrønner. Oppkomsten i senere år av de såkalte faststoff-frie saltløs-ninger har i høy grad forbedret fullførings- og overhalings-aktivitetene ved å eliminere tidligere eksisterende problemer i forbindelse med formasjonsplugging og f aststof f avsetning ved anvendelse av vannbaserte og oljebaserte borefluider. Klare saltløsninger betraktes vanligvis som nyttige fluider for be-tjening av brønner eller fullføring av olje- og gassbrønner fordi de er 1) fri for faste stoffer, 2) inhiberer svelling og oppslemming av leire i porøse medier og 3) forandrer ikke fuk-tbarheten av underjordiske formasjoner. Til tross for disse positive egenskaper er det blitt vist at klare saltløsninger med høy tetthet kan forårsake ødeleggelse av underjordiske formasjoner.

Muligheten for og graden av formasjonsødeleggelse av-henger av fire faktorer. De fire faktorer er 1) saltløsning-enes kjemiske karakter og tetthet, 2) den fysiske og kjemiske karakter av leire som legger seg i porene, 3) det gjennomsnit-tlige formasjonsporetrykket og 4) forlikeligheten av fluider som er tilstede i formasjonen med fullføringssaltløsningen.

Avhengig av deres kjemiske sammensetning vil klare saltløsninger med høy tetthet påvirke underjordiske formasjoner som inneholder karbondioksyd. Dersom saltløsningen inneholder kalsium, vil reaksjonen resultere i karbonatutfelling, som kan blokkere porene i den underjordiske formasjon. Opp til i dag har den eneste løsning mot dannelse av kalsiumut-fellinger vært å unngå anvendelse av kalsiumløsninger når karbondioksyd er tilstede.

Corley et al. har angrepet problemet med ødeleggelse på grunn av klare saltløsninger i "Clear Fluids: They're Not Always Non-Damaging", World Oil, november 1984, s. 66-69. For å minimalisere ødeleggelsene i formasjonen antyder artikkelen anvendelse av et polymer-karbonatfluid fylt med faste stoffer.

Morgenthaler bemerker i "Formation Damage Tests of High-Density Brine Completion Fluids", Society of Petroleum Engineers Production Engineering, november 1986, s. 432-36 at ødeleggelse av formasjonen forekommer ved anvendelse av salt-løsninger som har en tetthet på 1,60-1,80 kg/liter. Ifølge Morgenthaler vil høyt konsentrerte saltløsninger som inneholder kalsiumbromid eller kalsiumklorid forårsake ødeleggelse som han postulerer må skyldes utfelling av et syreløse-lig kalsiumsalt. Forfatteren anbefaler anvendelse av sinkbromid for å forhindre forringelse av formasjonen.

Kalsiumfrie systemer, såsom løsninger av natriumbrom-id, natriumklorid og sinkbromid er blitt anvendt for å unngå ødeleggelse av underjordiske formasjoner. Selv om sinkkar-bonater også er uløselige, vil det vanligvis ikke dannes sink-karbonater. Den viktigste ulempe med disse systemer er enten den manglende evne til å oppnå den ønskede fluidtetthet, eller den ufordelaktige økonomi som henger sammen med disse spesie-lle fluider.

Et hovedformål ifølge den foreliggende oppfinnelse er derfor å utforme en fremgangsmåte til å forhindre underjordisk ødeleggelse ved anvendelse av klare saltløsninger med høy tetthet for olje- og gassbrønnformål.

Et annet formål ifølge denne oppfinnelse er å inhibere innvirkningen av klare saltløsninger med høy tetthet på den underjordiske formasjonens matriks for å forhindre ødeleggelse av formasjonen.

Ytterligere et formål ifølge oppfinnelsen er å forhindre dannelsen av utfellinger på grunn av omsetningen mellom de klare saltløsninger med høy tetthet og substanser som fin-nes i den underjordiske formasjon.

Sammendrag av oppfinnelsen

De foregående og andre formål, fordeler og trekk ifølge oppfinnelsen kan oppnås ved en fremgangsmåte til å forhindre potensiell ødeleggelse av underjordiske formasjoner forårsaket av kalsiumbaserte fullførings- og brønnbe-tjeningssaltløsninger, og fremgangsmåten er særpreget ved tilsetning av en syrebufferblanding omfattende en svak syre og dens konjugerte metallsalt til nevnte fullførings- og brønn-nbetjeningssaltløsning for å holde pH-verdien for nevnte salt-løsning mellom 3,5 og 5,5.

Beskrivelse av tegningene

På tegningene viser fig. 1 forholdet mellom returpermeabilitet og volumet av den referansesaltløsning som in-jiseres for å fortrenge tung saltløsning, fig. 2 viser karak-teren av returpermeabiliteten for to kjerneplugger som anvendes til å oppnå data i eksempel II, fig. 3 viser forholdet mellom returpermeabilitet og fortrengningsvolumet av en kjerne som anvendes i eksempel 2, fig. 4-7 viser polariseringsmotstandskurver for de forskjellige eksperimenter.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til for-hindring av ødeleggelse av underjordiske formasjoner når det innføres kalsiumbaserte saltløsninger i underjordiske formasjoner som inneholder karbondioksyd og andre skadelige inte-raktive midler som kan resultere i utfelling og blokkering av porene i formasjonen. Metoden omfatter tilsetning til saltløs-ningen av en sur bufferblanding, og bibehold av blandingens pH mellom 3,5 og 5,5.

Den sure bufferblanding omfatter en svak syre og dens konjugerte metallsalt. Mulige bufferblandinger omfatter eddiksyre med dens komplementærsalt, et løselig metallacetat. Foretrukne syrer og metallsalter omfatter eddiksyre/natriumacetat, eddiksyre/kalsiumacetat og sitronsyre/natriumsitrat. Andre bufferblandinger kan anvendes, dersom det bare dannes en sann løsning og den resulterende pH ligger i området 4-5.

Mengden av bufferblanding som kreves for å oppnå den ønskede pH vil ligge i området fra ca. 1 til ca. 10 liter buffer løsning pr. 4200 liter saltløsning. Den virkelige buffermengde som er nødvendig, er avhengig av flere faktorer omfattende bufferens og saltløsningens sammensetning. Den typiske buffermengde ligger imidlertid i området fra ca. 4 til ca. 6 liter pr. 4200 liter saltløsning.

De følgende eksempler er gitt med det formål å illustrere de foretrukne utførelser ifølge den foreliggende oppfinnelse, og har ikke til hensikt å være begrensninger av den beskrevne oppfinnelse.

Eksempel 1

For å vise virkningen av en buffer med lav pH til å redusere ødeleggelsen av underjordiske formasjoner på grunn av saltløsninger med høy tetthet, ble det utført strømningsforsøk i Berea-kjerner, naturlig forekommende sandsten anvendt for standardstudier av permeabilitet, og i 1200 millidarcy (md) sandpakninger.

Berea-kjerner anvendt i disse forsøk hadde en lengde på 7,5 cm og en luftpermeabilitet på 100 md. Det gjennomsnitt-lige porevolum av disse kjerner var ca. 9 cm<3>. Disse kjerner inneholdt overhodet ikke ekspanderbar leire.

Sandpakningen anvendt i disse prøver, inneholdt 100-200 mesh Ottawa-sand. Sandpakningen ble fremstilt ved standard våtpakningsteknikk.

Hydratiserte kalsium- og sinkholdige fluider av kommersiell kvalitet og med tettheter på 1,70 kg/l (14,2 pund pr. gallon (ppg)) og 2,3 kg/l (19,2 ppg) ble anvendt i strømnings-testene. En 4% referansesaltløsning ble fremstilt ut ifra natriumklorid av reagenskvalitet. Alle fremstilte fluider ble deretter filtrert gjennom 0,45 um-membranfilterpapir.

Strømningstestene ble utført gjennom de fremstilte kjerner som ble plassert i en Hassler Core Holder ved 150°C. En pumpe med positiv fortrengning ble anvendt til å injisere fluidet ved konstant hastighet. Nitrogen ble anvendt som med-ium for fluidet for å sikre at fluidet ble injisert ved konstant trykk. Kjernene ble avgrenset ved 6,89 MPa (1000 pund pr. kvadrattomme, psi) med et tilbaketrykk på 1,38 MPa (200 psi).

Kjernene ble først behandlet ved metning med refer-ansesaltløsningen (4% natriumkloridløsning), i en høyvakuum eksikator i mer enn 72 timer. Deretter ble kjernene montert i Hassler Core Holder'en. Kjernen initialpermeabilitet ble målt ved å injisere referanseløsningen ved konstant hastighet på 20 cm3 pr. time i mer enn 12 timer. En stabilisert trykkdifferanse ble registrert i minst seks (6) timer. Saltløsning med høy tetthet ble deretter injisert ved svært lav hastighet, ca. 5-

10 cm<3>pr. time ved konstant trykk i minst 24 timer. Referan-sesaltløsningen ble deretter reinjisert ved konstant hastighet på 20 cm3, inntil stabilisert permeabilitet var etablert. Forholdet mellom endelig og initialpermeabilitet ble beregnet, og resultatene er gitt i tabell 1.

Fig. 1 viser forholdet mellom returpermeabilitet og det volum av referansesaltløsning som ble injisert for å fortrenge saltløsningen med høy tetthet. Dette tall viser at i alle tilfelle ble det oppnådd maksimum returpermeabilitet etter injeksjon av 5 porevolumer.

Data i tabell 1 og fig. 1 viser at det maksimale per-meabilitetstapet er ca. 10%. Dette permeabilitetstap skyldes muligens enten bevegelsen av leirepartikler eller avsetning av fine partikler i porene, som kan dannes ved saltløsningens påvirkning av kjernematriks under saltløsningens strømning gjennom kjernen.

De data som er fremskaffet ved hjelp av strømnings-eksperimentene gjennom sandpakningene, indikerer at det ikke er noen reduksjon av permeabiliteten i ukonsoliderte sandpakninger med 1200 md.

Dessuten viser testresultatene at det ikke er noe permeabilitetstap selv etter at strømningen av saltløsningene foregår i 24 timer ved 66°C, dersom saltløsningens pH blir nedsatt med iseddiksyre eller med 8 vekt% sinkbromidsalt. Det bør bemerkes at pH i avløpet blir øket i tester hvor saltløs-ningens pH blir justert med ubuffret syre, men at den ikke øker når det er blitt tilsatt sinkbromid. Denne virkningen skyldes den naturlige buffervirkningen og den store tilsatte mengde av sinkbromid sammenlignet med syren, som gir tilstrek-kelig buffervirkning til å forhindre en økning av pH. Testresultatene viser at en eventuell gjensidig påvirkning mellom saltløsning og matriks blir forhindret, så lenge som pH for saltløsningen i porene blir holdt mellom 3,5 og 5,5.

Det kan sluttes av dette eksempel at formasjonsødeleggelse kan unngås ved å holde pH for høytetthetssaltløsnin-gene på ca. 4. Dette kan lett oppnås med en sur bufferløsning. Den foretrukne sure bufferløsning er en eddiksyrebuffer. I den mest foretrukne form omfatter bufferen en blanding med samme molaritet av eddiksyre og natriumacetat.

Eksempel 2

Strømningstester ble gjennomført ved anvendelse av tre én-toms kjerneplugger, skaffet fra en brønn i Jolliet-fel-tet, Offshore, Louisiana.

Høytetthetssaltløsninger av kommersiell kvalitet ble anvendt i strømningstestene. En referansesaltløsning omfattende 4 vekt% (4%) natriumklorid ble fremstilt ut ifra natriumklorid av reagenskvalitet. Både saltløsningene med høy tetthet og referansesaltløsningen ble filtrert gjennom et 0,45 um filterpapir.

Strømningstestene ble utført i kjerner som først var blitt mettet med referansesaltløsning: (4% natriumkloridløs-ning). De mettede kjerner ble lagret i en høyvakuum eksikator i mer enn 72 timer. Kjernene ble deretter plassert i en Hassler Core Holder ved 150°C. For å fjerne spor av slam og olje fra pluggene ble det først injisert 50 cm<3>av en 4%-ig saltløs-ning og deretter 20 cm<3>glykoleter. Kjernens initialpermeabilitet ble målt ved å injisere referansesaltløsningen ved en konstant hastighet på 20 cm<3>/time i mer enn 12 timer. En stabilisert trykkforskjell ble registrert i minst seks timer. Høytet-thetssaltløsning ble deretter injisert med svært lave has-tigheter for å sikre konstant strømningshastighet i området 5-10 cm<3>/time ved konstant trykk i minimum 14 timer. Referan-sesaltløsningen ble reinjisert ved konstant hastighet på 20 cm<3>/time inntil stabilisert permeabilitet var etablert. Forholdet mellom kjernens sluttpermeabilitet og initialpermeabilitet ble beregnet, og resultatene er gitt i tabell 2.

Sammenhengen mellom returpermeabilitetsforholdet og fortrengningsvolumet er illustrert i fig. 2. Ut ifra figuren er det åpenbart at ved alle typer saltløsninger kommer den maksimale permeabilitet tilbake etter injeksjon av ca. 40cm<3>referansesaltløsning. Data i tabell 2 indikerer at ca. 20% permeabilitet er det maksimale tap. Disse data viser også at ufordelaktig saltløsning-matrikspåvirkning kan bekjempes ved anvendelse av saltløsning som er buffret til en pH på ca. 4.

Korros i onstester

For å undersøke om pH-senkningen for en saltløsning med en syre ville øke saltløsningens korrosivitet ble det gjennomført to forsøksserier. Det ble gjennomført korrosjons-hastighetstester av vekttapet sammen med elektrokjemiske polariseringseksperimenter. K-55 rørstål ble plassert i én uke i en kalsiumbromidsaltløsning buffret til pH 4 ved 65,6°C. Det ble fremstilt en stamløsning med 1,70 kg/l kalsiumbromid buffret med eddiksyre/natriumacetat og en lignende løsning med en korrosjonsinhibitor, såsom et filmdannende amin eller et salt som inneholder uorganisk svovel eller et merkaptan, og disse ble plassert i en korrosjonscelle sammen med det metall som skulle testes. Resultatet av disse eksperimenter er oppført i tabell 3. Disse resultater indikerer at det eksisterer få, om overhodet noen, korrosjonsrelaterte problemer i uinhiberte og inhiberte saltløsninger.

Polariseringsmotstandskurver ble oppnådd ut ifra eksperimenter med et stamsaltløsning/K-55-system og en buffret/- inhibert saltløsning hvori systemets pH var sur. Hverken salt-syre eller eddiksyre ble anvendt til å senke systemets pH-ver-di. Resultatet av disse elektrokjemiske eksperimenter viser akseptabelt jevne korrosjonshastigheter i uinhiberte saltløs-ninger inntil pH-verdien senkes lavere enn 2,0. Tettheten har ingen virkning på korrosjonshastigheten. Tilsetning av et in-hiberingsmiddel i systemet gir en senkning av metallets kor-rosjonshastighet. Elektrokjemiske potensialresultater er op-pført i tabell 4. Alle løsninger utformet med 1,70 kg/l er kalsiumbromidløsninger, mens løsningen betegnet med 1,58 kg/l er en kalsiumklorid/kalsiumbromidløsning. Polariseringsmotstandskurver som viser typiske resultater er vist i fig. 4-7.

Fra den foregående beskrivelse kan en fagmann på dette område lett fastslå de essensielle egenskaper ved denne oppfinnelse, og uten å avvike fra ånden og rammen for denne, kan han gjøre forskjellige forandringer og modifikasjoner av oppfinnelsen for å tilpasse den til forskjellige anvendelser og betingelser.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til å forhindre potensiell ødeleggelse av underjordiske formasjoner forårsaket av kalsiumbaserte ful-lførings- og brønnbetjeningssaltløsninger,karakterisert vedtilsetning av en syrebufferblanding omfattende en svak syre og dens konjugerte metallsalt til nevnte fullførings- og brønnbetjeningssaltløsning for å holde pH-verdien for nevnte saltløsning mellom 3,5 og 5,5.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den svake syre og dens konjugerte metallsalt er valgt fra gruppen bestående av eddiksyre/natriumacetatblandinger, eddiksyre/kalsiumacetatblandin-ger og sitronsyre/natriumsitratblandinger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat pH-verdien for nevnte saltløsning blir holdt mellom 4,0 og 5,0.