NO329490B1 - Fremgangsmate for boring av et borehull med anvendelse av et lateksadditiv - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for boring av et borehull hvori et vandig borefluid sirkuleres under boring. Ved fremgangsmåten anvendes det et additiv for å redusere tap av borefluid inn i formasjonene som omgir borehullet.

For produksjon av hydrokarbonbrønner blir borehull boret i underjordiske formasjoner. Standard fremgangsmåter er her at et fluid sirkuleres ved boringen fra overflaten gjennom det indre av borestrengen og ringrommet mellom borestrengen og formasjonen. Borefluidet, også referert til som "boreslam", anvendes for å tjene et antall innbyrdes relaterte funksjoner. Disse funksjonene er: (1) fluidet må suspendere og transportere faste partikler til overflaten for ut-screening og avhending; (2) det må transportere en leire eller annen substans som er i stand til å feste seg til, eller å belegge, den ikke-forede borehulloverflaten, både (a) for å utelukke uønskede fluider som kan være omfattet, slik som saltvann, og derved hindre dem fra å blande seg med, og bryte ned, den reologiske profilen til boreslammet, så vel som (b) hindre tap av nedihulls trykk fra fluidtap bør borehullet traversere et intervall av porøst formasjonsmateriale; (3) det må holde suspendert et additivballastmiddel (for å øke spesifikk vekt av slammet), generelt barytter (en bariumsulfatmalm, malt til en fin partikkelstørrelse), slik at hele kolonnen av borefluid ikke avbrytes ved innbefattelse av trykksatte lommer av brennbar gass, som ellers ville tendere til å redusere nedihulls trykket, så vel som å skape en utblåsning hvori fluidet og til og med borestrengen med kraft blir støtt ut av brønnen, med resulterende katastrofale skader, særlig på grunn av brann; (4) den må konstant smøre borekronen for å fremme boreeffektivitet og retardere borehodeslitasje.

Innen industrien skilles det grovt sett mellom tre klasser borefluider: oljebaserte, vannbaserte og såkalte syntetiske slam. Mens oljebaserte slam kjennetegnes ved deres overlegne kvalitet for de fleste boreoperasjoner, er de i økende grad uønsket på grunn av deres miljøpåvirkning og strengere miljølovgivning. Vannbaserte slam forventes å erstatte oljebaserte slam på de fleste geografiske områder.

Et borefluid inneholder typisk et antall additiver. Disse additivene bevirker ønskede egenskaper på fluidet slik som viskositet og tetthet. En klasse additiver anvendes som fluidtapsmidler for å hindre borefluidet fra å komme inn i porøse formasjoner.

Den grunnleggende mekanismen for fluidtapskontroll er generelt dannelsen av en filterkake i grenseflaten mellom de porøse eller permeable formasjonslagene. Idet en del av borefluidet tvinges inn i formasjonen ved det høyere trykket i borehullet, blir større partikler og additiver værende tilbake og akkumuleres på forsiden av formasjonen. Filterkaken dannet på denne måten kan anses som en membran som hindrer formasjonen fra ytterligere invasjon av borehullfluider. Fluidtapskontrollmidler vleges ut i lys av deres kvalitet når det gjelder å danne en fullstendig filterkake.

Kjente eksempler på slike fluidtapskontrollmidler er vannløselige polymeriske additiver som tilsettes borefluidet for å forbedre forsegling av filterkaken. Disse fluidtapspolymerene er først og fremst modifiserte celluloser, stivelser eller andre polysakkaridderivater og er gjenstand for temperaturbegrensninger. spesielt begynner de fleste å svikte rundt 105-120°C.

Latekser på den annen side er for eksempel beskrevet i US patent nr. 5.770.760 som anvender lateks for å fortykke de vannbaserte borefluidene. Lateksen tilsettes til slammet og behandles kjemisk for å gi den funksjonelle polymeren som er i en oppløst form.

Anvendelsen av latekser for formålet fluidtapskontroll er for eksempel beskrevet i US patentene 4.600.515 og 4.385.155.1 disse applikasjonene blir imdlertid polymerlateksene anvendt i en vannløselig form.

US-A-5518996 foreslår et fluid med høyt faststoffinnhold for behandling av en underjordisk formasjon, hvor fluidet omfatter en væske og minst tre størrelser av fast partikkelformig materiale.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for boring av et borehull hvori vandig borefluid sirkuleres under boring.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte av den ovenfor nevnte art, som er kjennetegnet ved at den innbefatter å sirkulere i nevnte borehull, med nevnte vandige borefluid, en effektiv mengde av et additiv bestående av en lateksforbindelse som er i det vesentlige uløselig og ikke-svellbar i borefluidet; hvori den vandige sammensetningen omfatter suspenderte, finfordelte faste stoffer, som danner en filterkake på veggen av nevnte borehull, idet de finfordelte faste stoffene innbefatter leireaktig materiale, og lateksen utgjør i det minste del av filterkaken uten i vesentlig grad å undergå agglomerering, koagulering, tverrbinding eller vannindusert svelling.

Lateksene er utvalgt fra kjente latekser slik at de kan absorberes i en filterkake som bygges opp på grenseflaten mellom borehullet og porøse formasjoner i i det vesentlige samme tilstand som de er i ved vandige borefluider. Således koagulerer ikke lateksene som anvendes for denne applikasjonen og heller ikke blir de ytterligere tverrbundet.

Et annet utvalgskriterium for egnede latekser er at Tg, eller

glassomvandlingstemperaturen til polymeren, må være lavere enn temperaturen til boreapplikasjonen slik at polymeren er i en gummi- eller fluidtilstand. I denne tilstanden er polymerpartiklene deformerbare hvilket forbedrer forseglingsegenskapene til filterkaken.

Polymerlateksene kan være av en hvilken som helst vannuløselig polymer, kopolymer eller terpolymer, for eksempel syntetisert ved emulsjonspolymerisasjon. De viktigste kjemiske typene kan summeres som: Polymerer og kopolymerer hvori den hovedrepeterende enheten er avledet fra monoolefinisk umettede monomerer slike som vinylacetat, vinylestere av andre fettsyrer, estere av akryl- og metakrylsyre, akrylonitril, styren, vinylklorid, vinylidenklorid, tetrafluoretylen og relaterte monomerer.

Polymerer og og kopolymerer hvori hoveddelen av de repeterende enhetene er avledet fra 1,3-diener slik som 1,3-butadien (butadien) 2-metyl-l,3-butadien (isopren) og 2-klor-l,3-butadien (kloropren), hvor mindre deler av de repeterende enhetene er avledet fra monoolefinisk umettede monomerer slik som styren og akrylonitril, eller andre av kategori 1.

Andre polymerer slike som polyisobutener som inneholder mindre mengder kopolymerisert isopren, polyuretaner og andre monomerenheter.

Latekser som kan anvendes for dette formålet inkluderer styrenbutadienkopolymerlateks (SBR), og styrenakrylatmetakrylat-terpolymerlateks (SA).

Kompatibilitet med andre faste stoffer til stede i borefluidene kan kreve anvendelse av en ytterligere stabilisator som additiv til det vannbaserte borefluidet. Dette kan være tilfelle for visse typer SBR-latekser. SA-latekser synes stabile ved omgivelsestemperatur og moderate temperaturer (til ca. 60°C), men blir destabilisert ved hevede temperaturer. Andre lateks kjemisystemer kan være mer stabile. Stabilisatoren blir generelt tilsatt ved en dosering på 10% av latekskonsentrasjonen eller mindre. Forsiktighet må utvises ved utvelgelse for å minimalisere formasjonsskade fra fri stabilisator. De mest effektive stabilisatorene er anioniske surfaktanter som for eksempel natriumdodecylsulfat (SDS), Aerosol OT (AOT) og polymeriske stabilisatorer/surfaktanter slik som NPE (en 30% vandig løsning av ammoniumsalt av sulfaterte etoksylerte nonylfenoler). Ikke-ioniske surfaktanter slik som Triton-seriene, en oktylfenolpolyeteralkohol med varierende antall eterbindinger per molekyl, kommersielt tilgjengelig fra Union Carbide, kan også anvendes. "Synperonic"-forbindelser kan også anvendes for å stabilisere lateksen.

Ytterligere additiver kjent i litteraturen kan tilsettes for å gi andre ønskede egenskaper til slamsystemet. Slike kjente additiver inkluderer viskositetsmodifiserende midler, filtratreduserende midler og vektjusterende midler. Andre foretrukne additiver er skifer-svellende inhibitorer, slik som salter, glykol-, silikat- eller fosfatbaserte midler, eller en hvilken som helst kombinasjon derav.

Disse og andre trekk av oppfinnelsen, foretrukne utførelsesformer og varianter derav, mulige applikasjoner og fordeler, vil fremgå for fagmannen ved gjennomgang av følgende detaljerte beskrivelse og tegninger. Fig. 1 sammenligner polymere- og lateksfluidtapsadditiver som viser kumulativt fluidtap ved 30 minutter ved 25°C som en funksjon av pålagt differensialtrykk; Fig. 2 sammenligner ytelsen til agglomererte og ikke-agglomererte SBR-latekser som viser det kumulative fluidtapet ved 30 minutter ved 25°C som en funksjon av pålagt trykk; Fig. 3 viser det kumulative fluidtapet ved 30 minutter ved 25°C som en funksjon av pålagte trykk for SA- og SBR-latekser; Fig. 4 illustrerer effekten av temperatur på ytelsen til den glassaktige polymeren ved sammenligning av filtreringsegenskapen fra SA-type lateks ved 25 og 80°C (over og under Tg=59°C); og Fig. 5 illustrerer effekten av temperatur på fluidtap i latekssystemer som anvender en barytt/xantan sammensetning som basisfluid.

Flere forskjellige vannuløselige latekser ble testet for deres anvendelse som fluidtapsadditiver.

Først ble deres filtreringsegenskaper undersøkt ved anvendelse av en Vi areal API HTHP filterpresse som funksjon av temperatur og trykk. Typisk ble det anvendt trykk i området 689,5-3447,4 kPa (100-500 psi) og temperaturer på 25°C til 150°C. Det

kumulative fluidtapet etter 30 minutter ble anvendt for å karakterisere filtrenngsytelsen.

Et polymerbasert fluid med lav vekt som består av 4 g/l xantangummi (IDVIS), 160 g/l API barytt, justert til pH 8 med NaOH, ble anvendt som basissystemet for disse testene.

Fig. 1 sammenligner filtreringsytelsen ved 25°C til en stabilisert SBR-lateks, med en vanlig fluidtapspolymer: polyanionisk cellulose (PAC). Lateksen, med kode LPF5356, er en styrenbutadienlateks med en Tg på ~-20°C og kommersielt tilgjengelig som Pliolite LPF5356 fra GOODYEAR. Lateksen er polydispers med en partikkelstørrelse varierende fra 100 til 600 nm. Lateksslurryen ble tilsatt til basisformuleringen ved 3,5% eller 7% aktiv med ikke-ionisk surfaktant Triton X405 ved 10% av latekskonsentrasjonen. PAC ble tilsatt til kontrollsystemet ved en konsentrasjon på 5 g/l. Grafen viser langt lavere fluidtap for lateksen enn for vanlig polymeradditiv, med langt lavere trykkavhengighet. Latekspartiklen forbedrer forsegling i filterkaken.

Tilsvarende resultater ble oppnådd med LPF7528 i GOODYEAR's Pliolite serie, som har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 150 nm. Fig. 2 sammenligner filtreringsytelse av LPF7528 i forhold til LPF5356 ved 25°C, begge stabilisert med ionisk surfaktant SDS, igjen med 10% latekskonsentrasjon.

Ytterligere eksempler, med kode LSI og LS2, er styrenakrylatmetakrylat-latekser av GOODYEAR's Pliolite område av kommersielle latekser med en størrelse på ~150 nm diameter som ved å variere forholdet mellom forskjellige monomerer varierer i Tg mellom 59 og 0, respektivt. Ved omgivelsestemperatur er alle stabile med hensyn til andre faste stoffer og trenger ikke ytterligere stabilisatorer.

Fig. 3 oppsummerer deres ytelse tilsatt som 3,5% aktiv i forhold til vekten av barytt basissystemet. Lateksen LS2 som har lavere enn omgivelses-Tg oppfører seg bra. LSI som har en Tg på 59°C oppfører seg dårlig. I sin glasstilstand deformerer partikkelen ikke til å pakke godt i filterkaken. Hvis testen gjentas over dens Tg, ved 80°C, oppfører den seg på tilsvarende måte med andre latekser, se Fig. 4. Idet lateks LSI ble destabilisert ved hevet temperatur, ble surfaktant SDS tilsatt til formuleringen ved en konsentrasjon på 0,35% (10% av latekskonsentrasjonen).

Det ble generelt funnet at fluidtapet øker med økende temperatur. I tillegg vil de polymeriske additivene nedbrytes ved høy temperatur. Fig. 5 viser effekten av temperatur på forskjellige latekssystemer i barytt-ballastert xantangummibasisfluid. Basissystemet viser raskt tap av filtreringskontroll ved 80°C. Generelt viser latekssystemet en langt lavere økning i fluidtap over dette området. Lateksen med høy Tg lateks LSI viser forbedret fluidtap ved hevede temperaturer. Andre systembegrensninger opptrer ved høyere temperaturer, særlig ikke-ioniske surfaktanter er ikke lenger en effektiv stabilisator over 105°C, hvilket resulterer i flokkulering av lateksen. Det ble funnet at ioniske surfaktanter og ionisk polymer Dl35 fortsatte å stabilisere polymerene over denne temperaturen. Et ytterligere problem opptrådte med xantangummien som også begynner å miste ytelse ved rundt 105-110°C hvilket forårsaker baryttnedsiging. Skleroglukanbiopolymer er stabil ved høyere temperaturer. 8 g/l skleroglukan (Biovis)/160 g/l API barytt-baserte systemer som inneholder SA og SBR lateks med forskjellige stabilisatorer ble varmvalset ved 120°C over natten (161). HPHT fluidtap ble målt ved 120°C før og etter aldring. Tabell 1 oppsummerer resultatene. Ingen baryttnedsiging ble observert i noen av systemene. I dette systemet er lateksen noe mindre påvirket enn SBR lateksen, hvilket er forventet fra deres relative ytelse ved temperatur.

Tabell 1: 30 minutt HPHT fluidtap etter aldring over natten (16 t) ved 120°C.

Eksemplene gitt så langt er for ferskvannsystemer. Lateksene er også stabile overfor tilsatt salt. Tester utført under nærvær av 5% KC1 eller NaCl viser ingen forskjeller fra resultatene vist ovenfor. Lateksen er også stabil i 25% CaCh saltvann.

Ytterligere tester ble utført for å evaluere formasjonsskader forårsaket av de nye additivene. Testfremgangsmåten som ble anvendt er beskrevet av L. J. Fraser, P. Reid, D. Williamson og F. Enriquez Jr. i: "Mechanistic investigation of the formation damaging characteristics of mixed metal hydroxide drill-in fluids and comparison with polymer-base fluids". SPE 30501, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, TX, USA, 22-25. oktober 1995.

Ved å følge den beskrevne fremgangsmåten ble en 25,4 mm diameter, 30 mm lang Clashach sandstenkjerne forhåndsmettet under vakuum med en syntetisk fossil grunnvannsformulering, gitt i Tabell 2.

Permeabiliteten overfor kerosen ble bestemt ved restvannmetning. 100 porevolumer kerosen (~350 g) ble oversvømmet gjennom kjernen ved maksimalt trykk anvendt i testen, 68,9 kPa (10 psi). Deretter ble strømningshastigheten bestemt for 3 pålagte trykk: 68,9, 34,5 og 13, 8 kPa (10, 5 og 2 psi). Kjernen ble deretter montert i en filtercelle og eksponert for borefluid i 4 timer ved 2068 kPa (300 psi) differensialtrykk, filtreringsretningen var motsatt av permeabilitets-strømretningen. Etter filtrering ble nivået av permeabilitetsskade bestemt. For å kvantifisere skaden, ble først opprensningstester utført ved å strømme kerosen gjennom ved 13,8, 34,5 og 68,9 kPa (2, 5 og 10 psi) og vente til likevektsstrømningshastigheter ble oppnådd før man gikk opp til neste trykk. Disse likevektsstrømningshastighetene ble sammenlignet med opprinnelige strømningshastigheter ved disse trykkene.

Deretter, etter opprensning ved 68,9 kPa (10 psi), ble trepunktspermeabiliteten igjen bestemt og en % oppnådd permeabilitet ble beregnet fra differansen mellom slutt- og begynnelsespermeabiliteten, % Kf/Ki.

Formasjonsskadetestene ble utført på karbonatballasterte borefluider. Basissystemet var 8 g/l skleroglukan (Biovis) og 360 g/l karbonat Idcarb 150. pH ble justert til 9 med NaOH. Til dette ble det tilsatt fluidtapsadditiver: enten PAC ved 5 g/l eller latekser LPF7528 eller LSI ved 3,5% aktiv, for forskjellige stabilisatorer: surfaktant SDS, AOT og den polymere stabilisatoren NPE ved 10% av latekskonsentrasjonen. Testene ble utført ved omgivelsestemperatur og ved 120°C. Tabell 3 oppsummerer ytelsen. Latekskombinasjonene viser hvor mye forbedret fluidtap som ble oppnådd i forhold til vanlig PAC polymer. Spesielt går det klart fram av Tabell 3 at PAC filtreringsytelsen blir signifikant redusert ved 120°C, mens lateksformuleringene holder seg effektive. SBR-lateksen gir tilsvarende permeabilitetsskade på PAC ved romtemperatur og forbedres ved hevet temperatur. SA type lateksene er svært lite skadelige, særlig i kombinasjon med den anioniske surfaktanten SDS, hvor permeabilitetene tilbake er ~90%. Polyanionisk stabilisator NPE er noe mer skadelig enn surfaktantstabilisatorene. Den enkle opprensningen bør også bemerkes, med SA latekser som oppnår høy opprensning ved lavt trykk. I de fleste tilfeller ble SA latekskaken rent fjernet fra kjerneoverflaten. SBR latekskakene var mer dispersive med tendens til små hull, på samme måte som filterkaker formulert med vanlige polymerer.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for boring av et borehull hvori et vandig borefluid sirkuleres under boring, karakterisert ved at den innbefatter å sirkulere i nevnte borehull, med nevnte vandige borefluid, en effektiv mengde av et additiv bestående av en lateksforbindelse som er i det vesentlige uløselig og ikke-svellbar i borefluidet; hvori den vandige sammensetningen omfatter suspenderte, finfordelte faste stoffer, som danner en filterkake på veggen av nevnte borehull, idet de finfordelte faste stoffene innbefatter leireaktig materiale; og lateksen utgjør i det minste del av filterkaken uten i vesentlig grad å undergå agglomerering, koagulering, tverrbinding eller vannindusert svelling.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at lateksen tjener som fluidtapsmiddel.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at lateksen tilsettes som en polymersuspensjon til borefluidet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at lateksen tilsettes som en polymersuspensjon til borefluidet med en gitt partikkelstørrelse eller partikkelstørrelsesfordeling og i det vesentlige opprettholder nevnte partikkelstørrelse eller partikkelstørrelsesfordeling i borefluidet og som en avsetning i filterkaken.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at opp til 20 volum-% av latekssuspensjonen tilsettes til nevnte vandige borefluid.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at den vandige sammensetningen videre omfatter viskositetsmodifiserende additiver.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at den videre omfatter trinnene: fremstilling av det vandige borefluidet; pumping av nevnte fluid gjennom en rørformet struktur med en borekone ved en bunnende; og retur av nevnte fluid gjennom et rin grom mellom rørstrukturen og veggen av borehullet til overflaten.