NO340746B1

NO340746B1 - Fremgangsmåte ved bruk av borevæske inneholdende biologisk nedbrytbar, organofil leire

Info

Publication number: NO340746B1
Application number: NO20074214A
Authority: NO
Inventors: Jeffrey J Miller
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2017-06-12
Also published as: WO2006092547A3; US7867953B2; EP2316904B1; NO20074214L; EP2316903A1; WO2006092547A2; US7985717B2; US20110031024A1; EP1877511A2; US20060166839A1; EP2316904A1; EP1877511B1

Description

Borevæsker inneholdende biologisk nedbrytbar organofil leire

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse angår generelt borevæsker og mer spesifikt en fremgangsmåte ved bruk av biologisk nedbrytbar borevæske som omfatter organofil leire omfattende et kvaternært ammonium overflateaktivt middel som haren amid binding.

Bakgrunn

De følgende avsnitt inneholder en drøfting som belyser oppfinnelsen som presenteres i denne søknad og enhver diskusjon om aktuelle eller foreslåtte eller mulige tilnærminger i dette avsnitt om bakgrunn innebærer ikke at de samme er "prior art".

Naturressurser så som olje og gass som befinner seg i en underjordisk formasjon kan bli utvunnet ved å bore brønner som penetrerer formasjonen. Typisk blir en brønn boret ned til formasjonen mens det sirkuleres en borevæske (også kjent som boreslam) gjennom brønnen. Under boreprosessen blir det dannet borkaks som inneholder små biter av skifer og stein. Borevæsken transporterer borkaksen i en returstrøm tilbake til boreplattformen. Etter å ha avsluttet sirkulasjon av borevæsken, blir en rørstreng, for eksempel et foringsrør, ført inn i brønnen. Borevæsken blir normalt sirkulert ned gjennom det indre av røret og opp gjennom ringrommet som er begrenset av rørets ytre flate og veggene av brønnen. Primær sementering blir deretter utført hvorved en sementopplemming blir pumpet ned gjennom rørstrengen og inn i ringrommet mellom rørstrengen og veggene av brønnen for å tillate sementoppslemmingen å stivne til en impermeabel sementkolonne og derved tette ringrommet. Etterfølgende sekundære sementeringsoperasjoner, det vil si sementeringsoperasjoner som foretas etter den primære sementeringsoperasjon, kan også bli utført.

Organofile leirer blir ofte brukt i oljebaserte borevæsker for å øke viskositeten og tilveiebringe suspensjon av partikler, så som borkaks og vektøkende midler i væskene. Organofile leirer blir generelt tilberedt ved å reagere en hydrofil leire med et organisk kation, vanligvis en kvaternær ammoniumsaltforbindelse produsert fra en fett nit ril. Eksempler på hydrofile leirer inkluderer bentonitt og hektoritt. Naturlige leireoverflater har negativt ladde seter og kationiske mot-ioner så som natrium og kalsium kationer. Således kan leiren bli behandlet med et kationisk overflateaktivt middel for å fortrenge kationer som er naturlig forekommende ved leirens overflate. De kationiske overflateaktive midler blir holdt tett til overflatene gjennom elektrostatiske ladninger. På denne måten blir den hydrofile natur av leiren reversert og gjør den mer løselig i olje. Som et eksempel er bentonitt som hovedsakelig inneholder natrium kationer kjent som natrium bentonitt. Slike monovalente natrium kationer kan enkelt bli fortrengt fra leiren slik at et stort antall anioniske seter blir tilgjengelige.

Som nevnt ovenfor blir kvaternære ammoniumforbindelser ofte brukt som de kationiske overflateaktive midler ved tileberedning av de organofile leirer, kvaternære ammoniumforbindelser inneholder ammoniumforbindelser i hvilke en eller flere av hydrogenatomene som er festet til nitrogen, blir erstattet av organiske radikaler. En av de mest populære kvaternære ammoniumforbindelser i industrien av organofile leirer er dimetyl dihydrogenert talg-ammoniumklorid (M2HT2N Cl"). Oljeløseligheten av denne forbindelse blir øket ved dens nesten komplette hydrokarbonstruktur og dens to langkjedete alkylgrupper. Videre påvirker ikke de to metylgrupper sterisk den tette pakning av ammonium kationet til leirens overflate.

Det dimetyl dihydrogenerte talg- ammoniumklorid overflateaktive middel kan imidlertid ikke bli effektivt aktivert ved relativt lave temperaturer. Forbedrede kationiske overflateaktive midler er blitt utviklet hvor ammoniumforbindelsene har et større antall alkylgrupper. Ett slikt overflateaktivt middel inkluderer en benzylgruppe som vesentlig forbedrer ytelsen av organofile leirer ved kalde temperaturer nær 7 °C.

Uheldigvis undergår de kvaternære ammoniumforbindelser som er beskrevet ovenfor, minimal aerobisk biologisk nedbrytning og er giftige og kan således skade miljøet. Over tid kan disse forbindelser akkumuleres og bli giftige for levende skapninger og derved innebære en langt høyere risiko for miljøet. Som følge av miljømessige bestemmelser er det ofte kostbare prosedyrer forbundet med å kvitte seg med borevæsker som inneholder organofile leirer behandlet med slike forbindelser, for å sikre at de ikke kommer i kontakt med det marine miljø eller grunnvannet. Således er det ønskelig å utvikle en biologisk nedbrytbart kationisk overflateaktivt middel for bruk til dannelse av en organofil leire som tilsetningsmiddel til en borevæske.

EP 1 138 740 beskriver organofile leiretilsetninger og borevæsker for oljebrønner med mindre temperaturavhengige reologiske egenskaper som omfatter slike tilsetninger.

Generelt om oppfinnelsen

Deler av kunnskapen om og fordelene ved foreliggende oppfinnelse er oppsummert kort nedenfor. Bemerk imidlertid at foreliggende oppfinnelse kan beskrive flersidige utførelsesformer og ikke alle kommentarer i denne oppsummering gjelder alle slike utførelsesformer. Videre skal ingen av disse kommentarer på noen som helst måte begrense patentkravene.

Foreliggende oppfinnelse består i en fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1.

Ved aktuelle utførelsesformer omfatter fremgangsmåter for å bore en brønn å påføre et moment på en borkrone inne i en brønn og samtidig påføre en kraft for å tvinge borkronen til å bevege seg gjennom brønnen, samt å sirkulere en borevæske forbi borkronen for å fjerne borkaks derfra, idet borevæsken omfatter en organofil leire behandlet med et kvaternært ammonium overflateaktivt middel som haren amid binding.

Kort omtale av tegningene

Figur 1 illustrerer boring av en brønn ved bruk av borevæske som her beskrevet.

Detaljert beskrivelse av utførelsesformer

Borevæsker kan omfatte en organofil leire som omfatter et kvaternært ammonium overflateaktivt middel med en amidbinding. Denne type kationisk overflateaktivt middel er hovedsakelig biologisk nedbrytbart, hvilket betyr at det er i stand til å bli nedbrutt gjennom naturlige biologiske prosesser. Spesielt undergår den aerob biologiske nedbrytning som er nedbrytning av organiske kjemikalier med mikroorganismer når oksygen er til stede. I denne prosessen bruker aerobe bakterier oksygen som en elektronmottaker og bryter ned organiske kjemikalier til mindre organiske forbindelser ofte med dannelse av karbon dioksid og vann som endelige produkter. Derfor kan de organofile leirer som omfatter det biologisk nedbrytbare, kationiske overflateaktive middel bli brukt i borevæsker for å bore en brønn uten bekymring for at det overflateaktive middel blir akkumulert i miljøet. Som sådan når det overflateaktive middel vanligvis ikke nivåer som kan skade det omgiende miljø eller livet som finnes i miljøet. Ikke bare utgjør bruk av et biologisk nedbrytbart overflateaktivt middel e fordel for miljøet, det mildner også behovet for å bruke energi til å rense ikke-biologisk nedbrytbare leirer for derved å hindre dem i å forurense miljøet.

Borevæsker som typisk omfatter oljebasert fluider, så som dieselolje, mineralolje, inverte emulsjoner inneholdende vanndråper dispergert i olje syntetiske olefiner, estere eller kombinasjoner av de nevnte. Vannet inneholdt i slike inverte emulsjoner kan omfatte ferskvann eller saltvann så som lake eller sjøvann. Et eksempel på en egnet lake er kalsiumklorid lake. Det volumetriske forhold mellom olje og vann i en emulsjon kan være i området fra omtrent 95:5 til omtrent 50:50 eller alternativt fra omtrent 9010 til omtrent 70:30. Eksempler på råmaterialer benyttet ved fremstilling av organofil leire (også kjent som organoleire) inkluderer, men er ikke begrenset til, bentonitt så som natriumbentonitt, attapulgitt, hektoritt og kombinasjoner av de nevnte. Mengden av organofil leire i borevæske kan være i området fra omtrent 0,9 kg pr. fat (kg/fat) til omtrent 9 kg/fat.

Mengden av det overflateaktive middel kan avhenge av type av leire som blir brukt og fremgangsmåten for behandling. Ved enkelte utførelsesformer kan et vektforhold mellom kvaternært ammonium overflateaktivt middel og organofil leire (for eksempel natrium bentonitt) være i området fra omtrent 1:1 til omtrent 1:2, alternativt fra omtrent 9:10 til 2:3 eller alternativt fra omtrent 3:4 til omtrent 17:20. Ved enkelte utførelsesformer kan kvaternære ammonium overflateaktive midler for å behandle den organofile leire være representert ved følgende formel:

hvor M" er et anion, Ri er en alkylgruppe, R2, R3og R4er samme eller forskjellige alkylgrupper og x er større enn eller lik 1. I utførelsesformer er M" klorid, metylsulfat, bromid, acetat eller jod ion. Ri er en mettet hydrokarbon med 10 eller flere karbonatomer, R2, R3og R4er metylgrupper etylgrupper, benzylgrupper eller kombinasjoner av disse. Når en av R2, R3og R4er en benzylgruppe, lir den biologiske nedbrytbarheten av det overflateaktive middel noe redusert, men er fortsatt betydelig, mens ytelsen til den organofile leiren øker dramatisk.

Eksempler på slike kvaternære ammonium overflateaktive midler inkluderer forbindelser generelt representert ved følgende formel: hvor R er en alkylgruppe og K er et anion. I en utførelsesform er R en mettet alkylgruppe omfattende minst 10 karbonatomer og X" er et klorid-, jodid-, bromid-, acetat- eller metylsulfation. Som vist inneholder slike forbindelser er stearinalkylgruppe forbundet gjennom amidbindingen og to metylgrupper og en benzylgruppe på ammoniumionet. Et kvaternært ammonium overflateaktivt middel av denne type som har en C18 alkylgruppe substituert for R og et kloridion substituert for X" er kommersielt tilgjengelig fra Stephan Co. Under handelsnavnet AMMONYX SDBC overflateaktivt middel. Eksempler på ytterligere kvaternære ammonium overflateaktive midler kan være generelt representert ved følgende formel:

hvor R er en alkylgruppe og X" er et anion. Ved en utførelsesform er R en mettet

alkylgruppe omfattende minst 10 karbonatomer og X er klorid-, jodid-, bromid-, acetat eller metylsulfation. Et kvaternært ammonium overflateaktivt middel av denne type og med en C18mettet alkylgruppe substituert for R og et klorid-ion substituert for X" er kommersielt tilgjengelig fra Stephan Co. under handelsnavnet AGENT X2 506-13 overflateaktivt middel.

Borevæskene kan videre omfatte ytterligere tilsetningsmidler slik det anses hensiktsmessig av en person med vanlig kunnskap på fagområdet. Eksempler på slike tilsetningsmidler inkluderer, men er ikke begrenset til, et emulgeringsmiddel, et filtreringskontrollerende middel, et vektøkende middel, kalsiumhydroksid (kalk) eller kombinasjoner av de nevnte. Ved en utførelsesform kan alle komponenter av borevæsken være miljømessig sikre for å tillate dem å bli brukt i miljømessig følsomme områder. I dette tilfelle er alle overflateaktive midler inneholdt i borevæsken typisk biologisk nedbrytbare inkludert emulgeringsmidlene.

Borevæskene beskrevet ovenfor kan bli tilberedt ved å kombinere den organofile leire, som omfatter et kvaternært ammonium overflateaktivt middel, med de andre komponenter så som den oljebaserte væske, ved hjelp av teknikker kjent innen faget. Ved en utførelsesform kan borevæsken bli tilberedt et sted i avstand fra brønnen. I dette tilfelle blir de deretter skipet til brannstedet hvor de kan bli benyttet umiddelbart eller lagret inntil behov for bruk oppstår. Ved en annen utførelsesform kan den organofile leire behandlet med det overflateaktive middel, bli lagret separat ved brønnen slik at den kan tilsettes borevæsken når behovet oppstår. Nærvær av organofil leire i en borevæske øker borevæskens viskositet slik at den er pumpbar og mindre tilbøyelig til å bli tapt til den underjordiske formasjon når den sirkulerer gjennom en brønn som penetrerer formasjonen.

Leire forbedrer også borevæskens evne til å suspendere faststoffer så som borkaks og vektøkende midler i væsken. Ytelsen til leiren i borevæsken kan avhenge av systemet som den blir plassert i, typer av andre komponenter i væsken, så som de overflateaktive midler.

Leiren kan bli behandlet med det kvaternære ammonium overflateaktive middel som har en amidbinding ved først å plassere leiren i vann for å hydratisere leiren. Den resulterende oppslemming kan så bli filtrert gjennom en sikt for å fjerne urenheter fulgt av å la den passere gjennom en ionebytterkolonne for å fjerne divalente kationer. Oppslemmingen kan så bli varmet og omrørt mens det kvaternære ammonium overflateaktivt middel blir tilsatt. Den kan bli varmet til en temperatur i området fra omtrent 60 til omtrent 68 °C i et tidsrom tilstrekkelig til å reagere det overflateaktive middel med den organofile leire. Deretter kan leiren behandlet med det overflateaktive middel bli tørket gjennom filtrering og oppvarming av den resulterende filterkake ved en temperatur i området fra omtrent 60 til omtrent 66 °C i et tidsrom tilstrekkelig til å tørke filterkaken. Den tørkede organofile leire kan da bli malt for å sørge for at den enkelt blir dispergert i væsken, fulgt av filtrering gjennom en sikt for å danne en konsistent partikkelstørrelse.

Den organofile leire som omfatter det kvaternære ammonium overflateaktive middel har en amidbinding som typisk er uløselig i vann og ikke er helt løselig i olje. Imidlertid samvirker den mer med olje enn en olje som ikke er blitt behandlet med det overflateaktive middel vil gjøre. Som sådan er den er kompatibel med oljebaserte borevæsker. Den organofile leire kan også ha et tap av organisk masse ved antennelse (LOI - Loss of Organic mass by Ignition) i området fra omtrent 30 til omtrent 50 vekt-% eller alternativt i området fra omtrent 35 til omtrent 45 vekt-%. LOI gir en indikasjon på mengden av organisk materiale, det vil si overflateaktivt middel, som er til stede i de organofile leire. Uten å begrense oppfinnelsen til en teori er det antatt at behandlingen av den organofile leire med et kvaternært ammonium overflateaktivt middel med en amidbinding, i motsetning til en esterbinding (en konvensjonell behandlingsmetode) gjør leiren mer hydrofob. Som et resultat er leiren mindre tilbøyelig til å tiltrekke vann som uønsket kunne begrense dens evne til øke viskositeten i borevæsken og suspendere faststoffer i væsken.

Figur 1 viser en borerigg 40 for å bore en brønn 44 som penetrerer jorden42 ved bruk av en borevæske som inneholder den organofile leire behandlet med det overflateaktive middel. En borkrone 50 kan være montert på enden av borestreng 52 omfattende flere seksjoner av borerør. Brønnen 44 kan bli boret ved bruk av roterende drev ved overflaten for å rotere borestrengen 52 og påføre et moment og en kraft for å trenge frem borkronen 50 gjennom brønnen 44. Borevæsken kan bli fortrengt gjennom borestrengen 52 ved bruk av en eller flere pumper 54. Borevæsken kan bli sirkulert forbi borkronen 50 og tilbake til overflaten som indikert med piler 46, og fjerner derved borkaks fra brønnen (det vil si materiale så som stein dannet ved boringen). Ved en utførelsesform kan borevæsken bli benyttet for generelt å bore hull i underjordiske formasjoner, spesielt gjennom ikke-produserende soner. Ved andre utførelsesform kan borevæsken tjene som såkalt "drill-in" væske egnet for å bore gjennom produserende soner (det vil si soner av en underordisk formasjon som inneholder hydrokarboner).

Eksempler

Oppfinnelsen har generelt blitt beskrevet og det følgende eksempel er gitt som en spesifikk utførelsesform av oppfinnelsen for å demonstrere praksis og fordeler ved oppfinnelsen. Det skal forstås at eksemplet er gitt som en illustrasjon og ikke er beregnet til å begrense spesifikasjonen av kravene som følger på noen måte.

Wyoming natriumbentonitt ble hydratisert i vann og deretter filtrert to ganger gjennom en 400 mesh (37 pm) sikt for å fjerne urenheter. Den resulterende oppslemming ble så sendt gjennom en ionebytterkolonne for å fjerne divalente kationer. En alikvot av oppslemming ble tørket og konsentrasjonen av tørr bentonitt ble funnet å være 2,92 vekt-% av alikvoten. Ett kilogram av oppslemmingen ble også varmet til 60-68 °C under omrøring. Deretter ble 22,6 gram av AMMONYX SDBC overflateaktivt middel tilsatt til den varmede oppslemmingen over en periode på omtrent 5 minutter etterfulgt av omrøring av blandingen i ytterligere 30 minutter ved 66 °C. Så ble oppslemmingen filtrert gjennom Whatman 50 papir plassert i en Buch ner trakt for å fjerne vann. En filterkake ble fjernet fra filterpapiret og tørket i 16 timer ved 60 til 66 °C for derved å danne en biologisk nedbrytbar organofil leire i samsvar med en utførelsesform. Den tørkede organofile leire ble malt i en hammermølle og deretter siktet gjennom en 100 mesh (0,20 mm) sikt. Fuktighetsinnholdet og LOI av den organofile leiren ble bestemt å være 1,5 vekt-% henholdsvis 37 vekt-% av den organofile leire.

Som vist i tabell 1 nedenfor ble den malte organofile leire deretter brukt til å tilebrede en 350,5 ml prøve av borevæske (prøve B). I tillegg til den organofile leire inneholdt prøve B XP-07 hydrokarbon (omtrent en Ci2-Ci6lineær parafin), vann, 1,39 kg/l kalsiumklorid lake, en koemulgator, en BDF-364 emulgator, kalsiumhydroksid (kalk), BAROID vektøkende middel (bariumsulfat) kommersielt tilgjengelig fra Halliburton Energy Services, Inc. Komponentene i prøve B ble først blandet med en MULTIMIXER blander kommersielt tilgjengelig fra Sterling Multi-Products Inc. av Prophetstown, Illinois og deretter med en SILVERSON blander kommersielt tilgjengelig fra Silverson Machines Limited i Storbritannia. Prøve B ble videre varmrullet i 16 timer ved 66 °C. Mengdene av komponentene i prøve B av borevæsken er vist i tabell 1.

En 350 ml kontrollprøve (prøve A) ble også tilberedt som inneholdt alle de samme komponenter bortsett fra at den biologisk nedbrytbare organofile leire var erstattet av GELTONE I organofil leire som er kommersielt tilgjengelig fra Halliburton Energy Services, Inc. GELTONE II leire er ikke tilstrekkelig biologisk nedbrytbar til å kunne brukes i enkelte områder, men oppviser gode egenskaper. Komponentene i kontrollprøve A ble først blandet med MULTIMIXER blanderen og deretter med en SILVERSON blander. Kontrollprøve A ble dessuten varmrullet i 16 timer ved 66 °C. Tabell 1 viser også mengdene av komponentene i kontrollprøve A.

Prøvene A og B av borevæske ble så testet for å bestemme plastisk viskositet i centipoise (cP), flytepunkt, 10 sekunders gelstyrke, 10 minutters gelstyrke og Fann 35 A viskosimeter avlesninger av prøvene. Testene ble utført i samsvar med American Petroleum Institute Recommended Practice 13 B-2, 3. utg. februar 1998. Resultatene av disse tester er vist i tabell 1.

Som illustrert i tabell 1 var egenskapene av borevæsken inneholdende den biologisk nedbrytbare organofile leire beskrevet her, sammenlignbare med de som inneholdt GELTONE II organofil leire. Det er notert at en større mengde av den biologisk nedbrytbare leire enn mengden av kontrolleiren ble benyttet for å oppnå tilsvarende egenskaper. Spesielt flytepunktet, som viser bæreevne, er svært sammenlignbare for begge typer borevæsker og varierer lite over et bredt temperaturområde.

Mens utførelsesformer av oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet, kan modifikasjoner av oppfinnelsen gjøres av personer med vanlig kunnskap på fagområdet uten å fravike oppfinnelsens lære. Utførelsesformene beskrevet her er kun eksemplifiserende og ikke beregnet å være begrensende. Mange variasjoner og modifikasjoner av oppfinnelsen som her er beskrevet, er mulige og innenfor oppfinnelsens ramme.

I henhold til dette er oppfinnelsens ramme ikke begrenset til beskrivelsen ovenfor men bare begrenset av de følgende patentkrav, idet rammen inkluderer alle ekvivalenter av oppfinnesens gjenstand definert av patentkravene. Hvert patentkrav er inkorporert i beskrivelsen som en utførelsesform. Således utgjør patentkravene en ytterligere beskrivelse og kommer i tillegg til andre utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse. Omtalen av en referanse i dette dokument er ikke en innrømmelse av den samme utgjør "prior art", spesielt gjelder dette enhver referanse som har en publiseringsdato senere enn prioritetsdatoen for foreliggende søknad. Omtale av alle patenter, patentsøknader og publikasjoner beskrevet her er herved inkludert gjennom referanse, i den grad de tilveiebringer eksemplifiserende, prosedurale eller andre detaljer i tilegg til de som er gitt ovenfor.

Claims

1. Fremgangsmåte for å behandle en brønn omfattende å fortrenge ned i brønnen en borevæske omfattende en organofil leire, idet den organofile leire omfatter et kvaternært ammonium overflateaktivt middel som har en amid binding,karakterisert vedat det kvaternære ammonium overflateaktive middel omfatter en forbindelse representert ved følgende formel:

hvor M" er et anion, R^er en alkylgruppe, R2, R3og R4er samme eller forskjellige alkylgrupper og x er større enn eller lik 1, eller idet det kvaternære ammonium overflateaktivt middel omfatter en forbindelse generelt representert ved følgende formel:

hvor R er en alkylgruppe og X" er et anion.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, idet det kvaternære ammonium overflateaktivt middel omfatter en forbindelse generelt representert ved følgende formel:

hvor R er en alkylgruppe og X" er et anion.