NO844095L - Stabilisering av vandige leirebaserte borevaesker - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører dispergerende additiver

for boreslam. Mer spesielt angår den en akrylpolymer som er nyttig som et termisk nedbrytningsreduserende additiv for vandige borevæsker som benyttes ved boring av underjordiske brønner.

En viktig komponent i rotasjonsboreoperasjoner ved under-søkelse og produksjon av underjordiske ressurser, er bore-slammet. Noen av de alvorligste, problemene som møtes ved fremstilling og bevaring av effektive leirebaserte, vansige borevæsker forårsakes av et samvirke mellom slammet og den jordformasjon som bores. Disse samvirkninger innbefatter forurensning av slammet med formasjonsvæsker, inkorporering i slammet av viskositetsproduserende og inerte borede,

faste stoffer, kjemisk forurensning av borede faste stoffer, og oppvarming av slammet av høytemperaturformasjoner. Disse samvirkninger forårsaker generelt ekstrem fortykning av slammaterialene og medfølgende kostbare boreproblemer og

-forsinkelser.

Effekten av høy temperatur på slammet er av spesiell betyd-ning. Ikke bare forårsaker varme i seg selv flokkulering av slammet, men denøker også fortykningsvirkningene til kjemiske forurensninger slik som kalsiumklorid og andre stoffer, og den deaktiverer ellerødelegger mange slam-fortynningsmidler som benyttes for å stabilisere slammaterialer overfor disse effekter. Ettersom boredybden øker, så øker også bunnhulltemperaturen. Det er derfor nødvendig med et produkt som kan beskytte flammeegenskapene under de ugunstige betingelser som forekommer i dagens varmere og dypere brønnhull.

Det er kjent å benytte ammonium- og alkalimetallsalter av polymerer av krylsyre, med en gjennomsnittlig molekylvekt over ca. 2000 (vanligvis helst i området 5000-50.000; fortrinnsvis i området 15.000-35.000 - se spalte 5, linje 69 til spalte 6, linje 5 i US patent 2.552.775) som et beskyt- tende additiv for vandige boreslam benyttet i grunne brønner. I løpet av de siste årene har forskjellige materialer vært foreslått som vannbaserte høytemperatur-slamdeflokkulerings-midler. Blant disse er en lavmolekylær poly(akrylsyre) med Mw på ikke mer enn ca- 2.500, og salter derav (se US patent 3.764.530 - spalte 7, linjer 27-28) og en lavmolekylær sulfonert kopolymer av-styren og maleinsyreanhydrid (se US patent 3.730.900). Den sistnevnte har oppnådd betydelig godkjennelse innen boreslamindustrien som et effektivt og verdifullt produkt som er kjent som "Mil-Temp".

I den senere tid har Chesser et al. i J. Pet. Tech. 950-956

(1980) foreslått at poly(akrylsyren) er kvalitetsmessig dårligere enn "Mil-Temp"-produktet som i en reologisk høy-temperatur-stabilisator for vandige slam som er forurenset av kalsiumsalter og/eller inneholder høye nivåer av leire-faststoffer.

Det er oppdaget at pol(akrylsyre) og dens salter med en vektmidlere molekylvekt (Mw) på ca. 3.500 er et overlegent additiv for stabilisering og deflokkulering av vandige leirebaserte boreslam som eksponeres for temperaturer så høye som 260°C og over dette. Disse materialene beskytter de reologiske egenskapene til leirebaserte slammaterialer i overraskende grad sammenlignet med andre høytemperatur-deflokkuleringsmidler når de benyttes enten som eneste dispergeringsmiddel i slammet eller i kombinasjon med andre vanlige fortynningsmidler slik som'lignosulfonat. De er mer effektive i nærvær av kalsiumsalter og i slammaterialer med høyt innhold av leire-faststoffer som er vanskelige å regulere.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilv-iebragt en vandig borevæske bestående vesentlig av en vannbasis, et leireaktig materiale suspendert i nevnte vannbasis, og fra ca. 0,25

til ca. 12, fortrinnsvis 0,5 til 8, gram pr. 305 ml, i det følgende betegnet (ppb), av en akrylsyre-homopolymer eller

et salt derav, hvor homopolymeren har en vektmidlere molekylvekt (Mw) fra ca. 2.500 til 5.000 hvorved de reologiske egenskapene til nevnte væske har redusert termisk flokkulering ved eksponering for en temperatur på 205°C i 16 timer.

Verdien av oppdagelsen ifølge oppfinnelsen er tydelig ved boring av en underjordisk brønn hvor det i brønnhullet sirkuleres en vandig borevæske inneholdende suspendert leireaktig materiale som eksponeres for en operasjonstemperatur på minst 175°C ved reduksjon av væskens termiske flokkulering, innbefattende blanding med nevnte væske av fra ca. 0,25 ppb til ca. 12 ppb av en akrylsyre-homopolymer eller et salt derav hvor homopolymeren har en vektmidlere molekylvekt fra ca. 2.500 .til 5.000 og sirkulering av væsken gjennom brønnen.

En hvilken som helst akrylsyrepolymer eller alkalimetall-eller ammoniumsalt derav med en vektmidlere molekylvekt Mw fra 2.500 til 5.000 kan benyttes. Konvensjonelle polymerisasjons teknikker som vil gi lavmolekylære akrylsyrepolymerer eller alkalimetall- eller ammoniumsalter derav kan benyttes for fremstilling av akrylsyrepolymeren. Disse teknikker inne-bærer generelt bruk av oppløsningsmidler, katalysatorer og kjedeoverføringsmidler eller "stoppere" og utføres ved temperaturer fra ca. 20 til 100°C. En slik poly(akrylsyre)

med lav molekylvekt og dens salter er vanligvis kommersielt tilgjengelig.

Polymeren kan benyttes i sin sure form eller et alkalimetall-eller ammoniumsalt kan anvendes. Polyakrylatsalter av natrium, kalium, litium og ammoniakk kan benyttes.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for redusering

av flokkulering av vandige borevæsker indusert eller forverret ved høytemperaturbetingelser. På området underjordisk brønn-boring anses temperaturer over 175°C for å representere høytemperaturbetingelser. Foreliggende fremgangsmåte synes således å være meget nyttig når den vandige borevæsken ifølge

oppfinnelsen utsettes for høytemperatur-operasjons-betingelser, f.eks. fra 175 til 260°C og høyere.

Mengden av akrylpolymer eller alkalimetall- eller ammoniumsalt derav som benyttes, vil variere med det spesielle bore-miljø som råder. Formasjonsegenskaper, borehullegenskaper, boredybde, forurensninger, rådende temperaturer og trykk,

og borevæskevekt vil influere på bestemmelsen av mengdene av akrylmateriale som skal benyttes for å oppnå den ønskede effekt. I tillegg vil de spesielle egenskapene til den valgte akrylpolymeren også innvirke på bestemmelsen av mengdene som skal til i prosessen. P.g.a. dette er det umulig spesielt å angi nominelle anvendelsesnivåer under alle omgivelser. Fagfolk innen området boreteknikk vil lett kunne bestemme de nødvendige forhold ved å teste prøver oppnådd fra borehullet; kontrollere formasjonsegenskaper, temperaturer og trykk; og på annen måte bestemme de reologiske egenskapene som vil være nødvendig. Ikke desto mindre kan det angis at, under de fleste høytemperatur-borebetingelser, skulle ca. 2 ppb (gram pr. 350 ml)-behandling være til-strekkelig. Det er under visse forhold mulig å benytte konsentrasjoner så lave som ca. 0,25 ppb eller så høyt som ca. 12 ppb. Polymeren kan tilsettes til borevæsken som en forbehandling eller kan tilsettes i forutbestemte mengder til borevæsken og deretter sirkuleres med væsken i borehullet. Polymeren tilpasser seg lett til allebore-omgivelser, idet den er effektiv i ferskvann og saltoppløs-ninger. En rekke forskjellige borevæskeadditiver kan benyttes i borevæsken som benyttes for reduksjon av termisk flokkulering med akrylpolymeren. F.eks. kan lignosulfonater, stivelse, bentonitt, baritt, lignitt- kvebracho, karboksy-metylcellulose og andre vanlige benyttede additiver, danne borevæsken hvortil det foretas ytterligere tilsetning for å hindre termisk nedbrytning av foreliggende polymer. Gene-relt vil foreliggende borevæske ha en vandig basis, og vil ha leireaktig materiale suspendert deri.

Følgende eksempler illustrerer oppfinnelsen ytterligere.

Eksempel 1

I dette eksempelet demonstreres de overlegne reologiske egenskapene til en enkel leire og vannborevæske behandlet med en representativ polymer ifølge oppfinnelsen sammenlignet med en borevæske som ikke har fått noen deflokkulerings-middelbehandling.

En rekke aliquoter av enkel borevæske ble blandet ved

et tidspunkt ved tilsetning av 22,5 g bentonitt til 350 g vann for hver aliquot av nødvendig borevæske. Leiren ble tilsatt langsomt til den omrørte væsken og omrøring ble fort-satt i minst 16 timer for oppnåelse av maksimum viskositets-utbytte fra leiren.

Tre 350 ml aliquoter av denne oppslemming ble kjemisk behandlet som vist i tabell 1. Det kjemiske behandlingsmateriale ble blandet med hver væske, og pH-verdien ble justert til 8,5-9,0 med 20% kaustisk sodaoppløsning. Væskene ble aldret ved rulling ved 66°C i. 16 timer (Baroid Model 704 Roller Oven), pH-verdien for hver væske ble rejustert til 8,5-9,0,

og de reologiske egenskaper for hver væske ble målt (Fann Model 35A Viskometer) ved 25°C. Den resterende mengde av

hver prøve ble deretter forseglet i Baroid-høytemperatur-aldringsceller (Model 760) under 35,2 kp/cm 2manometertrykk nitrogengass og rullet i 16 timer Ved 205°C. Etter rejustering ' av pH-verdien for hver prøve til 8,5-9,0, ble reologiske målinger igjen foretatt ved 25°C.

Dataene som er samlet i tabell 1 fra denne testen viser klart den evne som en poly(akrylsyre) som beskrevet i foreliggende oppfinnelse, har til å deflokkulere enkle borevæsker behandlet ved temperaturer opp til 20 5°C.

Eksempel 2

I dette eksempelet vises den overlegne motstandsevne til vandige boreslam med hensyn til å forstyrre reologiske egenskaper forårsaket ved forurensning med kalsiumsulfat og høytemperaturaldring, ved behandling med en akrylsyrepolymer ifølge oppfinnelsen sammenlignet med lignende borevæsker som enten ikke har blitt utsatt for noen spesiell behandling med deflokkuleringsmiddel eller behandling med "Mil-Temp" som er et velkjent kommersielt tilgjengelig deflokkuleringsmiddel for høytemperaturbruk. Nivået av kalsiumionforurensning tilsatt til hver prøve i denne testen var 10.000 mg/l.

En rekke aliquoter av en kromlignosulfonat-dispergert borevæske ble fremstilt ved tilsetning av 4,0 g kromlignosulfonat pr. hver 350 ml enkel leireoppslemming (fremstilt som i eksempel 1) som skal til for testen. pH-verdien til det lignosulfonatbehandlede slam ble justert til 10,5 med kaustisk sodaoppløsning, og deretter ble oppslemmingen omrørt i minst 16 timer til.

Tre 350 ml aliquoter av dette slam ble behandlet kjemisk

som vist i tabell 2. Først ble 15,5 g gips blandet med væsken og deretter ble deflokkuleringsmiddelet tilsatt. pH-verdien ble rejustert til 10,5. Hver prøve ble deretter forseglet i en Baroid-høytemperaturaldringscelle under 3.448 kPa nitrogengass og aldret ved 205°C i 16 timer ved rulling som i eksempel 1. Etter rejustering av pH-verdien for hver prøve til 10,5 ble reologiske målinger foretatt ved 25°C som i foregående eksempel. Denne metode ble utført for tre behandlingsnivåer med dispergeringsmiddel, nemlig 2, 4 og 8 g pr. 350 ml prøve.

E ksempel 3

Dette eksempel viser den overlegne effektiviteten til polymerer ifølge oppfinnelsen som deflokkuleringsmidler for vandig borevæske for bruk ved høye temperaturer i kalsium-saltforurensede slammaterialer med høyt faststoffinnhold sammenlignet med "Mil-Temp", som er sulfonert styren-maleinsyreanhydrid-kopolymer, og med en akrylsyrepolymer med lavere molekylvekt.

Borevæsken benyttet i dette eksempelet var en komplekst laboratoriefremstilt slam blandet ifølge prinsippene angitt i eksemplene 1 og 2, inneholdende:

Oppslemmingens pH-verdi ble justert til 10,0-10,5. Densiteten var 0,37 ppb.

Ti aliquoter (350 ml) av dette slam ble behandlet med dis-pergeringsmidler som vist i tabell 3. Hver dispergeringsmiddel-porsjon ble blandet med en aliquot slam, prøven ble aldret ved 66°C og deretter 205°C som beskrevet i eksempel 1 med rejustering til pH 10,0-10,5 etter hvert trinn. Reologi-målinger ble deretter foretatt ved 25°C.

Eksempel 4

Tester ble utført for å sammenligne effektene av poly(akryl-syren) ifølge oppfinnelsen og "Mil-Temp" på et slam inneholdende store mengder faststoffer av lav densitet. Slammet valgt som substrat for denne test var et aktuelt feltslam fra en boreoperasjon i Mobile Bay, Alabama. Slammet var et ferskvannssystem inneholdende mindre enn 20 ppm kalaium og mindre enn 50 ppm klorid. Totale faststoffer var høyt ved 12 volum-% eller 28 vekt-%, hvilket tilsvarer 120 g fast-stoff pr. 350 ml slam. Kationutvekslingskapasitet ved metylenblått-titrering indikerte 43,8 g bentonitt-ekvivalent-leirer pr. 350 ml slam. Blant komponentene i dette slammet ble store mengder kromlignosulfonat, lignitt og "Resinex" tilsatt for reologi- og filtreringsregulering.

Tre aliquoter av dette slammet ble behandlet med henholdsvis intet tillegg av høytemperatur-deflokkuleringsmiddel, 4 ppb av PAA, og 4 ppb av "Mil-Temp", to produkter som tidligere er beskrevet. Prøvene ble aldret ved 65,6°C i 16 timer med rulling som i eksempel 1, og deretter ble hver utsatt for en 16 timers viskositetsprofilanalyse i et Fann 5STDL kon-sistometer.

Ved bruk av dette instrumentet kan viskositeten til en borevæske konstant overvåkes under de valgte betingelsene for temperatur og trykk. For disse testene ble det benyttet betingelser som simulerte boringen av en dyp, varm brønn, nemlig 260°C og 103,4 MPa. Trykket' ble påført fra begynnelsen'av hver test; oppvarming av systemet fra omgivelsestemperatur til 260°C krevde omkring den første 3/4 time av hvert forsøk; temperaturen ble holdt ved 260°C for de resterende 15 1/4

time i hvert tilfelle. Resultatene ble målt som "konsistens" fra 0-500 eps, en måling korrelert til Brookfield-viskositet ved kalibrering av instrumentet med standard olje.

Resultatene viste de overlegne egenskaper til PAA poly(akryl-syren) ifølge oppfinnelsen i forhold til "Mil-Temp" som et

Resultatene som er angitt i tabell 3 bekrefter at foreliggende PAA er en virkningsfull stabilisator av de reologiske egenskapene til komplekse forurensede boreslam-materialer med høy densitet, spesielt sammenlignet med "Dispex N40" og "Mil-Temp".

deflokkuleringsmiddel for vandige borevæsker med høyt faststoffinnhold ved ekstreme temperaturer på i det minste så høye som 260°C.

Testbetingelsene på 260°C i 16 timer viser seg med en gang å flokkulere de tidligere kjente vandige borevæskene og er derfor hensiktsmessige når det gjelder å illustrere den motstandsevne overfor termisk indusert flokkulering som utvises av foreliggende borevæsker.

Claims (5)

1. Vandig borevæske, karakterisert ved at den består i det vesentlige av en vannbasis/ et leireaktig materiale suspendert i nevnte vannbasis, og fra ca. 0,25 g pr. 350 ml (ppb) til ca. 12 ppb av en akrylsyre-homopolymer eller et salt derav, hvor homopolymeren har en vektmidlere molekylvekt fra ca. 2.500 til 5.000, hvorved væskens reologiske egenskaper har redusert termisk flokkulering ved eksponering for en temperatur på 205°C i 16 timer.

2. Vandig borevæske ifølge krav 1, karakterisert ved at saltet av homopolymeren er natrium-polyakrylat.

3. Vandig borevæske ifølge krav 1, karakterisert ved at det leireaktige materiale er bentonitt.

4. Fremgangsmåte for boring av en underjordisk brønn hvor det i brønnhullet sirkuleres en vandig borevæske inneholdende suspendert leireaktig materiale som eksponeres for en driftstemperatur på minst 175°C, karakterisert ved at man reduserer væskens termiske nedbrytning ved blanding av væsken med fra ca. 0,25 g pr. 350 ml (ppb) til ca. 12 ppb av en akrylsyre-homopolymer eller et salt derav, hvor homopolymeren har en vektmidlere molekylvekt fra ca. 2.500 til 5.000, og sirkulerer væsken i brønnen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at saltet av homopolymeren er natrium-polyakrylat.