Fagstoff

Sentrale tester som gjøres på vannbaserte borevæsker

Publisert: 16.12.2015, Oppdatert: 25.07.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Sentralt i emnet:

  • Lab-test
  • Justering av slam underveis
  • Korrigering for ytre påvirkning
  • Optimale egenskaper for sikker og effektiv boring

Laboratorietest. Foto.  

Vanlige tester som tas på vannbaserte borevæsker er mudvekt (densitet), viskositet, gelestyrke, filtertap, retorte og sandinnhold. I tillegg tas pH-måling og andre kjemiske tester. 

Densitet

Densiteten sikrer at det hydrostatiske trykket i brønnen er høyere enn trykket i formasjonen. Under boring testes densiteten med faste, hyppige mellomrom. Mudvekt sjekkes med en enkel stangvekt, som er utviklet av serviceselskapet Halliburton. Denne gir nøyaktige resultater dersom den er kalibrert og brukes riktig.

  

Resultatet leses på vektarmen, enten i lb/gal eller specific gravity (sg).

 

1 P = 100 cP = 0,1 Pa·s

 

Vann ved 20 °C har en viskositet på 1,0020 cP

Viskositet

ReologiReologi, læren om flyte- og deformasjonsegenskapene, spesielt i seige væsker. Reologi omhandler hvordan viskositeten endrer seg med endringer i ytre påkjenninger som skjærspenning, trykk m.m. (Kilde: SNL) sier noe om flyteegenskapene til borevæsken. Reologien påvirkes av endringer i brønnen, som trykk, temperatur og vektendringer, eller dersom borevæsken har blitt forurenset. Det er derfor viktig å teste viskositeten og justere for å oppfylle de planlagte spesifikasjonene under ulike vilkår i brønnen.

Viskositet er fluidets motstand mot å flyte eller endre form. En lav viskositet gir tyntflytende væske, høy viskositet gir en tyktflytende væske.
SI-enheten for viskositet er pascalsekund (Pa·s), men centipoise (cP) er også mye brukt.

Marsh Funnel

For å få en indikasjon på om viskositeten på spud mud i de øverste seksjonene er innenfor riktige spesifikasjoner, brukes gjerne en Marsh Funnel, som er en enkel, manuell gjennomstrømningsmåling.

Man fyller en standardisert trakt med borevæske og måler tiden det tar å fylle et gitt volum i et beger når væsken strømmer ut av trakten. Begeret skal fylles opp til en markert strek (946 ml = 1 quart) og tiden måles med stoppeklokke. Benevnelsen på Marsh Funnel-viskositet er s/qt (sekunder per quart).

 

PV = ϴ600 - ϴ300

FG = ϴ300 - PV

Fann viskosimeter

Fann 35-viskosimeter brukes for å finne viskositeten til borevæsken i de resterende seksjonene. Ved å ta viskositetsmålinger ved seks ulike skjærrater; 600 rpm, 300 rpm, 200 rpm, 100 rpm, 6 rpm og 3 rpm, får man et godt bilde av borevæskens reologi. Resultatet av de to første hastighetene kan også brukes til å finne plastisk viskositet (PV) og flytegrensen (FG) til borevæsken.

Målingene starter ved den høyeste hastigheten (eller skjærraten), da borevæskene vanligvis er mest lettflytende ved høy skjærhastighet. Den videre avlesningen skjer trinnvis ned til laveste hastighet.

PV er flytemotstanden som oppstår på grunn av mekanisk friksjon. Dersom denne øker har mest sannsynlig faststoffinnholdet i borevæsken økt. En finner PV ved å finne forskjellen mellom avlesningen på 600 rpm og 300 rpm, og benevnelsen er cP.

FG, også kalt yield point (YP), er flytemotstanden som oppstår på grunn av tiltrekningskrefter mellom partikler i borevæsken, som følge av elektriske ladninger. Dersom FG øker, har borevæsken blitt forurenset av enten leire, salt eller sement, som har elektriske ladninger.

FG beregnes ved forskjellen mellom avlesningen på 300 rpm og PV, og benevnelsen er lb/100 ft2.

Avlesningene på 6 og 3 rpm er viktige å registrere, da disse sier mye om løfteevne ved lave skjærrater. En kan ut ifra 3 rpm-avlesningen finne ut om det vil være fare for utfelling av vektmateriale og om vi kan få god hullrensing i brønner med høy vinkeloppbygging. Dersom den er for lav, kan det tilsettes polymerer til de vannbaserte systemene. Verdien bør ligge mellom 2 og 12.

    

Virkemåte Fann viskosimeter

Et Fann viskosimeter består av en motor, gir, sylinder, hylse, torsjonsfjær og en kopp som plasseres på en plate som kan heves.
Hylsen settes utenpå sylinderen, det vil da være et veldig lite mellomrom mellom disse. Koppen fylles med borevæske opp til et merke på innsiden, plasseres på platen og heves til merket på utsiden av hylsen. Borevæsken fyller mellomrommet mellom hylsen og sylinderen, og når motoren settes i gang, vil hylsen begynne å rotere med den valgte hastigheten og rive med seg væskelaget nærmest sylinderveggen med nesten samme hastighet. Det vil resultere i økt dreiemoment på grunn av friksjonen mellom væskelagene, og denne kraften overføres til sylinderen. Torsjonsfjæren som er festet øverst i sylinderen vil motsette seg kreftene, men når den overvinnes, dreies sylinderen. Størrelsen på denne dreiningen leses av på skalaen som kan ses i et lite vindu på toppen av instrumentet, og avlesningen gir et mål for skjærspenningen.

Giret på toppen av instrumentet kan stå i tre posisjoner, øvre (600 og 300 rpm), midtre (6 og 3 rpm) og nedre posisjon (200 og 100 rpm), og må ikke skiftes uten at motoren er i gang.
Avlesningen gjennomføres når systemet har stabilisert seg. Det er viktig å registrere temperaturen i borevæsken når målingene tas, for å kunne relatere resultatene til temperaturgradienten som er i brønnen. Normalt bør en foreta avlesningene ved en bestemt temperatur.

Gelestyrke

Fann viskosimeter kan også brukes til å måle borevæskens gelestyrke. Gelestyrke er et mål på borevæskens evne til å stivne dersom den står i ro. Borevæsken skal kunne holde på kaks og vektmateriale på vei opp selv om pumpene stopper, slik at det ikke synker ned og legger seg rundt borekronen.

En væske som får en fast eller geleaktig konsistens når den står i ro kalles en tiksotropisk væske. Den vil ikke kunne strømme før kraften den utsettes for er større enn styrken av gelestrukturen som har dannet seg. Denne strukturen vil øke etter hvor lenge væsken står i ro. Gelestyrken må derfor måles som en funksjon av tiden.

Det er en fast prosedyre på hvordan gelestyrken måles. Vanligvis tas det målinger etter 10 sekunder og etter 10 minutter, noen ganger også etter 30 minutter.

Prosedyren er som følger:

  1. La viskosimeteret gå med 600 rpm i 10 sekunder.
  2. Slå av motoren og vent i 10 sekunder (rett før en stopper, sett giret i den midtre posisjonen, slik at det er klart for 3 rpm-avlesning).
  3. Les av maksimalt utslag ved 3 rpm.
  4. Gjenta punkt 1 til 3, men vent i 10 minutter under punkt 2.

Gelestyrken henger sammen med tiltrekningskrefter mellom partikler i borevæsken når væsken står i ro og måles i lb/100ft2.

Gelestyrken bør være høy, men dersom den er for høy kan det oppstå komplikasjoner, som vanskeligheter med å skille ut gass og kaks fra borevæsken på overflaten, trykkoppbygging idet en bryter sirkulasjonen etter en trip samt problemer med å få utstyr ned i hullet.

Filtertap

Under boring vil det alltid bli et filtertap fra borevæsken til formasjonen i permeable soner før filterkaken dannes, siden trykket er høyere i brønnen enn i porene. Trykket vil presse væske ut av borevæsken og inn i formasjonen, før de faste partiklene danner en tett filterkake langs brønnveggen.

For vannbaserte borevæsker er måling av filtertap en av de beste parameterne en har for å avgjøre om borevæskens konsentrasjon av filtertapsreduserende polymerer er tilfredsstillende. Dette er tilsetninger som polyanionisk cellulose (PAC) og til en viss grad stivelse. Filtratet inn i formasjonen kan forårsake negative effekter på senere produksjon av hydrokarboner og gjøre logge- og formasjonsevalueringsdataene ukorrekte.

Det brukes en API filterpresse for å måle filtertap på vannbaserte borevæsker. API-filtertap måles ved 100 psi og romtemperatur. Koppen settes fast til bunnlokket, hvor det er lagt en sikt, et filterpapir og en o-ring oppi, før den fylles ca. ¾ med borevæske. Et lokk skrus fast med en T-skrue og dette settes inn i et stativ. En målesylinder settes under en åpning i bunnlokket. Trykket inni koppen økes til 100 psi. På laboratoriet på land kan man koble til kompressor for å øke trykket inni koppen. Ellers er det vanlig å bruke gasspatron for å få trykk. Når trykket er 100 psi, starter en stoppeklokken.

Vi måler hvor mye filtrat (vann) som har dryppet ned i målesylinderen i løpet av 7,5 minutter. Resultatet multipliseres med 2, og vi har det samme som om målingen ble tatt etter 30 minutter.

For vannbaserte borevæsker begynner en å teste filtertapet fra bunnen av 17 1/2”-seksjonen. Filtertapet anbefales å være mindre enn 15 ml, og mindre enn 10 ml dersom der er fare for differensial fastkjøring av borestrengen.

Etter at trykket er avlastet, demonteres delene og en kan studere filterkaken som er dannet på filterpapiret i bunnlokket. Tykkelsen er av interesse, som for API-testen er ca. 2 mm. Dersom filterkaken er for tykk kan det oppstå komplikasjoner, som differensial fastkjøring av borestrengen, høyt dreiemoment, tapt sirkulasjon og dårlig sementjobb.

API filterpresse. Foto.API filterpresse 

Måling av faststoff

Måling av mengde faststoff og væske utføres på alle borevæsker. Ut fra resultatene beregnes en gjennomsnittlig spesifikk egenvekt på det faste materialet. Ut fra disse verdiene kan en beregne mengde av lavvektsmaterialer, som er formasjonsmateriale og tilsetningsstoffer i borevæsken. I tillegg får en beregnet mengden materiale med høy spesifikk egenvekt som finnes i borevæsken. Det siste er vanligvis vektmaterialet (barytt).

Innholdet av materialer med lav vekt skal holdes på et så lavt nivå som praktisk mulig ved bruk av tilgjengelig separasjonsutstyr. Dette er spesielt viktig når en borer gjennom seksjoner med permeable sandsoner. I vannbaserte borevæsker anbefales det at innholdet av partikler med lav vekt holdes på et nivå mindre enn 150 kg/m3.

Retorte

Retorte er et apparat som bygger på prinsippet for destillasjon av fraksjoner med ulikt kokepunkt. Det utstyret som benyttes offshore, består av en enkel stålbeholder med innebygd varmeelement.

En liten kopp fylles med borevæske og plasseres i beholderen. Væsken fordamper, går gjennom en enkel kondensator og fanges opp i en målesylinder der væskevolumet avleses. På en vannbasert borevæske leses vannvolumet av direkte på målesylinderen.

Faststoffet som ligger igjen i koppen veies for å få informasjon om faststoffinnholdet.

Sandkit

Sandinnholdet i en borevæske kan vi finne ved å bruke et sandtestsett (sandkit) som består av en 200 mesh sikt, en trakt og et målerør i glass. En fyller borevæske i målerøret i glass til merket «mud to here». Deretter fyller en opp med vann til neste strek. Dette ristes og helles over sikten, slik at væsken renner igjennom. En fyller mer vann i målerøret og heller dette over sikten. Dette gjentas helt til vannet som renner gjennom sikten er rent. Deretter vaskes sanden som ligger igjen. Trakten settes på målerøret og sanden vaskes ned i målerøret, hvor den faller ned til bunnen slik at en kan lese av volum % direkte på oppmerkede streker på målerøret.

Sandinnholdet i en borevæske kontrolleres for å overvåke mulig slitasje på boreutstyret. I tillegg gir testen et svar på om renseutstyret for borevæsken fungerer.

pH-justerende kjemikalier:

  • Natriumhydroksid (NaOH): kaustisk soda
  • Kaliumhydroksid (KOH)
  • Kalsiumhydroksid (Ca(OH)2): lime, lesket kalk
  • Natriumbikarbonat (NaHCO3): natron

pH

For å måle pH, kan en benytte pH-meter eller pH-papir. pH-verdien for en løsning gir et kvantitativt mål på i hvor sterk grad løsningen er sur eller alkalisk. Dette avhenger av konsentrasjonen av hydrogenioner i løsningen. Ved å måle H+-konsentrasjonen måler en også OH--konsentrasjonen.

Rent vann har like mange H+-ioner som OH--ioner, dette betyr at væsken er nøytral og pH = 7.
Sure løsninger har pH < 7 med høyere konsentrasjon av H+-ioner, mens basiske løsninger har høyere konsentrasjon av OH--ioner og har pH > 7.

pH har stor betydning for effekten av kjemikaliene i borevæsken. Bentonitt sveller i ferskvann dersom pH er over 8,3. Lignosulfonat vil ikke fungere optimalt dersom pH er under 9,0.

H2S kan holdes under kontroll i borevæsken dersom pH holdes over 11,0 og korrosjonskader på stål og utvikling av bakterier avtar ved pH større enn 10.

pH måles kun i vannbaserte løsninger, og det anbefales at den er lik den som finnes i formasjonene, oftest mellom 7,5 og 8,5. Uheldige pH-verdier kan føre til reduksjon av reologiskeReologi, læren om flyte- og deformasjonsegenskapene, spesielt i seige væsker. Reologi omhandler hvordan viskositeten endrer seg med endringer i ytre påkjenninger som skjærspenning, trykk m.m. (Kilde: SNL) egenskaper, dårlig filtertapskontroll, svelling av leireformasjoner, korrosjonsproblemer og redusert virkning på additiver i borevæsken.