I laboratoriet skal vi bygge opp et enkelt vannbasert bentonittslam, studere reologi og se hvilken effekt salt (NaCl), vektmateriale og polymerer har på slammets viskositet og filtertap.
Vektmateriale
Borevæskens egenvekt er avgjørende for å ha kontroll på trykket i brønnen. Egenvekten kan økes ved å tilsette vektmaterialer eller reduseres ved å tilsette vann eller olje, alt etter om det brukes en vann- eller oljebasert borevæske. Borevæsken varmes opp av formasjonstemperaturen og friksjonen gjennom utstyret. Det fører til at volumet øker, og dermed går densiteten ned, noe vi må ta hensyn til på overflaten ved å sjekke slammet og justere tilsetningsstoffene.
De vanligste vektmaterialene er barytt og kalsiumkarbonat. Dersom det er behov for høyere vekt enn det disse kan gi, kan det benyttes ilmenitt eller hematitt, men disse sliter på utstyr og gir ofte utfordringer både i brønn og på boredekk.
Brine (saltlake) kan også brukes til å justere egenvekten i en væske, resultatet kommer an på hvilket salt som blandes i vann.
Type brine | Navn | Max SG utblandet | Tilsvarende vekt-% |
|---|---|---|---|
KCl | kaliumklorid | 1,16 kg/l | 24 |
NaCl | natriumklorid | 1,20 kg/l | 26 |
NaBr | natriumbromid | 1,52 kg/l | 46 |
CaCl2 | kalsiumklorid | 1,39 kg/l | 40 |
CaBr2 | kalsiumbromid | 1,80 kg/l | 58 |
NaCOOH | natriumformat | 1,33 kg/l | 47 |
KCOOH | kaliumformat | 1,57 kg/l | 77 |
CsCOOH | cesiumformat | 2,30 kg/l | 83 |
Brine kan være gunstig å bruke ved boring gjennom reservoarsonen da den ikke inneholder faststoff som kan nedsette permeabiliteten i reservoaret. Brine har en del negative helseaspekter for arbeidere som er i kontakt med væsken. Det kan være skadelig å få på hud eller i øyne, og brine eller damp fra brine kan være helseskadelig å svelge eller å puste inn.
Endring av vekten i slammet
Dersom borevæskens vekt må endres, enten økes eller reduseres, finnes det formler for å regne ut hvor mye vektmateriale eller fortynningsvæske som må tilsettes.
Drilling Data Handbook kan også benyttes til utregningen. Kapittel H heter "Drilling mud", og på de første sidene kan man lese hvor mye barytt eller kalsiumkarbonat som må tilsettes for å øke slamvekten fra eksisterende densitet til en ønsket densitet. Man kan også lese hvor mye vann eller olje som må tilsettes for å redusere slamvekten.
Formelen som brukes for økning eller reduksjon av mudvekten, er
m(a) = V1∙(d2-d1) / (da-d2) ∙da
ma: massen additiv (tilsetningsstoffets masse) (g, kg eller tonn)
V1: opprinnelig volum (cm3, dm3 eller m3)
da: densitet additiv (egenvekten på tilsetningsstoffet) (g ⁄cm3, kg⁄dm3 eller t⁄m3)
d2: ønsket densitet (g⁄cm3, kg⁄dm3 eller t⁄m3)
d1: opprinnelig densitet (g⁄cm3, kg⁄dm3 eller t⁄m3)
kg⁄dm3 =kg⁄l=sg (specific gravity)
Reologi
Borevæskens reologiske egenskaper er veldig viktige. Reologi er læren om flyte- og deformasjonsegenskapene for væsker og materialer. Den omhandler spesielt hvordan viskositeten endres av påkjenninger som skjærspenning, og dermed flytehastighet, og trykk.
Viskositet
Med rett viskositet vil borevæsken sveipe med seg alle faste partikler og løfte dem til overflaten der de skilles ut i flere faser med renseutstyr. Økende temperatur reduserer viskositeten i olje mer enn for vann. Økende trykk gir betraktelig mer viskositet i olje, mens trykk har liten effekt på viskositeten for vann. I dype hull er imidlertid temperatureffekten større enn trykkeffekten slik at oljebaserte borevæskesystemer vil få mindre løfteevne på bunnen av hullet. Det betyr at det stilles høye viskositetskrav til oljebaserte borevæsker.
Viskositeten er også viktig med tanke på å drive nedihullsutstyr som mudmotor. De viskositetsfremmende kjemikaliene inndeles i høy- og lavviskøse produkter. Disse har også i mange tilfeller den egenskapen at de reduserer filtertap til formasjonene. Noen typiske eksempler er bentonitt (leire), xanthan gum og hydroxyethyl cellulose (HEC). Samtlige bortsett fra bentonitt er syntetisk fremstilte polymerer.
Gelstyrke
Borevæskens gelstyrke er en viktig egenskap som gjør at borekaks kan holdes "svevende" når det ikke sirkuleres. Sirkulasjonsstopp er vanlig i boreoperasjonen, for eksempel i forbindelse med innsetting av nytt stand i toppen av borestrengen.
Gelstyrken er forårsaket av tiltrekkende krefter som utvikler seg i væsken. Desto lenger væsken er statisk, desto sterkere vil disse kreftene normalt bli. Gelstyrken må være lett å bryte ved oppstart av sirkulasjon. En for høy gelstyrke kan gi et uønsket høyt trykk i brønnen når sirkulasjonen skal starte opp igjen.
Gelegenskapene til borevæsken er spesielt viktige i avviksbrønner og horisontale brønner fordi det er kort avstand før borekakset har falt til bunnen.
Filterkakemateriale
Borevæsken skal kunne danne en tynn og relativt impermeabel filterkake. Det finnes mange ulike additiver på markedet for å forbedre filterkakens kvalitet, alt etter hvilken borevæske som brukes, og hvilke formasjoner det bores gjennom.
Mest brukt er brobyggende materiale (bridging agent), de fleste polymerbaserte. Eksempler på polymerer er polyanionisk cellulose med lav viskositet (PAC LV), stivelse og karboksylmetylcellulose med lav viskositet (CMC LV).
Polymer er betegnelsen på et stoff eller en væske der korte molekyler er hektet sammen i en lang kjede. Kjedene kan ligge parallelt eller ustrukturert i stoffet. Dette gjør stoffet/væsken fleksibel(t) og tøyelig slik at det/den holder sammen til tross for ytre belastning.
Les mer på sida Polymerer (naturfag.no).
Dersom filterkaken ikke klarer å tette permeable områder, og dersom trykket i brønnen er større enn fraktureringstrykket, kan formasjonen sprekke opp og borevæske strømme ut i formasjonen. Da tilsettes Loss Circulation Material (LCM) til borevæsken slik at den skal få tettende egenskaper. LCM er gjerne sammensatt av finmalt nøtteskall (som regel valnøttskall), mica (glimmer), fiber (tre, papir, plast og så videre) og andre tettende materialer.
Smøring og kjøling
Borevæsken skal ha smørende og kjølende virkning på utstyret, og den skal ha evne til å ta opp varme. Vannbaserte borevæsker trenger gjerne en lubrikant, mens oljebaserte borevæsker er et godt smøremiddel i seg selv. Oljebasert borevæske har anti-korrosive egenskaper, mens vannbasert borevæske må tilsettes additiver for å få anti-korrosive egenskaper.