NO861846L - Akrylpolymerer for vandig boreslam og fluider inneholdende saadant boreslam. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører særlig akryl-kopolymerer for anvendelse som dispergeringsmiddel for vandige boreslam.

Angjeldende boreslam inneholdende det nevnte dispergeringsmiddel egner seg helt spesielt for boring til midlere og større dybder i soner hvor det opptrer vanskeligheter forbundet med temperaturen i grunnen, høye innhold av faststoffer i slammet som kan bygge seg opp under boringen og vedrører også miljøpåkjenninger med hensyn til giftighet.

Ved boring av brønner etter olje eller naturgass ved hjelp av rotasjonsboring anvendes som kjent et fluid som særlig sikrer oppføring av det grus som dannes ved fronten av borstrengen. Dette fluid som innføres under trykk gjennom aksen i borstrengen passerer gjennom hodet av boret og stiger deretter opp gjennom det ringformede rom som er begrenset av borstrengen og selve borehullet og sikrer samtidig andre funksjoner som særlig er avkjøling av borhodet, tetting av veggene i brønnen og likevekt mellom indre trykk og det hydrostatiske trykk.

Vandige borefluider eller boreslam, utgjøres vanligvis av

en vandig suspensjon inneholdende forskjellige materialer for å meddele visse fysikalske og kjemiske egenskaper til den vandige suspensjon og disse er særlig:

- viskositetsøkende midler:

svellende leirer som er uoppløselige i vann og valgt som funksjon av innholdet av elektrolytter i vannet, ofte forbundet med en eller flere viskositetsøkende polymerer

- et dispergeringsmiddel eller fluidiserende middel

- eventuelt et filtrat-reduserende middel som karboksymetyl-cellulose med lav molekylvekt eller stivelse

- eventuelt et vektøkende middel som barytt.

Vannet kan være bløtt vann, sjøvann eller en saltlake.

Et av de vesentlige problemer som den fagkyndige må ta stilling til er å disponere et system med rheologiske egenskaper (viskositet - skjærkraftnivå - thixotropi)

som er stabile under hele boresyklusen og ikke påvirkes av sirkulasjonsstans som ofte kan være nødvendig. Etter hvert som fremdriften av boringen og oppføringen av gruset vil det høye innhold av faste stoffer frembringe en økning av viskositeten og trykket i sirkulasjonssystemet som vil stige meget høyt når det opptrer en aggregasjon og/eller flokkulering av leirepartikler.

For nedsettelse av viskositeten eller i det minste begrense dens økning og for deflokkulering av leiren tilsettes viskositets-reduserende midler (dispergeringsmiddel eller fluidiserende midler) vanligvis til borefluidet.

I petroleumsbrønner vil det som følge av stadig større boredybder ofte opptre forholdsvis høye temperaturer. Det er da nødvendig at tilsetningsmidlene har en tilstrekkelig termisk stabilitet. Av innlysende økonomiske grunner er det ønskelig at tilsetningsmidlene er effektive i små. doser.

Som dispergeringsmidler i boreslam er polyfosfåtene lite interessante på grunn av deres ustabilitet ved temperaturer over 70°C. Derivater av lignitt og lignosulfonater er mindre utsatt for termisk nedbrytning. Effektiviteten av lignitt er imidlertid begrenset ved elektrolytt-forurensninger (særlig natriumklorid og kalsiumsalter) som fører til deres utfelling. Lignosulfonater av krom og ferrokrom anvendes samtidig som dispergeringsmidler og filtrat-reduserende midler. De er effektive i nærvær av kalsiumsalter og ved temperaturer opp til 150°C, men giftigheten som skyldes krominnholdet begrenser deres

anvendelse.

Blant andre dispergeringsmidler som er kjent for boreslam kan nevnes polymerer som homopolymerer av akrylsyre med meget lav molekylvekt (US patentskrift nr. 3.764.530) og kopolymerer av maleinsyre og sulfonert styren (US patentskrift nr. 3.730.900).

Det er nå fremskaffet dispergeringsmidler som kan anvendes i borefluider og som er ikke-giftige, ikke sensitive overfor saltholdig omgivelse, som har en utmerket effektivitet ved lav konsentrasjon og som er stabile ved temperaturer endog over 150°C.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører at man som dispergeringsmidler i vandig boreslam anvender vannløselige akryl-kopolymerer med lav molekylvekt som skriver seg fra kopolymerisering av 75 til 99 mol% akrylsyre og/eller metakrylsyre og 1 til 25 mol% av et vannoppløselig salt av allyl- og/eller metallyl-sulfonsyre.

Kopolymerene kan oppnås ved radikal-polymerisering i vandig oppløsning av akrylsyre og/eller metakrylsyre med et alkalimetall allyl- og/eller metallyl-sulfonat, særlig natrium eller ammonium. Man kan f.eks. anvende vandig løsning av hydrogenperoksyd som katalysator for dannelse av fri radikaler, i forbindelse med isopropylalkohol i nærvær av små mengder kobbersalter idet de siste kan erstattes med en viss mengde hydroksylaminsulfat eller vandig hydrogenperoksydløsning med et jernsalt (ferro-sulfat) og hydroksylaminsulfat, eller også natrium- eller ammonium-persulfat i nærvær av eddiksyre.

Den oppnådde polymerisatoppløsning kan anvendes i denne form som dispergeringsmiddel i boreslam, men kan også konsentreres ved hjelp av kjent teknikk eller også kan kopolymeren isoleres i form av et pulver.

Ved en foretrukket utf ørelsesf orrn av den foreliggende oppfinnelse anvendes en kopolymer oppnådd fra en blanding av monomerer inneholdende samtidig akrylsyre og metakrylsyre. Det molare forhold mellom akrylsyre og metakrylsyre er foretrukket mellom 0,15/1 og 6/1 og mest foretrukket mellom 0,3/1 og 4/1 og helt foretrukket mellom 1/1 og 2/1.

Den oppnådde kopolymer har en molekylvekt mellom 500 og 10.000 og mer spesielt mellom 2000 og 6000.

Dispergeringsmidlet tilsettes til de elementer som utgjør boreslammet på i og for seg kjent måte. Det er effektivt i så små mengder som 0,01 g (tørrstoffinnhold) pr. liter slam. Man innlemmer generelt mengder mellom 0,05 og 1 g dispergeringsmiddel pr. liter slam, selv om større mengder som f.eks. opp til 10 g kan anvendes i det enkelte tilfelle. De foretrukne mengder ef mellom 0,1 og 0,4 g/liter.

De etterfølgende eksempler illustrerer oppfinnelsen.

Eksempel 1

Fremstilling av dispergeringsmiddel

Man fremstiller følgende to oppløsninger:

I en 1 liters reaktor utstyrt med røreverk, tre rør for innføring av nitrogen, monomerer og katalysator,

anbringes oppløsningen A under nitrogen. Man oppvarmer den avluftede blanding under tilbakeløp og omrøring, hvoretter man innfører 100 g av oppløsning B og 12 ml hydrogenperoksydholdig vann (110 volumdeler). Oppløsningen opprettholdes under tilbakeløp og omrøring hvoretter man kontinuerlig og samtidig innfører de resterende 860 g av oppløsning B og 68 ml hydrogenperoksydholdig vann. Denne tilsetning varer i 1 time og 30 min. Man tilsetter deretter ytterligere 10 ml hydrogenperoksydholdig vann, tilbakeløpet av oppløsningen opprettholdes i 30 min. hvoretter man på nytt tilsetter 10 ml hydrogenperoksydholdig vann og blandingen holdes i 1 time og 30 min. under tilbakeløp.

Oppløsningen konsentreres ved vakuum-destillasjon og avkjøles.

Konsentratet har et tørrstoffinnhold på 49,5% og en densitet på 1,185. Brookfield-viskositet er 1.300 mPa.s (Modell RV - rører nr. 2) .

Den vektmidlere molekylvekt av polymeren Mw er 4.000.

Den hydrodynamiske diameter av partiklene målt ved lysdiffusjon i oppløsning 5,1 g/l, 0 = 45 Ångstrøm.

Fremstilling av boreslam

Man fremstiller et slam med bløtt vann og bentonittleire ved innføring av 8,9 liter vann, 410 g bentonitt "FB5"

og 600 g bentonitt "FR2" (handelsprodukter fra

3 3 Société CECA) med en mengde på henhv. 35 m og 15 m slam pr. tonn tilført leire i henhold til spesifikasjon nr. DFCP 4 "Drilling Fluid material bentonitt" fra OCMA (Oil Company Materials Association).

Man innstiller pH til 9,5 ved tilsetning av natrium-hydroksyd. Man orarører i 3 min. ved hjelp av en ultra-turrax røreinnretning med 15.000 omdr./min. og man avkjøler til 25°C.

Slammet oppdeles i flere delfraksjoner.

I hver fraksjon tilsettes dispergeringsmidlet i variable mengder i henhold til tabell 1. Man omrører på nytt i 30 sek. ved hjelp av røreinnretningen. Blandingen får stå i 30 min. og man bestemmer de reologiske egenskaper ved hjelp av et viskosimeter "FANN" modell 35A, ved temperatur 25 C.

Man måler tilsynelatende viskositet (Va), plastisk viskositet (Vp), strømningspunkt eller stivnepunkt (YV) og verdien for initial gel og 10 min. gel (gel 0/10). Egenskapene er definert i håndboken "Drilling and 'Drilling Fluids - G.V. Chilingarian og P- Vorabutr - Elsevier 1981".

For sammenligning måles egenskapene for et tidligere anvendt ferrokrom-lignosulfonat ("Brixel" fra Société

CECA).

Alle resultater er gjengitt i tabell 1.

Det viser seg at slammet inneholdende dispergeringsmidlet i samsvar med oppfinnelsen har mye bedre rheologiske egenskaper enn slammet tilsatt ferrokrom-lignosulfonatet ettersom verdiene for viskositet og gel som måler fortykningen av slammet er mye lavere.

Eksempel 2

Med slammet fremstilt i emsepel 1 testes dispergeringsmidlene ved høy temperatur.

Hvert slam innføres etter tilsetning av dispergeringsmidlet

i valgt konsentrasjon (tabell 2) i en celle og underkastes en rotasjon i en roterende ovn i 16 timer ved 90°C, 120°C

og 150°C.

Resultatene av de rheologiske målinger utført ved den termiske test er gjengitt i tabell 2.

Man fastslår at dispergeringsmidlet i samsvar med oppfinnelsen forblir effektivt ved høy temperatur og i mye større grad enn ferrokrom-lignosulfonatet.

For en konsentrasjon av 2 g pr. liter slam er således sammenligningen av verdiene YV, før rotasjon og etter rotasjon ved forskjellige temperaturer, slik at den midlere YV er 3,5 for produktet i samsvar med oppfinnelsen med 49,5% tørrstoffinnhold mens den er 30 for lignosulfonatet med 100% tørrstoffinnhold.

Eksempler 3 til 10

Ved å gå frem på samme måte som i eksempel 1 fremstilles kopolymerer ved å variere mengden av sulfonat-enheter og ved å opprettholde det molare forhold mellom akrylsyre og metakrylsyre konstant.

Hver polymer innføres i slamblandingen fra eksempel 1 i mengde på 0,1 g (tørrstoffinnhold) pr. liter slam. Man måler de initiale rheologiske egenskaper etter skjærkraft-utøving og henstand i 30 min.

Mengdene av monomerer som anvendes, uttrykt i mol, sammensetningen av terpolymeren (molart forhold akrylsyre/ metakrylsyre - antall mol% sulfonat) såvel som måle-resultatene er gjengitt i tabell 3.

Eksempler 11 til 16

Man fremstiller tilsetningsmidler på samme måte som beskrevet i eksempel 1 ved å variere det molare forhold mellom akrylsyre og metakrylsyre. Sammensetningen av terpolymeren og de initiale rheologiske måleresultater for slammet (0,1 g dispergeringsmiddel/liter) er gjengitt i tabell 4.

Eksempler 17 til 23

I disse eksempler fremstilles dispergeringsmidlet under anvendelse enten av akrylsyre eller metakrylsyre. Den oppnådde kopolymer bestemmes som i de foregående eksempler. Blandingen og resultatene ved målingene er inneholdt i tabell 5.

Claims (6)

1. Vandig boreslam, karakterisert ved at det som dispergeringsmiddel inneholder en vannoppløselig akryl-kopolymer med lav molekylvekt oppnådd ved kopolymerisering av 75 til 99 mol% akrylsyre og/eller metakrylsyre og 1 til 25 mol* av et vannoppløselig salt av allyl- og/eller metallyl-sulfonsyre.

2. Boreslam som angitt i krav 1, karakterisert ved at kopolymeren omfatter en blanding av akrylsyre og metakrylsyre i et molart forhold mellom 0,15/1 og 6/1 og 1 til 25 mol% av et vannoppløselig salt av allyl- og/eller metallyl-sulfonsyre.

3. Boreslam som angitt i krav 2, karakterisert ved at det molare forhold akrylsyre/metakrylsyre er mellom 0,3/1 og 4/1.

4. Boreslam som angitt i krav 2, karakterisert ved at det molare forhold akrylsyre/metakrylsyre er mellom 1/1 og 2/1.

5. Boreslam s"om angitt i krav 1-4, karakterisert ved at det vannoppløselige salt er et alkalimetallsalt eller et ammoniumsalt.

6. Boreslam som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at de inneholder 0,01 til 10 g av dispergeringsmidlet pr. liter slam.