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Aug 12, 2023

Verbesserung der Filtrationseigenschaften von Mangantetroxid-Schlamm unter Verwendung von Perlitpartikeln zum weiten Bohren

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 18445 (2022) Diesen Artikel zitieren 568 Zugriff auf Metrikdetails Ein erforderliches Merkmal jeder Bohrformulierung besteht darin, den Formationsschaden dadurch zu mindern

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18445 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Ein erforderliches Merkmal jeder Bohrformulierung besteht darin, den Formationsschaden durch hervorragende Filtrations- und Filterkucheneigenschaften zu mindern. Der Schlüsselfaktor zur Vermeidung und Begrenzung von Formationsschäden ist die Verbesserung der Dichtungseigenschaften der geplanten Bohrspülung. In dieser Studie wurde ein neues neuartiges Filtermittel namens „Perlit“ eingeführt, um die Fähigkeit des Mangantetroxid-Schlammkuchens zu verbessern und bessere Dichtungseigenschaften zu erzielen. Die Perlitpartikel wurden in eine Formulierung geladen, die Mangantetroxid als Beschwerungsmittel enthielt. Der wasserbasierte Bohrschlamm wurde mit hohen Dichten (14,25 und 17,2 ppg) entwickelt. Um die optimale Leistung zu erzielen, wurde Perlit in unterschiedlichen Konzentrationen zugesetzt. Der Filtrationstest wurde bei einer Reservoirtemperatur von 250 °F und einem Differenzdruck von 300 psi durchgeführt, um den Filterkuchen zu bilden. Die Tests wurden mit Sandsteinkernen mit zwei unterschiedlichen Permeabilitätskategorien (niedrige und hohe Permeabilität) als Filtermedium durchgeführt. Dies ergab ein vollständiges Bild der Perlitleistung, wie sie für verschiedene Formationseigenschaften und unter Berücksichtigung der Bohrspülungseigenschaften umgesetzt wurde. Die Struktur und chemische Zusammensetzung des gebildeten Filterkuchens wurde mittels Rasterelektronenenergiedispersiver Röntgenstrahlung (SEM-EDS) bewertet. Die präsentierten Ergebnisse verdeutlichten, wie kompatibel die Zugabe des Perlits zu den Mangantetroxid-Beschwerungsmitteln in derselben Formulierung war. Darüber hinaus ist es in der Lage, die Dichtungseigenschaften des Filterkuchens zu verbessern, indem es das Filtrationsvolumen um 41 % und die Durchlässigkeit der inneren und äußeren Schicht des Filterkuchens um 58 % bzw. 25 % senkt. Darüber hinaus zeigte die EDS-Analyse, dass die Perlitpartikel im Allgemeinen in der inneren Schicht des Filterkuchens konzentriert sind.

Die Optimierung der Bohrflüssigkeitsformulierung ist in der Öl- und Gasindustrie von entscheidender Bedeutung, da sie als das Blut für Bohrarbeiten gilt1. Die Optimierung umfasst die Auswahl der richtigen Zusatzstoffe in der richtigen Menge, um das Bohrloch effizient und wirtschaftlich zu bohren. Diese Zusätze erfüllen viele Funktionen, darunter die Steuerung des Formationsdrucks, die Reinigung des Bohrlochs und die Förderung des Schneidguts, die Bildung eines Filterkuchens zum Schutz der Formation usw.2,3. Je nach Bohrlochtiefe, Formationstyp und Machbarkeit ändert sich der Bedarf an diesen Zusätzen4. Wissenschaftler und Forscher schlugen im Laufe der Jahre viele Zusatzstoffe vor, beispielsweise die Verwendung von Durianschale als Material mit verlorenem Kreislauf5, die Verwendung verschiedener Klassen von Ionenflüssigkeiten zur Verbesserung der Schlammrheologie6,7 und die Verwendung von Polypropylen- und Polyethylenkügelchen zur Verbesserung der Schneidtransporteffizienz8,9. 10,11,12, Verwendung von Nanomaterial zur Verbesserung der Bohrflüssigkeitseigenschaften13,14,15 usw. Einer der wichtigsten Zusatzstoffe ist das Beschwerungsmaterial, das für die erforderliche Dichte in der Schlammformulierung sorgt16. Die Menge des benötigten Beschwerungsmaterials hängt von vielen Faktoren ab. Beispielsweise ist beim Bohren tiefer Bohrlöcher eine hohe Dichte erforderlich, um den Formationsdruck zu kontrollieren, was je nach spezifischem Gewicht des Beschwerungsmaterials zu einer hohen Dosierung des Beschwerungsmaterials führt17. Darüber hinaus beeinflussen sie die anderen Eigenschaften des Schlamms, einschließlich der Rheologie, des Filtrationsverhaltens und des Filterkuchens. Daher ist es wichtig, das geeignete Beschwerungsmaterial in der Schlammformulierung auszuwählen.

Baryt, Hämatit, Ilmenit, Gelana und andere schwere Mineralien werden im Öl- und Gassektor verwendet18,19,20,21,22,23,24. Darüber hinaus wurden einige dieser Materialien mikronisiert, um ihre Eigenschaften zu verbessern und damit verbundene Probleme wie Durchhängen zu reduzieren17,25,26,27,28. Als Beschwerungsmaterial wurde Mangantetroxid (Mn3O4) vorgeschlagen. Es hat ein spezifisches Gewicht von ~ 4,8 g/cm3, eine geringe Partikelgröße von etwa 1 μm und eine Kugelform29,30. Diese Eigenschaften machten Mn3O4 (Micromax) zu einem guten Kandidaten für Bohr- und Fertigstellungsflüssigkeiten31. Al-Yami et al.32 formulierten und untersuchten eine wasserbasierte Formulierung aus KCl/Mn3O4 und verglichen sie mit zwei der bestehenden Formulierungen (d. h. KCl/BaSO4/CaCO3 und CHKO2/CaCO3). Sie fanden heraus, dass die Micromax-Formulierung im Vergleich zu den anderen Formulierungen eine bessere thermische Stabilität sowie bessere Filtrations- und rheologische Eigenschaften aufwies. Moroni et al.31 verwendeten Mn3O4 als Beschwerungsmittel in einer Invertemulsion für die Vervollständigungsflüssigkeit. Sie zeigten zwei Feldfälle in Großbritannien, bei denen sie zwischen der Verwendung der Sole zur Bereitstellung einer hohen Dichte und der Verwendung von Öl zur Stabilisierung der Schieferformation verhandeln mussten. Im ersten Fall benötigten sie 1,95 SG-Abschlussflüssigkeit, um einen Abschlussstrang laufen zu lassen. Sie verwendeten Mn3O4 als Beschwerungsmaterial in einer Mineralöl-Invertemulsion, wobei der Schwerpunkt im Labor auf den Durchhangeigenschaften über 14 Tage und den Filmeigenschaften auf den Bohrwerkzeugen lag. Die Ergebnisse im Labor waren ausgezeichnet, was zu einer erfolgreichen Umsetzung im Feld führte. Der zweite Fall betraf ein gerichtetes Bohrloch mit Bohrlochstabilitätsproblemen im Zusammenhang mit der Sandproduktion, die durch Ton-/Schieferformationen begrenzt war. Die vorgeschlagene Lösung bestand darin, Sandsiebe zu installieren, um zu erreichen, dass eine feste, nichtwässrige Flüssigkeit erforderlich war. Es wurde eine Invertemulsion verwendet und Mn3O4 zugegeben, um die erforderliche Dichte (dh 1,44 SG) zu erreichen. Die verwendete Abschlussflüssigkeit hat sich positiv auf den Installationsprozess der Sandsiebe ausgewirkt. Darüber hinaus kann Micromax dazu beitragen, das Durchhängen anderer Bohrflüssigkeiten wie Baryt zu minimieren. Basfar et al.33 lösten das Problem des Durchhängens von Baryt in Invertemulsionsflüssigkeiten durch die Verwendung einer Mischung aus Baryt und Micromax. Sie untersuchten zwei verschiedene Prozentsätze von Micromax, darunter 15 Gew.-% und 30 Gew.-%, und fanden heraus, dass 30 Gew.-% der optimale Prozentsatz ist, der das Durchhängen des Baryts verhindert. Auch die anderen Eigenschaften der Bohrflüssigkeit wurden verbessert, darunter Filtration, Rheologie und Viskoelastizität. Außerdem untersuchten sie die gleiche Lösung für das Absacken von Baryt in wasserbasierter Bohrflüssigkeit34. Ihre Ergebnisse zeigten, dass 25 Gew.-% das Durchhängen von Baryt verhindern und die Gesamtqualität der Bohrflüssigkeit verbessern konnten.

Wichtig ist auch der Einfluss der Gewichtungskomponenten in der Bohrformulierung auf die Filtrations- und Filterkucheneigenschaften. Al-Jaberi et al.35 untersuchten, wie sich die Beschwerungsmaterialien auf verschiedene Bohrflüssigkeitseigenschaften auswirken können. Im Vergleich zu den Eigenschaften des Filtermediums stellten sie fest, dass das Beschwerungsmaterial den größten Einfluss auf das Filtrationsverhalten und die Eigenschaften des Filterkuchens hat. Darüber hinaus macht das Wägematerial fast 70–90 % der Filterkuchenmineralogie aus19. Darüber hinaus könnte das Beschwerungsmaterial die Formation während des Bildung- und Entfernungsprozesses des Filterkuchens beschädigen36,37, daher ist es wichtig, Filtermittel hinzuzufügen, um die Filtration zur Formation zu minimieren. Viele Filtermittel wurden im Laufe der Jahre und trotz ihrer Erfolgsgeschichten im Öl- und Gassektor entwickelt und eingesetzt. Die Forscher sind weiterhin bestrebt, die bestehenden zu verbessern und neue zu empfehlen, die leistungsstärker, wirtschaftlich und umweltfreundlich sind. Perlit ist ein amorphes vulkanisches Mineral, das sich bei hoher Wasseraufnahme um das 20-fache seiner ursprünglichen Größe ausdehnen kann. Es wird in einer Vielzahl von Sektoren eingesetzt, darunter in der Landwirtschaft, im Baugewerbe, in der Wärmedämmung usw. Es wurde auch als Bohrflüssigkeit und Zementzusatz im Öl- und Gassektor eingesetzt. Es zeigte die Fähigkeit, das Durchhängen des Beschwerungsmaterials zu minimieren, die rheologischen Eigenschaften zu verbessern und die Filtration und die Filterkucheneigenschaften für verschiedene Bohrformulierungen zu verbessern38,39,40. Darüber hinaus wurden die Zementeigenschaften, einschließlich der Druckfestigkeit, der jungen Module und der Viskosität, durch die Zugabe von Perlitpartikeln verbessert41,42,43.

In dieser Arbeit wurde Perlit als Filtermittel zur Verbesserung der Filtereigenschaften der wasserbasierten Bohrflüssigkeit von Micromax eingesetzt. Bei der Vorbereitung der Bohrspülung für diese Arbeit wurden zwei unterschiedliche Dosierungen von Micromax angewendet, die dementsprechend zwei Dichten von 14,25 und 17,2 ppg ergaben. Der Perlit wurde in unterschiedlichen Konzentrationen eingesetzt und als Filtermedium wurden Sandsteinkernproben mit unterschiedlicher Permeabilität eingesetzt. Die Untersuchung umfasste das Filtrationsverhalten und die Eigenschaften des Filterkuchens (Dicke, Durchlässigkeit, Porosität).

In dieser Arbeit wurden mehrere Materialien zur Formulierung der Bohrflüssigkeit verwendet, der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch auf Micromax und Perlit, die charakterisiert wurden. Wie bereits erwähnt, ist Perlit ein Material, das durch den Hydratationsprozess von Obsidian entsteht und hauptsächlich aus Silizium besteht. Als Beschwerungsmaterial wurde in dieser Arbeit Mangantetroxid (Mn3O4) verwendet. Die Ergebnisse der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) für Perlit und Micromax sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die verwendeten Micromax enthalten drei Hauptelemente, dargestellt durch Kohlenstoff, Sauerstoff und Mangan. Die Partikelgrößenverteilungen für Mn3O4 und Perlit sind in Abb. 1 dargestellt. Die D10-, D50- und D90-Werte für Perlit betragen 21,39 μm, 46,35 μm bzw. 89,56 μm. Beim Micromax betragen D10, D50 und D90 0,41 μm, 1,38 μm bzw. 3,23 μm. Offensichtlich ist die Partikelgröße des Perlits im Vergleich zu den Perlitpartikeln größer. Darüber hinaus zeigt Abb. 2 die Morphologie der Micromax- und Perlitpartikel anhand von REM-Bildern. Micromax hat eine Kugelform, während der Perlit eine Fragmentform aufweist.

PDS für (a) Micromax und (b) Perlit.

SEM für (a) Micromax und (b) Perlit bei 10 µm.

In dieser Arbeit wurden sechs Bohrformulierungen hergestellt, die aus mehreren Additiven mit jeweils spezifischer Funktion bestehen. Wasser als kontinuierliche Phase und Entschäumer zur Hemmung der Schaumbildung. Die Funktion von Natriumcarbonat besteht darin, die Calciumkonzentration im akzeptablen Bereich zu halten, und Xanthangummi-Polymer (XC-Polymer) dient als Viskositätserhöher. Als Filtermittel wurden Stärke (Kartoffelstärke) und polyanionische Cellulose (PAC) verwendet. Bentonit (dh auf Natriumbasis) ist ein Ton, der dispergiert wird, um die Viskosität zu erhöhen. Als pH-Regler, Tonstabilisator und Brückenmaterial wurden Kaliumhydroxid, Kaliumchlorid bzw. Calciumcarbonat verwendet. Micromax wurde als Beschwerungsmaterial hinzugefügt und mit zwei verschiedenen Dosierungen beladen, darunter 350 g für Probe 1–4 und 250 g für Probe 5 und 6. Die Perlitkonzentration wurde von 0 bis 3 variiert, um den Einfluss auf die Filtrationseigenschaften zu beurteilen. Sie wurden als MM14-P0, MM14-P3, MM17-P0, MM17-P1, MM17-P2 und MM17-P3 bezeichnet, wobei die erste Zahl die Dichte in Pfund pro Gallone (ppg) und die zweite Zahl die Perlitkonzentration in Gramm angibt (gm). Die gesamte Formulierung mit geordneter Verwendung ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Berea-Sandstein wurde als Filtermedium verwendet, vier Schwesterkerne wurden für die Schlammformulierung verwendet (MM17-P0, MM17-P1, MM17-P2 und MM17-P3), zwei verschiedene Schwesterkerne wurden für die übrigen Schlammformulierungsproben verwendet (MM14- P0 und MM14-P3). Ihre Porosität und Permeabilität wurden mit einem Porosimeter und einem Prop-Permeameter gemessen, wie in Tabelle 3 dargestellt.

Zur Herstellung des Filterkuchens wurden die Filtrationsversuche mit einer Hochdruck-Hochtemperatur-Filterpresse (HPHT-Filterpresse) durchgeführt. Die Tests wurden unter Bedingungen eines Differenzdrucks von 300 psi und einer festen Temperatur von 250 °F durchgeführt. Die Filterkuchen wurden über der Oberfläche von Sandsteinkernen gebildet. Anschließend wurden die Maße des Filterkuchens einschließlich der Gewichte und Abmessungen ermittelt. Der Filterkuchen wurde in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von 180 °F getrocknet. Der Kuchen wurde mit Gold beschichtet und in das REM gelegt, um die chemische Zusammensetzung zu analysieren.

Wie bereits erwähnt, zeigte Perlit hervorragende Eigenschaften als Filtermittel in Baryt- und Hämatit-Bohrspülungen. Mit einer Konzentration von 2 lb/bbl als optimaler Konzentration konnte das Filtrationsvolumen der Baryt-Bohrflüssigkeit um 40 % und die Filterkuchendicke um 30 % reduziert werden38. Die optimale Konzentration in Bohrflüssigkeit auf Hämatitbasis betrug 4 lb/bbl, was das Filtervolumen und die Filterkuchendicke um 50 % bzw. 49 % reduzierte39. Das Filtrationsverhalten der in dieser Arbeit getesteten Micromax-Bohrflüssigkeiten mit einer Dichte von 17,2 ppg (d. h. MM17-P0, MM17-P1, MM17-P2, MM17-P3) ist in Abb. 3 dargestellt markiert den Übergang von der Innenschicht zur Außenseite des Filterkuchens. Dies wird durch die Änderung der Filterkuchenrate vor und nach den 7 Minuten angezeigt. Aus dieser Abbildung können die Aufbaurate für beide Schichten und das Filtrationsvolumen bestimmt werden, das in Abb. 4 dargestellt ist. Die Aufbaurate wird einfach basierend auf der Steigung in jedem Bereich berechnet. Zunächst ist es offensichtlich, dass der Perlit die Aufbaugeschwindigkeit beider Schichten kontrollierte. MM17-P0 zeigte im Vergleich zu anderen Proben die höchste Aufbaurate in der Innenschicht des Filterkuchens. Die Filterkuchenaufbaurate für MM17-P0 beträgt 4,33E−5 cm3/min im Vergleich zu 1,98E−5, 1,95E−5 und 1,85E05 für MM17-P1, Proben 3 bzw. MM17-P3. Der Spurt-Verlust war bei den ersten drei Proben gleich, ging jedoch bei MM17-P3 aufgrund der hohen Perlitkonzentration stark zurück. Die äußere Schicht wurde durch die Perlitpartikel weniger beeinflusst, MM17-P3 zeigte die niedrigste Aufbaurate, die 2,59E−5 cm3/min betrug, verglichen mit 3,43E−5, 3,79E−5 und 3,43E−5 für MM17-P0 , MM17-P1 bzw. MM17-P2. Ein ähnlicher Trend wie die Aufbaurate des internen Filterkuchens kann beim Filtrationsvolumen beobachtet werden, da mit zunehmender Perlitkonzentration das Filtrationsvolumen abnahm, wie in Abb. 5 dargestellt. MM17-P0 hatte ein Filtrationsvolumen von 6,8 cm3 im Vergleich zu 6,2, 6 und 4 cm3 für MM17-P1, MM17-P2 bzw. MM17-P3. Perlit hatte im Wesentlichen kaum Einfluss auf die Filterkuchendicke, wobei alle Proben einen Wert nahe 7,5 mm aufwiesen.

Filtrationsverhalten als Funktion der Perlitkonzentration für Proben mit einer Schlammdichte von 17,2 ppg.

Filterkuchenrate für innere und äußere Schichten als Funktion der Perlitkonzentration für eine Schlammdichte von 17,2 ppg.

Filterkuchendicke und Filtrationsvolumen als Funktion des Perlits für eine Schlammdichte von 17,2 ppg.

Zusätzliche Filterkucheneigenschaften wie Porosität und Permeabilität wurden ebenfalls bewertet. Die Porosität des Filterkuchens wird mit der gravimetrischen Methode berechnet, die auf den Abmessungen, dem Sättigungs- und Trockengewicht des Filterkuchens basiert35. Die Porositätswerte für alle Proben sind in Abb. 6 dargestellt. Die Porosität des Filterkuchens für MM17-P0 betrug 0,45 und blieb für MM17-P1 und MM17-P2 nahezu konstant. Bei den 3 g sinkt sie auf 0,17. Perlitzugabe für MM17-P3 Die Filterkuchenpermeabilität wird mithilfe des Lee-Modells35 berechnet, das von der Filtrationsrate pro Fläche (q), der Filterkuchendicke (\(T{h}_{fc}\)) und der Filtrationsviskosität abhängt (\(\mu \)) und der während des Experiments verwendete Differenzdruck über dem Filterkuchen (\({p}_{fc})\). Die Filterkuchenpermeabilität (\({K}_{fc}\)) kann wie folgt geschätzt werden:

Porosität und Schichtdurchlässigkeit des Filterkuchens als Funktion des Perlits für eine Schlammdichte von 17,2 ppg.

Die Permeabilitätswerte für die Innen- und Außenschicht sind in Abb. 6 dargestellt. Die Permeabilität des internen Filterkuchens für MM17-P0, MM17-P1, MM17-P2 und MM17-P3 beträgt 1,59E−3 md, 7,26E−4 md , 7,41E−4 md bzw. 6,76E−4 md. Für die Permeabilität des externen Filterkuchens zeigte MM17-P0 eine Permeabilität von 1,26E−3 md und blieb für MM17-P1 und MM17-P2 im gleichen Bereich. Bei der hohen Perlitkonzentration (d. h. MM17-P3) sinkt sie auf 9,47E−4 md.

Interessanterweise zeigten MM14-P0 und MM14-P3 (d. h. Schlammdichte gleich 14,25 ppg) ähnliche Ergebnisse, da Perlit die Filtration trotz der Unterschiede zu den vorherigen Proben, nämlich der Schlammdichte und der Durchlässigkeit des Filtermediums, verbessert. Zunächst ist das Filtrationsverhalten von MM14-P0 und MM14-P3 in Abb. 7 dargestellt. Sie wurden mit MM17-P0 (Schlammdichte gleich 17,2 ppg bei 0 lb/bbl) und MM17-P3 (Schlammdichte gleich 17,2) aufgezeichnet ppg mit 3 lb/bbl) zu Vergleichszwecken, was für die folgenden Abbildungen durchgeführt wird. Die Filtrationsrate ändert sich für MM14-P0 nach 5 Minuten und für MM14-P3 nach 6 Minuten, verglichen mit 7 Minuten für MM17-P0 und MM17-P1. Im Allgemeinen konnten die Perlitpartikel die Aufbaurate für beide Schichten verringern, wie in Abb. 8 gezeigt. Die Aufbaurate des Filterkuchens verringerte sich von 4,02E−5 auf 3,31E−5 mit der Zugabe von Perlit für die Innenschicht und von 1,78E-5 bis 1,9E-5 als Perlit für die Außenschicht hinzugefügt. Dementsprechend verringerte sich das Filtrationsvolumen durch die Zugabe von Perlit um 12,5 % (dh von 4,8 auf 4,2 cm3), wie in Abb. 9 dargestellt, während die Filterkuchendicke nicht durch Perlit beeinflusst wurde. Ebenso wurden die Porosität des Filterkuchens und die Durchlässigkeit für beide Schichten durch die Zugabe von Perlit beeinflusst, wie in Abb. 10 gezeigt. Die Porosität verringerte sich durch die Zugabe von Perlit im leichten Schlamm um 37,5 %, während sie im schweren Schlamm um 62 % sank . In ähnlicher Weise sank die Durchlässigkeit des inneren Filterkuchens um 17 %, während die Durchlässigkeit des äußeren Filterkuchens nahezu gleich blieb. Der Kompaktheitsgrad der Filterkuchenprobe konnte auch visuell durch die gebildeten Schlammkuchenproben beobachtet werden, wie in den Bildern des Filterkuchens gezeigt (Anhang-Abb. A1).

Filtrationsverhalten als Funktion der Perlitkonzentration für Schlammproben mit Perlitkonzentrationen von 0 und 3 lb/bbl.

Filterkuchenrate für innere und äußere Schichten als Funktion der Perlitkonzentration für Schlammproben mit Perlitkonzentrationen von 0 und 3 lb/bbl.

Filterkuchendicke und Filtrationsvolumen als Funktion des Perlits für Schlammproben mit Perlitkonzentrationen von 0 und 3 lb/bbl.

Porosität und Schichtdurchlässigkeit des Filterkuchens als Funktion von Perlit für Schlammproben mit Perlitkonzentrationen von 0 und 3 lb/bbl.

Darüber hinaus wurde die plastische Viskosität durch die Perlitzugabe in beiden Dichten leicht beeinflusst, sie stieg von 25,2 auf 28,6 cP bei der Zugabe von 3 Pfund Perlit in Schlamm mit 14,3 ppg und von 29,2 auf 32,9 bei 17,2 ppg. In ähnlicher Weise stieg die Fließgrenze bei der niedrigen Dichte von 42,3 auf 44,3 und bei der hohen Dichte von 46,4 auf 48,8, wenn 3 Pfund Perlit hinzugefügt wurden.

Die in Abb. 4 gezeigte Langsamkeit beim Aufbau des inneren Filterkuchens wurde den Perlitpartikeln zugeschrieben, die im äußeren Filterkuchen nicht erkennbar waren. Da sich zuerst die innere Schicht bildete, kann dies damit erklärt werden, dass die Perlitkonzentration in MM17-P0 und MM17-P1 in der inneren Schicht konzentriert war, während die Konzentration in der äußeren Schicht niedrig war. Diese Tatsache ist der Grund für den großen Unterschied zwischen den Schichtaufbauraten in MM17-P0 und MM17-P1. Andererseits hatten MM17-P2 und MM17-P3 eine höhere Perlitkonzentration, die sich auf beide Schichten auswirken konnte. Darüber hinaus zeigte Perlit eine hervorragende Fähigkeit zur Reduzierung des Filtrationsvolumens im Micromax-Schlamm, ähnlich wie andere Bohrflüssigkeiten (z. B. Baryt und Hämatit), mit einer Reduzierung des Filtrationsvolumens um 41 %. Darüber hinaus konnten Perlitpartikel die Porosität steuern, da die Flockenform das Schließen der Poren unterstützt, was zu einer geringeren Porosität führt. Allerdings war der Effekt bei der niedrigen Perlitkonzentration nicht so groß. Dies zeigte sich bei MM17-P3 mit einer Porositätsreduzierung von fast 62 %. Im Falle der Filterkuchendurchlässigkeit ist bei der Untersuchung des verwendeten Modells und der Verknüpfung mit früheren Ergebnissen die Filtrationsrate der wichtigste Faktor, da die anderen Parameter nahezu konstant sind (d. h. Filterkuchendicke, Filtrationsviskosität und Differenzdruck). Es zeigte sich derselbe Trend wie beim Aufbau des Filterkuchens für die Innen- und Außenschicht (d. h. Abb. 4). In der Innenschicht konnten Perlitpartikel die Permeabilität für MM17-P1, MM17-P2 und MM17-P3 um 54 %, 55 % bzw. 58 % reduzieren. Für die Außenschicht, die im Vergleich zur Innenschicht weniger belastet ist, hatten Perlitpartikel bei MM17-P3 den höchsten Einfluss mit einer Reduzierung der Permeabilität um 25 % im Vergleich zu MM17-P0.

Erstaunlicherweise zeigte die Filterkuchenaufbaurate für interne und externe Schichten für MM14-P0 und MM14-P3 einen umgekehrten Trend im Vergleich zu Schlammformulierungen mit hoher Dichte, wie in Abb. 8 dargestellt. Durch die Zugabe von Perlitpartikeln zu den Schlammproben mit hoher Dichte konnte eine Verringerung erzielt werden Der Aufbau der inneren Schicht des Filterkuchens war enorm, da er geringer war als die Aufbaurate der äußeren Schicht. Dies ist jedoch bei Schlamm mit geringer Dichte nicht der Fall, da die äußere Schicht nach der Perlitzugabe immer noch eine geringere Aufbaurate aufweist. Dies kann auf die geringe Dosierung fester Partikel im Schlamm mit geringer Dichte zurückgeführt werden, was bedeutet, dass im Vergleich zum Schlamm mit hoher Dichte eine geringere Packung vorliegt. Dies wirkt sich auf die Verteilung der Perlitpartikel in der Bohrspülung aus. Offensichtlich ist der Einfluss von Perlit auf das Filtrationsvolumen relativ gering, was akzeptabel ist, da das ursprüngliche Filtrationsvolumen nicht so hoch war (6,8 cm3). Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Durchlässigkeit des Filtermediums, die der Grund für das unterschiedliche Ansatzverhalten sein könnte. Die höhere Permeabilität führt zu einer einfacheren Filtration in die Kernproben. Auch wenn der Unterschied in der Durchlässigkeit zwischen den Kernproben für den hochdichten Schlamm gering ist, kann ein solcher Unterschied auch nur minimale Auswirkungen auf die Ergebnisse haben35. Darüber hinaus wurde die Filterkuchendicke durch die Zugabe von Perlit nicht beeinflusst, und die niedrigen Werte der Filterkuchendicke im Vergleich zum hochdichten Schlamm können auf die Porenstruktur der Probe zurückgeführt werden, die in dieser Studie nicht untersucht wurde35 .

Abbildung 11 zeigt, wie die Perlitpartikel im Schlamm mit niedriger und hoher Dichte wirken könnten. Aufgrund der geringen Packung im Schlamm mit geringer Dichte gab es viel Platz für Perlitpartikel. Ein solcher Raum verhinderte, dass die Perlitpartikel in der verwendeten Konzentration (dh 3 lb/bbl) einen signifikanten Einfluss auf die Durchlässigkeit und Porosität des Filterkuchens hatten. Andererseits weist der Schlamm mit hoher Dichte aufgrund der hohen Dosierung an Feststoffen eine hohe Packung auf, was bedeutet, dass für die Perlitpartikel im Vergleich zum Schlamm mit niedriger Dichte ein kleinerer Raum zur Verfügung steht. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Perlitpartikel die Lücken zwischen den Feststoffpartikeln schließen, was sich positiv auf die Eigenschaften des Filterkuchens auswirkt (z. B. geringere Permeabilität und Porosität), wie in diesem Arbeitsergebnis beobachtet. Die energiedispersive Spektroskopie im Rasterelektronenmikroskop (EDS-SEM) bestätigte die Verteilung der Perlitpartikel im Filterkuchen. Es handelt sich um eine Elementaranalyse der Probenoberfläche; Es kann zur Identifizierung der Elemente auf der Probenoberfläche verwendet werden. Da der Hauptunterschied zwischen den in dieser Arbeit verwendeten Schlammformulierungen in der Perlitkonzentration liegt und diese hauptsächlich aus Silizium bestehen. Die Perlitverteilung entlang der Dicke der gebildeten Filterkuchen wurde gemessen. Abbildung 12 zeigt den Prozentsatz an Silizium in jeder Filterkuchenschicht für jede Schlammbildungsprobe. Auch wenn die Anteile des Siliziums äußerst gering sind, liegt dies daran, dass der Perlitanteil im Vergleich zur Gesamtformulierung sehr gering ist. Das Manganelement deckt aufgrund der hohen Konzentration von Micromax in der Formulierung fast 80 % des EDS-Wertes ab. Bei der Auswahl der Linie wurden verschiedene Stellen in der Probe mit den höchsten Siliziumkonzentrationen überprüft und dann für einen fairen Vergleich der gleiche Linienlängenprozentsatz für die verschiedenen Proben ausgewählt. Es ist erwähnenswert, dass diese Konzentrationen in einem kleinen Bereich im Filterkuchen angezeigt werden, es wurde jedoch angenommen, dass die Linie den gesamten Filterkuchen darstellt. Die äußere Schicht für MM17-P0 wies 0,29 % und die innere Schicht 0,39 % Silizium auf und MM14-P0 hatte 0,21 bzw. 0,31 für die äußere bzw. innere Schicht. Die Quellen für Silizium in der verwendeten Bohrformulierung sind Bentonit und Perlit. Die Bentonitkonzentration wurde festgelegt und der Perlit variiert. Daher wird der Siliziumanteil in der ersten und fünften Probe dem Bentonit und der zusätzlichen Änderung der Siliziumkonzentration in den anderen Proben zugeschrieben kann auf die Perlitpartikel zurückgeführt werden. MM17-P1 zeigte sowohl in der Außen- als auch in der Innenschicht eine höhere Siliziumkonzentration von 0,49 % bzw. 0,62 %. Die Perlitkonzentration nahm in MM17-P2 zu und erreichte 0,67 % bzw. 0,72 % für die äußere und innere Schicht. Interessanterweise stieg die Perlitkonzentration in MM17-P3 auf 1,26 % bzw. 1,99 % für die äußere bzw. innere Schicht. Ähnliche Ergebnisse wurden in Sanple-6 gefunden, jedoch mit unterschiedlichen Trends, was mit früheren Gründungen übereinstimmt. Die Perlitkonzentration in der Außenschicht beträgt 0,98 % und in der Innenschicht 1,03 %. Was die rheologischen Eigenschaften betrifft, trug der Perlit zur Erhöhung der plastischen Viskosität und der Fließgrenze bei, wie im vorherigen Abschnitt gezeigt.

Filterkuchendiagramme für Proben mit niedriger und hoher Dichte zur Darstellung der Perlitverteilung im Filterkuchen.

Filterkuchendiagramme und der entsprechende Si-Gewichtsprozentsatz für die äußeren und inneren Filterkuchenschichten in jeder Schlammprobe.

Filtermittel ist ein wichtiger Zusatzstoff in der Bohrspülung. Die Optimierung des Filtermittels ist der Schlüsselfaktor für die Verbesserung der Filterkucheneigenschaften und des Filtrationsverhaltens. In dieser Studie wurden die Filtrations- und Filterkucheneigenschaften von wasserbasiertem Mangantetroxid-Bohrschlamm bei zwei unterschiedlichen Packungsdosen untersucht. Perlitpartikel wurden in unterschiedlichen Konzentrationen hinzugefügt, um deren Fähigkeit als Filtermittel zur Verbesserung des Micromax-Schlammkuchens zu bewerten. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Perlit konnte die Filtrations- und Filterkucheneigenschaften für stark gepackten Schlamm erheblich verbessern (dh eine Dichte von 17,2 ppg), die optimale Konzentration lag bei 3 lb/bbl.

Das Filtrationsvolumen, die Porosität des Filterkuchens und die Durchlässigkeit der inneren und äußeren Schichten des Filterkuchens wurden um 41 %, 62 %, 58 % bzw. 25 % verringert.

Im Schlamm mit geringer Packungsdichte wurde der Wert von 3 lb/bbl untersucht und konnte die Filtrationseigenschaften des zugrunde liegenden Bohrschlamms leicht verbessern. Es reduzierte das Filtrationsvolumen um 12,5 %, die Porosität des Filterkuchens um 39 % und die Innenschicht des Filterkuchens um 17 %. Die Durchlässigkeit der Außenschichten des Filterkuchens blieb unverändert.

Perlitpartikel waren bei Schlamm mit hoher Packung in der Innenschicht konzentriert, während sie bei Schlammformulierungen mit niedriger Packung einigermaßen gleichmäßig verteilt waren.

Perlit zeigte die Fähigkeit, die plastische Viskosität und Fließgrenze sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Bohrflüssigkeitsdichten innerhalb des akzeptablen Bereichs zu erhöhen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Wir bedanken uns für die Forschungsunterstützung des College of Petroleum Engineering and Geosciences an der King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Abteilung für Erdöltechnik, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran, Saudi-Arabien

Jaber B. Al Jaberi & Salaheldin Elkatatny

Zentrum für integrative Erdölforschung, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran, Saudi-Arabien

Badr Bageri & Salaheldin Elkatatny

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BB hatte die Idee und trug zur Datenanalyse und Erstellung des Manuskripts bei. JA entwarf die Methode und führte Experimente und Datenanalysen durch. SA trug zur Datenanalyse bei und überarbeitete das Manuskript.

Korrespondenz mit Badr Bageri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Al Jaberi, JB, Bageri, B. & Elkatatny, S. Verbesserung der Filtrationseigenschaften für Mangantetroxidschlamm unter Verwendung von Perlitpartikeln zum Bohren von Sandsteinformationen mit großer Permeabilität. Sci Rep 12, 18445 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21897-8

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Eingegangen: 30. Mai 2022

Angenommen: 05. Oktober 2022

Veröffentlicht: 02. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21897-8

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