Új típusú tárolókímélő folyadék (Flo-Thru) laboratóriumi vizsgálata Készítette: Planicska Petra Konzulens: Dr. Szabó Tibor Miskolc, 2011. 11. 04.
Tartalom 1. Bevezetés... 1 2. A folyadéktechnológiai elemek elméleti méréstechnikája... 2 2.1 Sűrűség... 2 2.2 Reológia... 2 2.2.1 Fann 35 rotációs viszkoziméter... 4 2.3 Vízleadás... 5 2.4 Aktív agyag tartalom... 8 2.5 Ion koncentráció... 9 2.5.1 Klorid-ion (Cl - )... 9 2.5.2 Kálium-ion (K + )... 10 2.5.3 Kálcium-ion (Ca 2+ )... 10 3. Fúrási öblítő folyadékok főbb adalékanyagai... 11 3.1 Baktericidek... 11 3.2 Sók... 11 3.3 Viszkozitást befolyásoló anyagok... 11 3.4 Polimerek, vízleadás csökkentő anyagok... 12 3.5 Korróziós inhibitor, oxigén megkötő... 12 3.6 Agyag stabilizátor... 12 3.7 Hídképző anyag... 13 4. A Flo-Thru fúrási folyadék előállítása laboratóriumi körülmények között... 14 5. Az Algyő-743H fúráson alkalmazott Flo-Thru tárolóvédő folyadék... 17 6. A folyadéktechnológiai elemek gyakorlati méréstechnikája... 18 6.1 Reológia, Fann 35 reométer... 18 6.2 Vízleadás, API... 18 6.3 Vízleadás, HPHT... 18 6.4 Vízleadás, PPT... 19 ii
6.5 Aktív agyag tartalom... 19 6.6 Ion koncentráció... 19 7. Mérési eredmények... 21 7.1 Alap technológiai paraméterek... 21 7.2 Vízleadás, PPT... 23 8. Eredmények kiértékelése... 25 8.1 Alap technológiai paraméterek laboratóriumi Flu-Thru esetében... 25 8.2 Alap technológiai paraméterek A-743H esetében... 26 8.3 PPT vízleadás laboratóriumi Flo-Thru esetében... 26 8.4 PPT vízleadás terepi Flo-Thru esetében... 26 9. Összefoglalás... 27 10. Ábrajegyzék... 29 11. Irodalomjegyzék... 30 iii
Eredetiségi nyilatkozat "Alulírott Planicska Petra, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a dolgozatot saját magam készítettem,a benne leírt vizsgálatokat ha ezt külön nem jelzem magam végeztem el, és az ismertetett eredményeket magam értem el. Adatokat, információkat csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokból használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, 2011.11.04... a hallgató aláírása A konzulens nyilatkozata "Alulírott Dr. Szabó Tibor, a Miskolci Egyetem Olajmérnöki Intézetének egyetemi adjunktusa TDK dolgozatot beadásra alkalmasnak ítélem." Miskolc, 2011.11.04... a konzulens aláírása iv
1. Bevezetés A fúrási és kútmunkálati tevékenység egyik legfontosabb eleme az alkalmazott folyadék-technológia. Alapvető követelmény a korszerű, hatékony, környezetkímélő anyagok felhasználása, a tárolóvédelmi szempontok és követelmények érvényesítése, a kémiai és mechanikai szilárdanyag szabályozás hatékony támogatása. Dolgozatomban egy új típusú tárolókímélő öblítő folyadékot (Flo-Thru) fogok bemutatni. Ez a folyadék nemcsak tárolóvédő, hanem speciálisan az olajtermelő kutak kialakítására kifejlesztett rendszer. A Flo-Thru rendszer hidrofób hídképző és vízleadás-csökkentő adalékanyagokat tartalmaz, amellyel olyan iszaplepényt hoz létre, amely az olajkutak termeltetésekor átereszti a szénhidrogén típusú anyagokat a rétegből, ugyanakkor a vízalapú kútmunkálati folyadékokkal szemben gátat képez a réteg felé. A Flo-Thru rendszer eredményes használatával feleslegessé válik az iszaplepény eltávolítása érdekében végrehajtott iszaplepény lebontási (savazás) művelet. Ennek egyik legfőbb előnye a gazdaságosság, mert bár a Flo-Thru folyadék használata költségesebb az egyéb folyadékokhoz képest mégis a művelet összességében kedvezőbb költségekkel bír. Nyári gyakorlatom során lehetőségem nyílt betekintést nyerni a Szolnokon működő Magyar Olaj- és Gázipari (MOL) Nyrt.(Kutatás Termelés Divízió, Integrált Mezőben Alkalmazások) laboratóriumában végzett folyadéktechnológiai elemek vizsgálatára. Munkám során elkészítettem a Flo-Thru folyadékot laboratóriumi körülmények között. Ezután különböző vizsgálatokat hajtottam végre (mint például: alap reológia mérés, vízleadás, aktív agyag tartalom, ion koncentráció), a folyadék technológiai paramétereinek pontos megfigyelése céljából. Továbbá lehetőségem nyílt részt venni egy algyői kútban már felhasznált Flo-Thru folyadék elemzésében. Ezt követően a terepi folyadékokból is ugyan azon vizsgálatokat végeztem el, mint a laboratóriumban elkészített folyadékból. 1
2. A folyadéktechnológiai elemek elméleti méréstechnikája Nyári gyakorlatom során elvégeztem azokat a méréseket, amelyek szükségesek voltak a Flo-Thru fúrási folyadék megismeréséhez, elemzéséhez. Ezek a következők voltak: Sűrűség Reológia Vízleadás Aktív agyag tartalom Ion koncentráció A következő alfejezetekben részletesen ismertetem ezeknek a vizsgálatoknak az elméleti hátterét. 2.1 Sűrűség Az öblítő folyadék sűrűsége meghatározó jelentőségű, ugyanis a biztonságos fúrási művelet során elengedhetetlen a formációnyomás kiegyensúlyozása. Magyarországon túlnyomásos kútkialakítási technológiát alkalmaznak, ezért fontos hogy a fúrás során alkalmazott iszap sűrűsége által létrehozott nyomás a rétegnyomást kellő képen meghaladja. A különböző rétegek nyomása akár ugrásszerűen is változhat, ezért a lyukban lévő túlnyomásnak mindig követnie kell ezeket a változásokat. Mindezek miatt a pontos sűrűség ismerete nélkülözhetetlen. A sűrűség mérést (1. ábra) a sűrűség fogalma alapján hajtjuk végre, azaz tömegmérés adott térfogaton. Ezt vagy az olajiparra kifejlesztett sűrűségmérő eszközzel vagy adott térfogatú laboratóriumi eszköz és mérleg alkalmazásával lehet kivitelezni. 1. ábra Sűrűség mérés 2
2.2 Reológia A reológia tudománya az anyagok folyási tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozik. A viszkozitás, más elnevezéssel a belső súrlódás egy gáz vagy folyadék (fluidum) belső ellenállásának mértéke a csúsztató feszültséggel szemben. Minden valóságos folyadéknak vagy gáznak van viszkozitása (kivéve a szuperfolyékony anyagoknak), az ideális folyadék és ideális gáz viszkozitása nulla. A kiválasztott tárolóvédő folyadéknak optimális reológiai tulajdonságokkal kell rendelkeznie a furadék/kőzettörmelék kiszállításához (kis gyűrűstérbeli áramlási sebesség mellett is), a hídképző anyag részecskék szuszpendálásához (az öblítési szünetekben is) és az egységes eloszláshoz a tároló-réteg mentén, valamint a hidraulikus hatások (lyukfal erózió, kimosódás) minimalizálásához a gyengén konszolidált rétegek esetén. A tárolókímélő polimer rendszerek tipikus nem-newtoni folyadékok. A hőmérséklet növekedésével a reológiai paraméterek csökkennek, de az alapvető pszeudoplasztikus viselkedés megmarad. Ezzel összhangban viszonylag kicsi a viszkozitás-hőmérséklet függése, más folyadék rendszerekhez viszonyítva. Ennek a sajátos reológiai viselkedésnek köszönhetően nagy nyírási sebességnél (pl. a fúrócsőbeli áramláskor) kicsi a viszkozitás (kisebb a nyomásveszteség), míg kis nyírási sebességeknél (pl. a gyűrűstérbeli áramláskor) nagy a viszkozitás, ami segíti a furadék kiszállítását. Igen kis nyírási sebességeknél, extrém nagy a viszkozitás, amely elősegíti a szilárd részecskék szuszpendálását (furadék, hídképző-anyag részecskék süllyedése), az ülepedéssel szembeni stabilitást (tipikus nyírásra híguló jelleg). [1] Az alap reológiai méréseket a Fann 35-ös berendezéssel lehet kivitelezni. A 2.2.1 alfejezetben ezt részletesen ismertetem. 3
2.2.1 Fann 35 rotációs viszkoziméter A reológiai paraméterek vizsgálatakor egy Fann 35 típusú rotációs viszkozimétert (2. ábra) használunk. A Fann 35 egy közvetlen leolvasású viszkoziméter, amely azt jelenti, hogy a leolvasott értékek megfelelnek a nyírási feszültségeknek. A rotációs viszkoziméterek működésének elve a következő: a rotációs viszkoziméterben két koaxiális (koncentrikus) henger közötti résben helyezkedik el a vizsgálandó anyag. A külső henger rögzített, a belső különböző szögsebességgel forgatható. A vizsgálandó anyag a henger forgásával szemben viszkozitásával arányos súrlódási erőt fejt ki, a henger forgatásához jól mérhető forgatónyomaték szükséges. A hengerszimmetria miatt a folyadék áramlása 2. ábra Fann 35 rotációs viszkoziméter mindenütt érintő irányú, és az egyes rétegek szögsebessége csak a forgástengelytől mért r távolságtól függ. A reológiai paraméterek vizsgálatakor többféle reológiai modell áll rendelkezésünkre. Ezek közül az általunk vizsgált öblítő folyadékok viselkedését a Power-law modell képes a leginkább leírni, ugyanis ez képes a legjobb közelítést adni a pszeudo-plasztikus folyadékok viselkedésére. A pszeudo-plasztikus reológiai modell a következő összefüggést állítja a nyírási feszültség ( ) és a nyírási sebesség ( ) közt: K n 4
Az összefüggésben megjelenő n kitevő a mért értékek logaritmikus skálában való ábrázolásakor a kapott egyenes abcisszával bezárt szögét jelenti, még a K tényező (konzisztencia index) pedig az ordináta tengelymetszet. Ezek alapján meghatározható a látszólagos viszkozitás ( a ) is a következő egyenlettel. [2] a K n 1 2.3 Vízleadás A lyukfal stabilitás megőrzése érdekében, az iszap a kőzettel való érintkezése során iszaplepényt képez. Az iszaplepény a folyadék sűrűsége által létrehozott kőzethez viszonyított túlnyomás miatt alakul ki. Ez a lepény megakadályozza az öblítő folyadék rétegbe való beáramlását illetve megtámasztva a kőzetet megfelelő lyukstabilitást biztosít. Ezen két pozitív tulajdonsága miatt nem csak gazdaságilag kedvező folyadék megtartást biztosit és csökkenti a réteg károsítását, hanem a furás biztonságáért is nagy részben felelős. Az iszaplepény kialakulásakor természetesen bizonyos mértékű kiszűrődés következik be. Az ideális kiszűrődés során rövid idő alatt kialakul a vékony, ám de stabil és impermeábilis iszaplepény, ezért a kiszűrődött folyadék mennyisége is csekély. Ennek a kiszűrődésnek a mértékét vizsgáljuk a vízleadás mérések során. A 2.3.1, 2.3.2 és 2.3.3 alfejezetekben ismertetem az ilyenkor használatos berendezéseket. 5
2.3.1 API berendezés Az API vízleadás mérő (4. ábra) a legegyszerűbb eszközök egyike, mellyel szobahőmérsékleten 7 bar nyomáson és szűrőpapír segítségével végezzük el a mérést. 3. ábra API vízleadás mérő 2.3.2 HPHT vízleadás mérő A HPHT (High Pressure High Temperature) berendezésnél (5. ábra) a mérés magas nyomáson és magas hőmérsékleten történik, a szűrőközege ugyancsak szűrőpapír. 4. ábra HPHT berendezés 6
2.3.3 PPT mérőeszköz A PPT (Permeability Plugging Tester, 6. ábra) segítségével magas nyomáson és hőmérsékleten vizsgálhatjuk a minta vízleadását, de az előző két berendezéssel ellentétben itt a szűrőközeg már kerámia műkőzet, ami a szűrőpapírral ellentétben már jobban modellezi a telepi körülményeket. A gravitációs ülepedés elkerülése végett a szűrődés gravitációs erő irányával ellentétesen történik. A 2.3.4 fejezetben található az a két összehasonlító táblázat, amelyekben ismertetem a három berendezés előnyeit és hátrányait. 5. ábra PPT berendezés 2.3.4 Mérőeszközök összehasonlítása Mivel több berendezésen vizsgálható a folyadék kiszűrődése ezért érdemes áttekinteni az eszközök előnyeit (1. táblázat) és hátrányait (2. táblázat). 1. táblázat Előnyök Előnyök API HPHT PPT gyors és terepen is kivitelezhető jól reprodukálható terepen is kivitelezhető fúrási viszonyokat jól modellezi terepen is kivitelezhető fúrási viszonyokat jól modellezi a szűrőközeg jobban modellezi a kőzetet 7
2. táblázat Hátrányok Hátrányok API HPHT PPT kevésbé modellezi a terepi körülményeket (7 bar és szobahőmérséklet) a szűrőközeg kevésbé modellezi a kőzetet mérés előkészítés ideje alatt a gravitációs hatásra megjelenő ülepedési jelenség módosíthatja a kiszűrődést statikus környezet szűrőpapír kevésbé jól modellezi a fúrási körülményeket statikus környezet a szűrőközeg költséges a szűrőközeg jellegéből adódóan a mérés kevésbé reprodukálható 2.4 Aktív agyag tartalom Az aktív agyag tartalom vizsgálata során az iszapban, a hulladékelválasztó eszközök által nem kiválasztott apró szemcsék koncentrációját mérjük. A mérés a felületi töltésen alapul. Az apró szemcsék általában agyag kőzetből származnak melyek felületi töltése anionos. Az aktív agyag tartalom meghatározását metilénkék teszttel végezhetjük, ahol a metilénkék kationos töltöttségét használjuk fel a szemcsékre abszorbeálódási folyamat során. A mérés alatt a fokozatosan adagolt metilénkék oldattal folyamatosan kötődik a mintában található szemcsék felületére, amíg az ionos kötés létrejön. Ezt követően a metilénkék szabadon oldott formában jelenik meg a folyadék tömbfázisában, ami a titrálás végpontját jelzi. A metilénkék titrátor és a szűrőpapíron látható titrálás közbeni ellenőrző pont (bal oldali) és a titrálás vége (jobb oldali). 8
6. ábra Metilénkék-teszt 2.5 Ion koncentráció Az öblítő folyadékokban sokféle ion található. Bizonyos ionok koncentrációjának jelentős szerepe van, ezért a fúrás előrehaladtával koncentrációjuk változását folyamatosan követni kell. 2.5.1 Klorid-ion (Cl - ) A kőzetek megfelelő agyagstabilizációja miatt nagy mennyiségű kálium-klorid kerül felhasználásra az öblítő folyadékok előállításnál illetve felhasználásánál. Az inhibitálás folyamata olyan jellegű hogy kálium-fogyást eredményez, ezért folyamatos pótlást kell biztosítani. Azonban a káliummal együtt a klór nem ürül ki a rendszerből ezért az utánadalékolásoknál mennyisége folyamatosan növekszik. A fúrás befejeztével a hulladék elhelyezések során a klór tartalomnak jelentős szerepe van, mert meghatározott koncentráció felett már veszélyes hulladéknak számít, melynek elhelyezése jelentős gazdasági terhet jelent. Az iszapoknál a klorid ion koncentrációt 20 000 mg/l alatt kell tartani. Az olajiparban a klorid-ion mérés általában Mohr-féle ezüst nitráttal való titrálással történik, kálium-kromát indikátorral. Ez a terepen is könnyen kivitelezhető és pontos eredményt biztosít. 9
2.5.2 Kálium-ion (K + ) A kálium mennyisége az agyag stabilizálás során meghatározó. A kálium kationos jellege miatt az anionos töltésű agyag szemcsékkel ionos kölcsönhatásba lép, ezzel stabilizálva őket. A felületi megkötődés miatt a kation a szilárd anyaggal távozik a rendszerből ezért pótlása és koncentrációjának folyamatos nyomon követése elengedhetetlen. A kálium mérés spektrofotometriás méréssel történik. 2.5.3 Kalcium-ion (Ca 2+ ) A kalcium bázisú folyadékoknál jelentős mennyiségű kalcium található a rendszerben, amely a rétegből belépő egyes gázokkal (CO2, H2S) reakcióba lépve meggátolja azok káros hatását. A reakció során az oldott kalcium szilárd vegyületet képez, amely a szilárd anyag elválasztó eszközökön keresztül a rendszerből távozik. Mindezek miatt pótlása és koncentrációjának folyamatos nyomon követése elengedhetetlen. A kalcium mérés EDTA-val (etilén-diamin-tetraecetsav) való titrálással történik. Az indikátor többféle is lehet: Patton Reeder, Murexid, Eriokróm fekete-t. 10
3. Fúrási öblítő folyadékok főbb adalékanyagai A vízbázisú iszapok gazdaságilag és környezetvédelmi szempontból is előnyösebbek, mint az olajbázisúak, ugyanis előállításuk kisebb költséggel jár, alacsonyabb sűrűségi értékeken használhatóak, és kémiailag is összeférhetőbbek a rétegvízzel. A vízbázisú iszap adalékanyagait és azoknak a jellemzőit a következő alfejezetekben részletesen tárgyalom. [4] 3.1 Baktericidek A baktericid szó jelentése: baktériumölő. A vízbázisú öblítő folyadékok adalékanyagai között jelentős mennyiségben vannak jelen polimerek, biopolimerek, melyeket a baktériumok erősen degradálnak. Ez a negatív folyamat már a felszíni környezetben lejátszódhat, ezzel gátolva a polimerek hatását. A baktericidek sterilizálják a folyadék rendszert, ezért használatuk, illetve hatásmechanizmusuk miatt folyamatos pótlásuk is szükséges. 3.2 Sók Az olajipar többféle sót alkalmaz főként a sűrűség beállítására. Ezen túl a sóknak egyéb funkciói, előnyei is vannak. A leggyakrabban használt só a KCl, ugyanis a sekélyebb kutaknál elegendő (1,4 kg/m 3 ) sűrűség is elérhető vele, illetve a K + erőteljes agyagstabilizáló hatású. 3.3 Viszkozitást befolyásoló anyagok Az ideális lyuktisztítást a megfelelő viszkozitású iszappal biztosíthatjuk, ezért a viszkozitás az egyik legfontosabb iszap paraméter. A viszkozitást polimerekkel befolyásolják, amelyekkel elérhető a pszeudo-plasztikus jelleg. Ezekre a polimerekre a nyomás és a hőmérséklet jelentős befolyással bír. Mind a hőmérséklet mind a nyomás a mélység növekedésével erőteljesen növekszik. Mindezek miatt a kutak mélyülésével egyre nagyobb problémát okoz a megfelelő viszkozitás fenntartása. A vízbázisú iszapok a ma ismert legjobb technológia szerinti felhasználhatósága sem lépi túl a 200 C-ot, ezért mélységbeli alkalmazásuk behatárolt. A 200 C-os határt főképp a viszkozitást befolyásoló adalékanyagok adják, melyek hőérzékenyek. 11
3.4 Polimerek, vízleadás csökkentő anyagok A polimerek a legszűkebb értelmezés szerint a szerves kémia olyan hosszúláncú vegyületei, amelyben tipikusan sok ezer elemi építőegység: monomer kötődik egymáshoz elsődleges kémiai kötéssel. [5] A vízleadás szabályozására hídképzőket és vízleadást csökkentő adalékanyagokat alkalmaznak. A folyadék áramlás általi hídképző (3.7 fejezetben bővebben) szemcseelmozdulás megakadályozására vízleadás csökkentő polimereket használnak. Ezek általában keményítő alapú adalékanyagok. A vízleadást csökkentő polimerek a hídképző szemcsékkel olyan mátrixot alkotnak, amely a kőzet falhoz nyomódva stabil lepényt hoznak létre. 3.5 Korróziós inhibitor, oxigén megkötő Mivel a szénhidrogén kutatás, termelés fémeszközök használatával történik, állandó figyelmet igényel a korrózió megelőzése, melyek kivitelezése korróziós inhibitorokkal történik. Az inhibitor az öblítő folyadékba keverve kis koncentráció esetén is jelentősen lecsökkenti a korróziós folyamatok sebességét. A korróziós inhibitorok az olajiparban szerves vegyületek, ezek közvetlen hatásúak, általában felületi bevonatot képeznek a fém felületeken. Az oxigén a vas korróziójában is jelentős szereppel bír, de a felületi bevonatot képző inhibitorok megfelelő védelmet biztosítanak ellene. Ezen túlmenően az oxigén a polimerek degradálásáért felelős. A polimerek feloxidálásával jelentkező problémák elkerülése céljából oxigén megkötő adalékanyagokat alkalmaznak. A legelterjedtebb oxigén megkötő a nátrium-szulfid (Na 2 S). 3.6 Agyag stabilizátor Az agyag stabilizátor olyan kémiai adalékanyag, amely megakadályozza az agyag részecskék mállását vagy megduzzadását. A KCl sóból a K + az egyik legolcsóbb és emellett hatékony agyagstabilizáló anyag, ami kationos töltésű. Az agyag felülete általában anionos töltésű, ezért jön létre a stabilizáció. Sok inhibitáló adalék ezt az elvet követve működik, de vannak teljesen eltérő mechanizmusúak is. A KCl-on kívül jelentős mennyiségben kerülnek felhasználásra általában szerves agyagstabilizálók is. Szerves inhibitorok nagy része felületi bevonatot képez, viszont ismerünk olyat is, amely a kőzet pórusaiba érve hőmérséklet 12
növekedés hatására kicsapódik ezzel szilárd gátat képezve a beáramló folyadékkal szemben. 3.7 Hídképző anyag A hídképzők olyan szilárd szemcsék, melyek az adott közegben nem oldódnak és a megfelelő kiszűrődés gátlás érdekében osztályozott részecske méretűek. Ezek a szilárd szemcsék a pórusokat eltömítve akadályozzák meg az iszap rétegbe való beáramlását. A vízbázisú iszapoknál a hídképzők általában mészkőlisztek vagy márvány őrlemények. 13
4. A Flo-Thru fúrási folyadék előállítása laboratóriumi körülmények között Munkám során laboratóriumi körülmények közt Flo-Thru fúrási folyadékot (8. ábra) állítottam elő. A 3. táblázatban összefoglaltam az iszap összetevőit illetve annak felhasznált mennyiségét, továbbá feltüntettem az egyes adalékanyagok funkcióit és kémiai jellegét is. 3. táblázat Flo-Thru tulajdonságai adalékanyag koncentráció funkció kémiai jelleg Flo-Vis Plus 3 reológia/lsrv biopolimer Thrutol 25 vízleadást csökkentő hidrofób keményítő Thrucarb 40 hídképző hidrofób kálcium-karbonát KLA-STOP 25 agyag stabilizátor kationos, polimerizált amin KCl 60 agyag-stabilizátor kálium-klorid Vedocid 1 baktericid izotiazolin-származék Vedocor 6 korrózió elleni inhibitor kondenzált-(tri)amin NaHCO 3 1 pufferáló adalék nátrium-hidrogénkarbonát Vedoxitrol 1 oxigén megkötő katalizált szulfit Mikro F20 15 hídképző mészkőliszt Mikro MA80 70 hídképző mészkőliszt Mivel a Flo-Thru édesvíz bázisú iszap, ezért az adalékanyagokat csapvízhez kevertem. 14
7. ábra Flo-Thru iszap adalékanyagai Az adalékanyagok minőségüktől függően reakcióba léphetnek egymással, ezért az oldatkészítés során ügyelni kell a vízbe való bekeverési sorrendre, amely ezen iszap esetében a következőként alakul [3]: 1. Baktericidek (Vedocid) 2. Sók (KCl, NaHCO 3 ) 3. Viszkozitást befolyásoló anyagok (Flo-Vis Plus,) 4. Polimerek, vízleadás csökkentő anyagok (Thrutol) 5. Korróziós inhibitor, oxigén megkötő (Vedocor, Vedoxitrol) 6. Agyag stabilizátor (KLA-STOP) 7. Hídképző (Thrucarb, Mikro F20, Mikro MA80) 15
A fent említett anyagok oldatba való adalékolása során folyamatos keverést biztosítottam ezzel segítve az oldódást és a homogenizálást (9. ábra). Miután elkészítettem a Flo-Thru iszapot, egy napig állni hagytam, hogy a polimerek hidratációja teljes mértékben lejátszódjon. 8. ábra Flo-Thru laboratóriumi iszap Az elkészített Flo-Thru öblítő folyadék analízisét elvégeztem. Az analízis részeként reológiai és vízleadási méréseket végeztem. Miután az alap mérések segítségével felmértem a rendszer főbb paramétereinek különböző hatásokra adott viselkedését, a terepi körülmények modellezése érdekében hőkezelési vizsgálatokat végeztem. A művelet során a folyadékmintát 60 C-on és 90 C-on dinamikus hőkezelésnek vetettem alá 5 órán keresztül. A hőkezelést követően újból elvégeztem az alap méréseket. A fúrás során az iszapba furadékszemcsék keverednek, melyek szintén hatással vannak a rendszerre. Ennek modellezése miatt 40 kg/m 3, 250 µm alá porított homokkő mintát adalékoltam az alap- és hőkezelt mintákba, és a vizsgálatokat így is elvégeztem. A mérési eredményeimet a 7. fejezet tartalmazza. 16
5. Az Algyő-743H fúráson alkalmazott Flo-Thru tárolóvédő folyadék Az A-743H kút kialakítása a már meglévő A-743 olajtermelő kútból történt. A kútkialakítási művelet 9 5/8 -es béléscsőből történő kilépés (ablakmarás, KOP: 510 m), kiferdítés volt. Ez a 8 ½ -es szakasz GLYDRIL fúrási folyadékkal mélyült. A kivitelezés során a horizontális szakasz kialakítása 2603 3100 m között történt, az A-743 kút termelő rétegével megegyező formációba, az ott csapdázódott olaj kitermelésére. Ebben a szakaszban, elsősorban a tároló-réteg védelme érdekében folyadékcserére került sor (Flo-Thru). A 2603 m-ben végrehajtott folyadékcserénél alkalmazott Flo-Thru öblítő folyadék összetétele megegyezik az általam laboratóriumban elkészített Flo-Thru összetételével. A folyadékcserét követően a horizontális szakasz kialakítása során 100 méterenkénti mintavételezés történt, a folyadék technológiai paramétereinek pontos megfigyelése céljából. [6] Dolgozatomban ezt a hat mintát használtam fel a különböző mérések elvégzésekor. 17
6. A folyadéktechnológiai elemek gyakorlati méréstechnikája A 2. fejezetben ismertettem a különböző laboratóriumi mérőműszerek/mérések elméleti hátterét. Ebben a fejezetben összefoglalom a mérések kivitelezésének lépéseit. 6.1 Reológia, Fann 35 reométer A készülékbe belehelyezett iszap mérése a 600, 300, 200, 100, 6, 3 fordulatszámokon történik, amelyek megfelelnek 1022, 511, 341, 170, 10 és 5.11 1/s nyírási sebességeknek. A leolvasott nyírási feszültség értékek lb/100ft 2 -ben értendők. A mérés légköri nyomáson és 45 C-on történik. Ezek után gélerősség mérést végeztem, amely során 10 másodperc pihentetés után, majd 10 perc pihentetés után, 3 fordulatszámon a legnagyobb kilengést olvastam le. 6.2 Vízleadás, API A szűrési felületre szűrőpapírt helyeztem el. A mintatartó adott mennyiségű (szemrevételezéssel megállapítható) iszapot kell betölteni, majd az állványon való elhelyezés után lezárjuk. Ezek után nitrogén palack segítségével 7 bar-os nyomás alatt tartjuk 30 percig. A készülék alatt egy mérőhengerbe gyűjtjük a kiszűrődött szűrletet. 6.3 Vízleadás, HPHT Miután iszapot töltöttem a készülékbe, szűrőpapírt helyeztem az iszapot tartalmazó henger tetejére. Ez után lezártam a cellát és fejjel lefelé belehelyeztem a fűtő köpenybe. A mérési hőmérséklet elérését követően, nitrogén palack segítségével a cellára felülről 600 psi nyomást alulról 100 psi nyomást adtam (így 500 psi-os differenciál nyomást hoztam létre). Az alsó szelep nyitását követően 30 percen keresztül felfogtam a szűrletet. A mért értéket 2-vel szoroztam a mérés végén, mert a HPHT cella szűrődési felülete fele akkora, mint az API vízleadás mérőé és csak így válnak a mérési eredmények összehasonlíthatóvá. 18
6.4 Vízleadás, PPT A PPT cellába iszapot töltöttem, majd a cella tetejére az adott pórus átmérőjű kerámia szűrőközeget helyeztem el. Ez után lezártam a cellát és a fűtőköpenybe raktam. A mérési hőmérséklet elérését követően, nitrogén palack segítségével a cellára felülről 100 psi nyomást alulról olajpumpa segítségével 600 psi nyomást adtam (így 500 psi-os differenciál nyomást hoztam létre), majd a felső szelep nyitásával elindítottam a mérést. A szűrődés mértékét 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30 perceknél leolvastam. A mért térfogatokat szoroztam 2-vel, ugyanis a PPT cella szűrődési felülete is fele az API-énak (feles-prés), így összehasonlíthatók a mérési eredmények. 6.5 Aktív agyag tartalom Ezt a mérést csak a terepi mintákon végeztem el, mert a laboratóriumban készített folyadék furadékkal nem érintkezett. A minta aktív anyag tartalmat titrálással határoztam meg a következő módon: 2 ml iszapot töltöttem Erlenmeyer lombikba, majd erre öntöttem10 ml vizet,15 ml 3%- hidrogén-peroxidot és 0,5 ml 5 N (normálos) kénsavat. A kapott oldatot 10 percig forraltam, majd 50 ml desztillált víz hozzáadásával lehűtöttem. Ez után 0.01 M metilénkékkel titráljuk. A titrálási műveletet addig kell ismételni, még az oldat 1 cseppje (szűrőpapírra cseppentve) a kék színt el nem ereszti. A mért fogyást megszorozzuk API szabvány szerint 7,15, ekkor kapjuk az aktív anyag tartalmat kg/m 3 mértékegységbe. 6.6 Ion koncentráció Ezt a vizsgálatot csak a terepi mintákon végeztem el, mert a laboratóriumi folyadékot nem használtuk terepi körülmények között, ahol a különböző ásványos összetételű kőzetek ionkoncentráció változást okozhatnak. Az ion meghatározások közül is csak a kloridion mérést végeztem el, mert a vizsgált iszap minták nem kalcium bázisúak, illetve az iszaplaboratóriumban nem állt rendelkezésre kálium méréséhez szükséges spektrofotométer. 19
6.7 Klorid-ion meghatározás: 1 ml szűrletet (API) hígítunk desztillált vízzel, majd ezüst-nitráttal titráljuk káliumkromát indikátorral. A titrálást a téglavörös szín állandóságig végezzük. A mért fogyást megszorozzuk 3545-el (klorid moláris tömege szorozva 100al) így kapjuk a Cl - tartalmat mg/dm 3 -ben. 20
7. Mérési eredmények Ebben a fejezetben ismertetem a munkám során elvégzett laboratóriumi vizsgálatok eredményeit. Minták jelölése egységes a mérési eredménynek összefoglalásánál: Alap: Laboratóriumi Flo-thru, 60 C-on hőkezelt, 90 C-on hőkezelt, Alap+kd: Laboratóriumi Flo-Thru kőzettel dúsítva (algyői homokkő), 60 C hk+kd: 60 C-on hőkezelt és kőzettel dúsított, 90 C hk+kd: 90 C-on hőkezelt és kőzettel dúsított 7.1 Alap technológiai paraméterek A 4. táblázatban összefoglaltam az általam elkészített Flo-Thru iszap Fann 35 reométerrel végzett mérési eredményeit (45 C-on), továbbá a ph-ját és API vízleadását. Az első oszlopban található a különböző fordulatszámok értékei (rpmben), majd a gélerősség meghatározására szolgáló 10 másodperces és 10 perces értékek. A mérések kiértékelése a 8. fejezetben található. 4. táblázat Laboratóriumi Flo-Thru öblítő folyadékának technológiai paraméterei Laboratóriumi körülmények között előállított Flo-Thru Fann 35 Alap 60 C hk 90 C hk Alap + kd 60 C hk+kd 90 C hk+kd 600 300 200 100 6 3 10" 10' 58 62.5 65 90 85 86 42.5 48.5 47.5 63 61.5 64 34.5 37.5 40.5 53 52.5 54.5 25.5 28.5 30.5 39 39 41 9 10.5 11 13.5 14 16 6.5 8 9.5 11.5 12 14 15.58 9.5 9.5 10 11.5 13 4 11 12.5 18 15 16 ph iszap 10.58 10.51 10.49 9.94 9.88 9.89 API [ml] 4 3.2 3.6 3 3.2 3.2 21
Az 5 táblázat az algyői vízszintes kútból (A-743H) származó iszap technológiai paramétereit tartalmazza. Mivel a folyadékcserét követően a horizontális szakasz kialakítása során 100 méterenkénti mintavételezés történt 2603-3100m mélységben, ezért ebben a táblázatban is hat oszlop található a fenti mintájára. 5. táblázat A-743H öblítő folyadékának technológiai paraméterei Algyő-743H Fann 35 2603 m 2700 m 2800 m 2900 m 3000m 3100m 600 300 200 100 6 3 47,5 46 44 48 52 59,5 37 35 33 36 48 45 32 30 28,5 31 33 37 25 23 22 23 24 27 11 8 7 7,5 8 9 9 6 5,5 5,5 6 7 10" 10' 9,5 6,5 5 6 6,5 7,5 11,5 8 7 7,5 8 9,5 ph iszap ph szűrlet API [ml] 3 ] 9,97 9,89 9,86 9,85 9,84 9,84 9,9 9,79 9,7 9,78 9,75 9,66 3,2 3,6 3,4 3,6 3,6 5,2 1,12 1,15 1,14 1,15 1,15 1,16 22
7.2 Vízleadás, PPT A 6. táblázatban összefoglaltam a laboratóriumban előállított Flo-Thru iszap PPT vízleadás mérővel végzett mérési eredményeit. 6. táblázat Flo-Thru minták PPT vízleadásai Laboratóriumi Flo-Thru folyadék kiszűrődés 35 mikrométres kerámia műkőzet 63 C 500 psi differenciált nyomás Idő Alap 60 C hk 90 C hk Alap+kd 60 C hk+kd 90 C hk+kd min ml 30" 9 4.8 7 3.5 3.5 4 1' 10 5.1 7.5 4.5 5.5 4.5 2' 10.5 5.5 7.75 5 5.5 5 3' 11 5.5 8 5 6 5 4' 11 5.5 8 5 6 5 5' 11 5.5 8.2 5 6 5 10' 12 6.5 9.5 5 6.2 5.5 15' 13 7 10 5 6.5 5.5 20' 14 7.2 10 5 6.5 5.5 25' 14.5 7.5 10.2 5.1 7 5.75 30' 15 7.5 10.2 5.1 7 5.75 2-es szorzóval 30 15 20.4 10.2 14 11.5 A 7. táblázatban összefoglaltam a terepi Flo-Thru iszap PPT vízleadás mérővel végzett mérési eredményeit. 23
7. táblázat A-743H folyadékminták PPT vízleadásai A-743H Folyadék kiszűrődés 35 mikrométres kerámia műkőzet 93 C 500 psi differenciál nyomás Idő 2603 m 2800 m 3000 m ml 30" 2,5 4,5 6,6 1' 3 5 7,5 2' 3,5 5,3 7,8 3' 4 5,5 8 4' 4,1 5,6 8,1 5' 4,4 5,7 8,2 10' 5,5 6,5 9 15' 6 7 9,5 20' 6,5 7,1 10 25' 6,7 7,4 10,25 30' 7 7,5 10,5 14 ml 15 ml 21 ml 24
8. Eredmények kiértékelése A 7. fejezetben tárgyalt mérési eredmények kiértékelését végeztem el. 8.1 Alap technológiai paraméterek laboratóriumi Flu-Thru esetében A Fann 35 mérésekből jól látható hogy a hőkezelés hatására egy enyhe besűrűsödés tapasztalható. Az alap mintáknál ez a teljes nyírási sebesség soron megfigyelhető, ami a viszkozitást befolyásoló polimer jobb hidratációjára utalhat. Jól látható hogy a 60 C és a 90 C-os hőkezelések közt ez a besűrűsödés már nem volt olyan jelentős mértékű, mint az alap és 60 C közötti minták esetében. Ez a reológiai paraméterekben mért növekedés még az elvárt tartományon (600as leolvasás esetében ~70 lb/100ft2 ig és a 3-as fordulatszámon pedig ~13 lb/100ft2-ig) belül van, azaz a rendszer megfelelően alakult. A kőzettel dúsított minták esetében megfigyelhető egy erőteljes reológiai növekedés az alap mintákhoz képest. Ez jól mutatja, hogy a jelentős mennyiségű finom szemcséjű kőzet drasztikus hatással lehet a viszkozitás alakulására. Ez a besűrűsödés mind a magasabb mind az alacsonyabb nyírási sebességeken megnyilvánul. A kőzettel dúsított minták esetében a hőkezelés hatása elhanyagolható, szignifikáns különbségek nem láthatók a mért eredményekben. Ez is arra utal, hogy a polimer a hőkezelés hatására megfelelően viselkedik, a kőzet általi viszkozitás növelő hatás erőteljesebb a további hidratációból származható reológia növekedésnél. Fontos megemlíteni, hogy a hőkezelésnek ph csökkentő hatása van. Jelen esetben a hőkezelés kevésbé okozott drasztikus változást, de a hosszú távú igénybevétel esetében a ph megfelelő értéken tartására mindig ügyelni kell. Ahogyan a 4. táblázatban látható az API vízleadása a hőkezelésnek jelentős hatása nincs. A finomszemcséjű kőzet a lepénybe épülve csökkenti az API vízleadást. 25
8.2 Alap technológiai paraméterek A-743H esetében A reológiai méréseken jó látható, hogy a reológiai értékek szinten tartása megfelelő volt csupán a tároló réteg vége fele látható egy enyhe növekedés, de ez nem jelentős. A ph és az API szűrletek is az elvárt értékeknek megfeleltek. Csupán az API vízleadásban volt tapasztalható a 3100 m-ben vett mintánál egy jelentősebb növekedés. Sűrűség emelkedés látható a mélység növekedésével, ez által jól nyomon követhető a folyamatos kőzetnyomás kiegyensúlyozására/meghaladására való törekvés. 8.3 PPT vízleadás laboratóriumi Flo-Thru esetében A műkőzeten történő vízleadás esetében jól megfigyelhető, hogy a viszkozitás növekedés vízleadás csökkenést okozhat. Ez az alap és hőkezelt minták esetében szembetűnő. Az alap minta fél óra után mért 30 ml-es vízleadása enyhén magasnak számít, de látható hogy ez jelentősen csökken a hőkezelés hatására. A hozzáadott finom tört kőzet vízleadás csökkentő hatása a PPT mérések esetében is (úgymint az API méréseknél) jól megfigyelhető. Az API mérések változása harmonizál a PPT mérésekkel. 8.4 PPT vízleadás terepi Flo-Thru esetében A terepi minták PPT vízleadás értékei ideálisak. A vizsgált minták esetében is megfigyelhető az API értékekkel való egyező tendencia, mint a laboratóriumi minták esetében. Összességében elmondható, hogy bár a fúrás mélyülésével a műkőzetes vízleadási értékek növekednek, még a 3000 m-ben vett mintánál mért érték is megfelelő. 26
9. Összefoglalás A Flo-Thru rendszer hidrofób hídképző és vízleadás-csökkentő adalékanyagokat tartalmaz, amellyel olyan iszaplepényt hoz létre, amely az olajkutak termeltetésekor átereszti a szénhidrogén típusú anyagokat a rétegből, ugyanakkor a vízalapú kútmunkálati folyadékokkal szemben gátat képez a réteg felé. Ennek egyik legfőbb előnye a gazdaságosság, mert bár a Flo-Thru folyadék használata költségesebb az egyéb folyadékokhoz képest mégis a művelet összességében kedvezőbb költségekkel bír. Munkám során lehetőségem nyílt betekintést nyerni a Szolnokon működő Magyar Olaj- és Gázipari (MOL) Nyrt.(Kutatás Termelés Divízió, Integrált Mezőben Alkalmazások) laboratóriumában végzett folyadéktechnológiai elemek vizsgálatára, ahol elkészítettem a Flo-Thru folyadékot laboratóriumi körülmények között. Ezután különböző vizsgálatokat hajtottam végre (mint például: alap reológia mérés, vízleadás, aktív agyag tartalom, ion koncentráció), a folyadék technológiai paramétereinek pontos megfigyelése céljából. Továbbá lehetőségem nyílt részt venni egy algyői kútban már felhasznált Flo-Thru folyadék elemzésében. Ezt követően a terepi folyadékokkal is ugyan azon vizsgálatokat végeztem el, mint a laboratóriumban elkészített folyadékokkal. Mind a laboratóriumi, mind a terepi minták elemzését követően megállapítható, hogy ez az új típusú tárolókímélő folyadék a gyakorlatban is megállja a helyét, szénhidrogén termeltetése céljából kiválóan alkalmazható. 27
Szeretnék köszönetet mondani Mátrai Andreának, a MOL Nyrt. KTD, Integrált Mezőben Alkalmazások, Kutatási laboratóriumok kutatás-művelés munkatársának, a laboratóriumi vizsgálatok elsajátításában nyújtott segítségéért és Dr. Szabó Tibornak, az Olajmérnöki Intézet adjunktusának az elméleti háttér megismertetéséért és konzultációs munkájáért. 28
10. Ábrajegyzék 1. ábra Sűrűség mérés... 2 2. ábra Fann 35 rotációs viszkoziméter... 4 4. ábra API vízleadás mérő... 6 5. ábra HPHT berendezés... 6 6. ábra PPT berendezés... 7 7. ábra Metilénkék-teszt... 9 8. ábra Flo-Thru iszap adalékanyagai... 15 9. ábra Flo-Thru laboratóriumi iszap... 16 29
11. Irodalomjegyzék 1. Molnár Zsolt: Kutatási jelnetés, Fúróiszapok optimalizálása a tárolóvédelem érdekében 2. Fann 35 készülék ismertető http://www.fann.com/products/default.aspx?navid=224&pageid=439&prodid =FPN%3a%3aJJN5QT4NQ 3. Mi Swaco Fluid technology, Flo-Thru 4. Szántó Ferenc: A kolloid kémia alapjai 5. Bárány Sándor: Polimerek diszperz rendszerekben, A kémia legújabb eredményei, 2000, Akadémiai Kiadó, Bp., 88. kötet, 1-163 ol. (2000) 6. Mátrai Andrea: Technológiai Elemzés Az Algyő-743H Fúráson Alkalmazott Flo-Thru Tárolóvédő Folyadék Technológiájának elemzése, MOL Nyrt.KTD,IMA 30