Synthesis and development of smart drilling fluids using nanoparticles to tailor their transport properties for enhanced drilling operations
Creators: name: Βρύζας, Ζήσης Στ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Νανοσωματίδια
Υγρά εξόρυξης
Νανορευστά
Ρεολογία
Nanoparticles
Drilling fluids
Nanofluids
Rheology

description: Η γεώτρηση αποτελεί την πλέον δαπανηρή εργασία σε μια καμπάνια εξεύρεσης και παραγωγής υδρογονανθράκων. Πέραν αυτού συνιστά και την μοναδική διεργασία που δίνει τη δυνατότητα ακριβούς προσδιορισμού των αποθεμάτων στο υπέδαφος. Ως ρευστό γεώτρησης (drilling fluid) χρησιμοποιείται συνήθως ένα αιώρημα πηλού και άλλων υλικών σε νερό. Λόγω των ολοένα πιο βαθιών αλλά και περίπλοκων γεωλογικών σχηματισμών υπάρχει τεράστια ανάγκη από την πετρελαική βιομηχανία για καινούργια και περισσότερο αποδοτικά γεωτρητικά ρευστά τα οποία θα μπορούν να ανταπεξέλθουν στα ολοένα και πιο απαιτητικά περβάλλοντα θερμοκρασίας και πίεσης. Η απώλεια ρευστού κυκλοφορίας (fluid loss) είναι ένα από τα σημαντικότερα και πλέον δαπανηρά προβλήματα κατά την διαδικασία μιας γεώτρησης. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για την βελτίωση των γεωτρητικών ρευστών με την χρήση νανοσωματιδίων, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν τις ιδιότητες των γεωτρητικών ρευστών όταν προστίθενται ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις (&lt;1 wt%). Σε αυτή την εργασία, εξετάστηκαν διάφορα εμπορικά νανοσωματίδια (Fe2O3, Fe3O4, SiO2) καθώς επίσης συντέθηκαν, με την μέθοδο της συγκαταβύθισης, νανοσωματιδία μαγνητίτη (custom-made Fe3O4), με και χωρίς επικάλυψη κιτρικού οξέος, τα οποία ερευνήθηκαν ως προς την ικανότητα τους να βελτιώσουν τις ρεολογικές ιδιότητες και την απώλεια ρευστών σε αιωρήματα μπετονίτη. Προκειμένου να χαρακτηρισθούν φυσικοχημικά τα αιωρήματα υπέστησαν ξήρανση με κοκκοποίηση σε θερμοκρασία υγρού Ν2 και κρυοξήρανση. Η μορφολογία, η κρυσταλλική δομή και οι επιφανειακές ομάδες των ξηρών κόνεων εξετάσθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία HR-TΕM, περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φυσική ρόφηση Ν2 και φασματοσκοπία FTIR. Οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων μπετονίτη με τα νανοσωματίδια και οι διάφορες δομές που δημιουργούνται και πως τελικά αυτές επηρεάζουν τις ρεολογικές ιδιότητες των αιωρημάτων εξετάστηκαν με το HR-TEM στους 25°C και 60°C. Με βάση τις εικόνες από το HR-TEM, ένα μοντέλο αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφορετικών τύπων νανοσωματιδίων και σωματιδίων μπετονίτη δημιουργήθηκε για πρώτη φορά για τέτοια αιωρήματα. Οι ρεολογικές ιδιότητες των παραγόμενων δειγμάτων εξετάστηκαν και σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης (μέχρι 70°C) με την χρήση περιστροφικού ιξωδόμετρου (Grace M3600) αλλά και σε συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (69 bar-121°C) (Chandler 7600 HPHT viscometer). Οι ρεολογικές μετρήσεις έδειξαν ότι η προσθήκη των νανοσωματιδίων βελτιώνει σημαντικά τις ρεολογικές ιδιότητες των αιωρημάτων μπετονίτη στις διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Οι απώλειες ρευστών (fluid loss) εξετάστηκαν με φιλτροπρέσες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (20.7 bar και 121°C) οι οποίες υπολογίζουν τον ρυθμό διήθησης του πολφού μέσω του χρησιμοποιούμενου φίλτρου (κεραμικός δίσκος). Η μεγαλύτερη μείωση στην απώλεια ρευστών επιτεύχθηκε για το δείγμα που περιείχε 0.5 wt% custom-made Fe3O4 με μείωση -40% σε σχέση με το αρχικό δείγμα μπετονίτη που δείχνει την τεράστια ικανότητα των νανοσωματιδίων να βελτιώσουν σημαντικά τις απώλειες ρευστών ακόμα και σε τόσο μικρές συγκεντρώσεις. Τα νανοσωματίδια δείχνουν πολλές ελπιδοφόρες δυνατότητες σε εφαρμογές γεωτρήσεων αφού έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν ή και να λύσουν το πρόβλημα της απώλειας ρευστών, όταν προστίθενται ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις (&gt;0.5 wt%), ενώ ταυτόχρονα βελτιστοποιούν τις ρεολογικές ιδιότητες των γεωτρητικών ρευστών. Η χρήση τους για την ανάπτυξη βελτιωμένων γεωτρητικών ρευστών υπόσχεται να αλλάξει την βιομηχανία των γεωτρήσεων και να την βοηθήσει να εξορυχθούν πολύπλοκοι γεωλογικοί σχηματισμοί πιο αποδοτικά αλλά και οικονομικά.
description: Drilling deeper to discover new oil and gas reservoirs in hostile environments, extended horizontal sections and multi-fractured zones, necessitates the improvement of the existing drilling fluids or the design of new ones in order to meet the technological demands. The key challenge in developing such drilling fluids is to ensure stable filtration and rheological properties, but also to enable their judicious customization, particularly for high pressure-high temperature (HP/HT) applications. Thus, the search is under way to develop smart drilling fluids to address the severe technological challenges. This study aimed to develop specifically engineered water-based drilling fluids for optimum drilling performance and minimum environmental impact by using commercial (C) hematite (Fe2O3) nanoparticles (NP), commercial (C) magnetite (Fe3O4) nanoparticles (NP), custom-made (CM) bare (CM-B) and citric-acid coated (CM-CA) Fe3O4 NP and C nanosilica (SiO2) as drilling fluid additives. A 7 wt% water-bentonite suspension was used as the base fluid and the different NP were added at different concentrations (0.5 wt%, 1.5 wt% and 2.5 wt%). A range of physico-chemical techniques were employed to characterize the NP such as, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), N2 sorption, a superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer and High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM). The rheological measurements were performed at different temperatures (up to 70°C) and ambient pressure using a Couette type viscometer. Filtration characteristics were determined at elevated pressures and temperatures using a HP/HT filter press (at 21 bar and 176˚C). Filter cake surface morphology was evaluated using scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). The findings confirm that the association of the nanoparticles with the bentonite platelets in different configurations plays a critical role in the rheological characteristics of aqueous bentonite suspensions. Addition of C Fe3O4 NP as well as CM (both bare and citric acid coated) Fe3O4 NP affected the rheological profile of bentonite-based drilling fluids up to 70˚C by increasing yield stress and viscosity. SiO2 NP adversely affected the rheology of water bentonite suspensions by decreasing the yield stress. Aging at 176°C/350˚F for 16 hours showed that the CM-CA (citric-acid coated) Fe3O4 NP remained stable with minor changes in rheological properties. Optimum concentration of NP was determined at 0.5 wt%. At this concentration the CM-CA Fe3O4 NP yielded maximum filtration reduction by 40% at HP/HT conditions compared to that of the base fluid, and was even greater (-43%) after thermal aging. These results indicated that the newly developed nano-enhanced drilling fluids can significantly reduce the fluid loss which in turn leads to great cost savings. This research has shown that nano-based drilling fluids can offer unprecedented potential for enhanced drilling operations. Engineering high performance drilling fluid systems with excellent rheological and filtration characteristics at HP/HT environments can help operators run at peak efficiency by achieving the reservoirs’ highest potential, while eliminating the use of aggressive and potential damaging chemicals and minimizing non-productive time and formation damage risks.