NO172057B - Blanding inneholdende en kaustisert lignitt og sulfonert asfalt for anvendelse i boreslam, boreslam inneholdende enslik blanding, fremgangsmaate til fremstilling av blandingen og anvendelse av blandingen ved broennboring - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår boreslam. En side ved oppfinnelsen angår en blanding inneholdende en kaustisert lignitt og en sulfonert asfalt for anvendelse i boreslam. En annen side ved oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til fremstilling av en slik blanding.

Det er kjent å tilsette sulfonert asfalt til boreslam for å forbedre dettes reologiske egenskaper. Boreslam stiller, på grunn av sin natur, unike og temmelig vanskelige krav. På den ene side må slammet kunne oppvise ganske avanserte ytelseskarakteristikker, såsom å hindre nedbrytning av borekaks i akkurat riktig utstrekning, beskytte ustabil skifer, ha smøreevner og en viskositet som er tilstrekkelig lav til å tillate pumping. På den annen side må ethvert materiale som skal injiseres i en brønn i store mengder åpenbart være så billig som mulig.

Det er imidlertid et faktum at noen av tilsetningsmidlene i boreslam er forholdsvis kostbare som f.eks. den sulfonerte asfalt. Det er bare naturlig i nær sagt enhver teknologi å forsøke å bytte ut en kostbar ingrediens med en billigere en, såsom et fyllmateriale eller drøyemiddel, og dette er bare begrenset av den utstrekning i hvilken man kan tolerere den dårligere ytelse som generelt meddeles med et fyllstoff eller drøyemiddel.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å skaffe et boreslam som er både billigere og har forbedrede egenskaper. En annen hensikt med oppfinnelsen å skaffe forbedrede fremgangsmåter til dannelse av boreslamblandinger. Oppfinnelsens formål og fordeler oppnås ved de trekk som er angitt i patentkravene.

I henhold til oppfinnelsen er blandinger av en kaustisert lignitt og en sulfonert asfalt oppnådd ved at asfalten er blitt sulfonert i fravær av den nevnte lignitt, at vektforholdet mellom den sulfonerte asfalt og den kaustiserte lignitt ligger i området 3:1-1:1, særlig i området 2,5:1-1,5:1, og at blandingen eventuelt inneholder quebracho og/eller leire og/eller natriumkarboksymetylcellulose.

Der er således i henhold til oppfinnelsen skaffet et boreslam som omfatter en sulfonert asfalt hvor en porsjon av den sulfonerte asfalt er byttet ut med en kaustisert lignitt.

De boreslam som den foreliggende oppfinnelse angår er de som vanligvis er kjent i faget og omfatter vandige, oljebaserte eller emulsjonstyper. Generelt inneholder slammet findelte leirer såsom bentonitter, kaolin eller illitter, og også organiske koloider såsom natriumkarboksymetylcellulose eller natriumpolyakrylater. Ofte er guebracho en bestanddel. Egnede boreslam som kan anvendes i oppfinnelsen er beskrevet i US-PS 3 028 333.

Sulfonerte asfalter er velkjent i faget og er tilgjengelig i handelen. Uttrykket "asfalt" betegner det mørke, halvfaste eller faste hydrokarbonmateriale som er fullstendig eller stort sett oppløselig i karbondisulfid, hvor materialet bitumener er den eneste eller overveiende bestanddel. Spesielle eksempler omfatter asfaltener, maltener, blåst (blown) asfalt, ubehandlede restoljer, destillasjonsrester, bunnstrømmer fra destillasjonspanner, crackingsrester og asfaltiske bitumener. Uttrykket "sulfonert asfalt" slik det her er anvendt, er beregnet på å dekke en ammoniumsulfonert eller alkalimetallsulfonert asfalt som er blitt sulfonert med et sulfoneringsmiddel såsom flytende S03. Andre egnede sulfoneringsmidler omfatter rykende svovelsyre, klorsulfon-syre, konsentrert svovelsyre og svoveltrioksid. Fremstilling av egnede sulfonerte asfalter er beskrevet i detalj i den nevnte US-PS 3 028 333 og i US-PS 3 089 842.

Ofte brukte asfaltener er de som har 0-10 vektprosent mettede bestanddeler, 35 vektprosent maksimalt harpikser, 3 0-4 0 vektprosent aromatiske forbindelser og 20-3 0 vektprosent asfaltener.

I US-PS 4 404 108, US-PS 4 420 405 og US-PS 4 385 999 er der angitt boreslam hvor gilsonitt (en asfalt) sulfoneres med et sulfoneringsmiddel i nærvær av lignitt. I den foreliggende oppfinnelse blir imidlertid asfalt sulfonert i fravær av

lignitt.

Uttrykket "lignitt" anvendes på vanlig måte for å angi den type kull som ligger mellom torv og bituminøs kull. Foretrukken lignitt som anvendes i oppfinnelsen har et oksygeninnhold på minst 2 0 vektprosent, vanligvis i området 2 0-4 0 vektprosent, målt på tørr basis. Lignittmaterialer som har et høyt innhold av humussyrer og således er lett opp-løselige i basiske oppløsninger, er de mest foretrukne. For tiden foretrekkes leonarditt som er kjennetegnet ved sitt høye oksygeninnhold og høy alkalioppløselighet. Oppløselig-heten av leonarditt er større enn for vanlig lignitt. Som et eksempel er en typisk oppløselighet av vanlig lignitt ca. 68% i alkali, mens leonarditt har en oppløselighet på ca. 85%. Alle forhold her er angitt som vekt. En typisk leonarditt som har 8 5% oppløselighet består av 13,5% fuktighet, 71,5% humussyrer og 15% rest, mens lignitt med 67,7% oppløselighet kan ha en analyse på 15% fuktighet, 51,7% humussyre og 33,3% rest. Leonarditt er en bløt, jordaktig, middelsbrun kullignende substans som finnes sammen med frembrytende lignittforekomster i Nord-Dakota, Syd-Dakota, Montana og Texas og brytes industrielt. Normal lignitt kan omdannes til et materiale med lignende egenskaper ved oksidasjon og slik omdannet lignitt kan anvendes i fremstillingen av blandingene ifølge oppfinnelsen. Leonarditt har et oksygeninnhold som er høyere enn for andre typer lignitter, generelt 28-29% oksygen, sammenlignet med 10% oksygen i lignitt. Det høyere oksygeninnhold av leonarditt skyldes det høyere antall karboksylsyregrupper, hvilket kan forklare den store økningen i alkalioppløselighet av leonarditt sammenlignet med andre lignitter.

Vektforholdet mellom sulfonert asfalt og kaustisert lignitt ligger fortrinnsvis i området 3:1-1:1, helst 2,5:1-1,5:1.

Lignitten kaustiseres fordi det kaustiserte materiale er lett oppløselig i vann. Lignitten bør ikke foreligge under sulfoneringen av asfalten, da en slik fremgangsmåte fører til et produkt hvor lignitten sulfonerer før asfalten. Under hensyntagen til disse begrensninger er der to utførelses-former av oppfinnelsen.

I den første utførelsesform kan den ukaustiserte lignitt tilsettes sammen med kaustisk soda til den sulfonerte asfaltblanding stort sett like etter dannelsen av denne for på samme tid å kaustisere lignitten og nøytralisere den gjenværende sulfonsyre. I den andre utførelsesform blir lignitten kaustisert og enten tilsatt som sådan til oppslemmingen av sulfonert asfalt etter nøytralisering, eller den kaustiserte lignitt kan tørkes og ganske enkelt blandes fysisk med den tørkede sulfonerte asfalt. Det foretrukne kaustiseringsmiddel er kaustisk NaOH, skjønt KOH virker stort sett på samme måte. Kaustisert lignitt er tilgjengelig i handelen og kan fremstilles på en måte som er kjent i faget. Egnede fremgangsmåter til kaustisering av lignitt er beskrevet i US-PS 3 441 504.

Blandingen ifølge oppfinnelsen kan anvendes i boreslam i den samme konsentrasjon som anvendes for sulfonert asfalt. Generelt blir 0,285-28,5 g av den sulfonerte asfalt/kaustisert lignitt-blanding ifølge oppfinnelsen anvendt pr. liter.

Skjønt sulfonert asfalt er et utmerket boreslamtilset-ningsstoff for stabilisering av skiferseksjoner og hindring av dispergering av faststoffer, er den tilbøyelig til å bevirke skum i slam, og den øker også slamreologien, dvs. plastisk viskositet, flytepunkt og gelstyrke (gels). Som de nedenfor angitte data viser gir blandingen av sulfonert asfalt/kaustisert lignitt som i seg selv er mindre kostbar på grunn av de lave omkostningene av lignitten, et produkt som fremmer snarere enn reduserer egenskapene av boreslammet. F.eks. er skumdannelsen sterkt redusert, de reologiske egenskaper er forbedret i det store og hele og antifriksjons-egenskapene er stort sett uforandret.

EKSEMPEL I

Dette eksempel beskriver resultatene av skumforsøk, utført på boreslam inneholdende henholdsvis "Soltex"-tilsetningsmiddel, et tilsetningsmiddel i form av en blanding av "Soltex"/kaustisert lignitt i forholdet 3:1, et tilsetningsstoff i form av "Soltex"/kaustisert lignitt i forholdet 1:1, regnet på vekt og et kaustisert lignitt-tilsetningsstoff. Et skumforsøk ble også utført på grunnslammet som inneholdt 5 g bentonitt pr. 175 ml ferskvann.

I hvert forsøk ble 3,0 g av tilsetningsstoffet satt til 175 ml grunnslam, og blandingen ble omrørt i 10 minutter på en Multimixer. Hele blandingen ble deretter overført til en 500 ml<*>s målesylinder og tildekket. Det opprinnelige volum (volum av slam pluss skum) og skumvolumet ble målt straks etterpå og deretter målt igjen etter at systemet var blitt tillatt å stå i 10 minutter. Resultatene er angitt i tabell ;I. ;Under henvisning til forsøk 3 og 4 i tabell I er det tydelig at de opprinnelige og endelige skumvolumer var mindre enn i "Soltex"-systemet i forsøk 2, hvilket viser at skummene (overflaten) i forsøk 3 og 4 ble nedbrutt hurtigere (var mindre stabile) enn det dispergerte ("indre") skum i systemet i forsøk 2. Det dispergerte skum viser seg ved at det opprinnelige samlede volum og skumvolum var like stort. Resultatene i forsøk 1 og 5 viser henholdsvis at ingen skumming ble observert i grunnslamsystemene, og en forholdsvis liten mengde skumming ble observert i det kaustiserte lignitt-system. ;Generelt er skumming uønsket i boreslam, fordi det er skadelig for slammets reologiske egenskaper. Den reduserte skummegenskap for slammet i forsøk 3 og 4 kan derfor anses som en ønsket egenskap som fås som resultat av bruken av tilsetningsmiddelblandingene. ;EKSEMPEL II ;Dette eksempel beskriver smøreevneforsøk for blandingene av 11 Soltex"/kaustisert lignitt i boreslam. Sammenlig-ningsforsøk ble utført på grunnslammet og slam inneholdende enten "Soltex"-tilsetningsstoff (et kjent middel til forbedring av smøreevnen) eller et tilsetningsstoff i form av kaustisert lignitt. ;I hvert forsøk forelå tilsetningsstoffet i en mengde som var tilstrekkelig til å svare til 17,1 g/l, og forsøks-blandingene ble omrørt i 10 minutter på en Multimixer. Prøver ble varmrullet i 16 timer ved 71°C og avkjølt til omgivelsestemperatur før bestemmelse av friksjonskoeffisienten (FK) for hver blanding på et instrument til måling av smøreevnen ;(Baroid Lubricity Tester). FK-verdiene er definert som avlesningen på et måleinstrument dividert med 100 under den forutsetning at avlesningen er tatt ved 6 0 omdreininger pr. minutt med en belastning på 11,3 Nm på apparatet til testing av smøreevnen. Resultatene er angitt i tabell II. ;Under henvisning til resultatene i tabell II er det åpenbart at blandingene av "Soltex"/kaustisert lignitt (se forsøk 3 og 4) var virksomme for å redusere friksjonskoeffisienten av boreslammet (forbedring av smøreevnen) med ca. 3 6% i forhold til grunnslammet (forsøk 1) som ikke inneholdt noe smøremiddel. Sammenligningssystemet "Soltex" i forsøk 2 var omtrent like bra eller høyden litt bedre (40% reduksjon i friksjonskoeffisienten) enn tilsetnings-blandingene i forsøk 3 og 4 og det kaustiserte lignittsystem i forsøk 5. ;EKSEMPEL III ;Dette eksempel beskriver utprøvningen av den inhi-berende evne for blandinger av "Soltex"/kaustisert lignitt i boreslam. Sammenligningsforsøk ble utført på grunnslammet og slam inneholdende enten "Soltex" (en kjent leireinhibitor, dvs. hindrer leirepartikler i å dispergere) eller kaustisert lignitt-tilsetningsmiddel (et kjent dispergeringsmiddel). ;I hvert laboratorieforsøk ble tilsetningsmiddelet satt til 350 ml grunnslam i tilstrekkelig mengde til å svare til 17,1 g tilsetningsstoff pr. 1 grunnslam. Prøveblandinger ble omrørt i 10 minutter på en Multimixer før tilsetning av en ekvivalent mengde på 43 g/l ubehandlet bentonitt. Etter omrøring av prøven i 10 minutter ble ytterligere ubehandlet bentonitt tilsatt for å øke bentonittnivået med en ekvivalent mengde på 71 g/l i grunnslammet. Prøven ble omrørt i ytterligere 10 minutter, avkjølt til omgivelsestemperatur og utprøvet. Resultatene er angitt i tabell III. ;Idet det henvises til verdiene for den plastiske viskositet (PV) og flytepunktet (FP) i tabell III, er det tydelig at "Soltex"har evnen til å hindre dispergeringen av leirpartikler som vist ved de lavere verdier for PV og FP i forsøk 3 sammenlignet med de høyere verdier for PV og FP i forsøk 2 (grunnslam med ytterligere 71 g/l bentonitt). Systemet med "Soltex" og kaustisert lignitt i forholdet 3:1 i forsøk 4 oppviste et flytepunkt på 3,8 Pa som uttrykker et tilstrekkelig høyt nivå for leireinhibisjon. Resultatene i forsøk 5 og 6 i tabell III viser at tilstrekkelig mengde kaustisert lignitt foreligger til å bevirke leiredispersjon (som vist ved de reduserte flytepunkter og meget lave gelstyrker) til å dominere over leireinhibisjon. Det er ønskelig å hindre leiredispergering midlertidig for å tillate at borede faststoffer når overflaten og tas ut av systemet. Derfor foretrekkes 3:l-systemet over 1:1-systemet. Den lave gelstyrke viser at den kaustiserte lignitt alene ikke er tilfredsstillende i det hele tatt. ;EKSEMPEL IV ;Dette eksempel beskriver reologien av ikke-dispergerte boreslam fra ferskvann uten tilsetning av vektmidler inneholdende "Soltex"-kaustisert lignitt-tilsetningsstoffene, idet grunnslammet og boreslammene inneholder enten Soltex-tilsetningsmiddel eller kaustisert lignitt-tilsetningsmiddel. ;I hvert forsøk forelå tilsetningsmiddelet i tilstrekkelig mengde til å være ekvivalent med 17,1 g/l, og forsøks-blandingene ble omrørt i 10 minutter i en Multimixer. De "opprinnelige" egenskaper av prøvene ble bestemt før prøvene ble eldet i 16 timer ved 80°C. De varmeeldnede prøver ble avkjølt til omgivelsestemperatur, omrørt i 2 minutter i en Multimixer og de "endelige" egenskaper ble bestemt. Resultatene er angitt i tabell IV. ;Idet det henvises til vanntapresultatene ved værelses-temperatur og ved høy temperatur er det åpenbart at blandingene av "Soltex"/kaustisert lignitt ifølge forsøk 3 og 4 oppviste mer virksom vanntapregulering enn "Soltex"-systemet ifølge forsøk 2. Vanntapregulering skyldes "Soltex" og "Soltex"-holdige systemer som kan korreleres med hindringen av disintegrering av leirskifer, da vanntapet til formasjonen fremmer avskalling av leirskifer fra veggene i borehullet under boreoperasjonen. ;Under henvisning til verdiene for FP og gelstyrke i de endelige egenskaper, er det tydelig at "Soltex"-tilsetningsmiddelet meddelte grunnslamsystemet noen uønskede virkninger, noe som fremgår av de meget høyere verdier for FP og gelstyrke i forsøk 2 sammenlignet med forsøk 1. Systemet på 3:1 "Soltex"/kaustisert lignitt i forsøk 3 og 1:1 "Soltex"/kaustisert lignitt i forsøk 4 oppviste FP- og elstyrkeverdier i de ønskede områder for det system som ble undersøkt. Det kaustiserte lignittsystem i forsøk 5 oppviste noe lavere verdier for FP og gelstyrke etter 10 minutter sammenlignet med de tilsvarende verdier i grunnslamsystemet iforsøk 1, noe som antyder uønsket dispergering av det system som ble undersøkt. ;EKSEMPEL V ;Dette eksempel beskriver reologien av vektjusterte lignosulfatboreslam i ferskvann inneholdende ;*'Soltex"/kaustisert lignitt-tilsetningsstof f er, idet grunnslammet og boreslammene inneholder enten "Soltex"-tilsetningsmiddel eller kaustisert lignitt-tilsetningsmiddel.

I hvert forsøk forelå tilsetningsmiddelet i tilstrekke-lige mengder til å gi 17,1 g/l, og forsøksblandingen ble omrørt i 10 minutter i en Multimixer. De "opprinnelige" egenskaper av prøvene ble bestemt før eldning av prøvene i 16 timer ved 80°C. De varmeeldnende prøver ble avkjølt til omgivelsestemperatur og omrørt i 2 minutter i en Multimixer, og de "endelige" egenskaper ble bestemt. Resultatene er angitt i tabell V.

Under henvisning til verdiene for vanntap i tabell V er det tydelig at systemene som inneholder "Soltex"/kaustisert lignitt-tilsetningsmidler (forsøk 3 og 4) oppviste vanntap som var sammenlignbare med dem for "Soltex"-systemet i forsøk 2, hvilket igjen var overlegent hva vanntapregulering angår i forhold til det som ble oppvist av grunnslam i forsøk 1 som ikke inneholdt noe tilsetningsmiddel.

EKSEMPEL VI

Dette eksempel beskriver fremstillingen og vannopp-løselighetstestingen av et boreslam-tilsetningsmiddel beskrevet i US-PS 4 420 405. Det tidligere kjente materiale ble fremstilt ved reaksjonen av gilsonitt (et naturlig forekommende asfalt), lignitt og natriumsulfitt i en vandig oppløsning av natriumhydroksid.

En blanding av gilsonitt (55 g) og Tannathin-lignitt (20 g) ble matet til en omrørt oppløsning på 5 g natriumhydroksid i 150 ml avionisert vann. En 20 g's prøve av natriumsulfitt ble satt til oppslemmingen. Denne oppslemming ble varmvalset ved ca. 121°C i 3 timer i en lukket beholder før oppslemmingen ble tørket i en ovn ved ca. 93,3<0>C. Det tørkede materiale ble pulverisert til et pulver. Dette pulver er heretter betegnet som "SG".

Vannoppløseligheten av "SG" og tilsetningsmidlene ifølge tabell I, nemlig "Soltex", 3:1 "Soltex"/kaustisert lignitt og 1:1 "Soltex"/kaustisert lignitt ble bestemt ved Soxhlet-ekstraksjonsmetoden. SG-prøven viste seg å være bare 40% oppløselig i vann, mens "Soltex" og de "Soltex"-holdige tilsetningsstoffer som angitt ovenfor oppviste henholdsvis 71%, 74% og 76% oppløselighet i vann. Denne forholdsvis lave oppløselighet av SG-materialet i vann angir sannsynligvis en lav sulfoneringsgrad for gilsonittet. Det er generelt ønskelig at vannbaserte boreslamtilsetningsstoffer oppviser en oppløselighet på mer enn 50% i vann.

EKSEMPEL VII

Dette eksempel viser laboratorieforsøk for slamreologi på SG-boreslamtilsetningsmiddelet (sulfonert gilsonitt) fremstilt i eksempel VI. SG-tilsetningsmiddelet ble utprøvet i det ikke-dispergerte, ikke-vektede ferskvannsslam brukt i eksempel IV og det vektede ferskvanns-lignosulfonatslam brukt i eksempel V. Resultatene er angitt i tabell VI og VII. Resultatene for systemene inneholdende "Soltex" og "Soltex"-blandinger fra tabell IV (forsøk 2, 3 og 4) og tabell V (forsøk 2, 3 og 4) er også tatt med for sammenlignings skyld.

Under henvisning til resultatene for vanntapregulering ved høy temperatur i tabell VI er det tydelig at de "Soltex"-holdige tilsetningsstoffer i forsøk 2, 3 og 4 ga bedre vanntapregulering ved høy temperatur enn det tidligere kjente sulfonerte gilsonittsystem (SG) (forsøk 1).

Under henvisning til verdiene for tap i tabell VII er det tydelig at de "Soltex"-holdige tilsetningsmidler i forsøk 2, 3 og 4 ga litt bedre vanntapregulering enn det tidligere kjente sulfonerte gilsonittsystem (forsøk 1).

Claims (9)

1. Blanding for anvendelse i boreslam inneholdende en kaustisert lignitt og en sulfonert asfalt, karakterisert ved at asfalten er blitt sulfonert i fravær av den nevnte lignitt, og vektforholdet mellom den sulfonerte asfalt og den kaustiserte lignitt ligger i området 3:1-1:1, særlig i området 2,5:1-1,5:1, og at blandingen eventuelt inneholder quebracho og/eller leire og/eller natriumkarboksymetylcellulose.

2. Blanding som angitt i krav 1, karakterisert ved at den sulfonerte asfalt er et ammoniumsalt eller et alkalimetallsalt av sulfonert asfalt, særlig hvor alkalimetallet er natrium.

3. Boreslam omfattende et væskemedium, karakterisert ved at væskemediet omfatter en blanding som angitt i et av de foregående krav i en mengde på 0,285-28,5 g/l regnet på mengden av slammet, særlig hvor slammet er et vannbasert boreslam eller hvor slammet er valgt fra oljeholdige boreslam, olje/vann-emulsjoner og vann/olje-emulsjoner.

4. Slam som angitt i krav 3, karakterisert ved at slammet også inneholder quebracho og/eller leire og/eller natriumkarboksymetylcellulose, særlig leire og natriumkarboksymetylcellulose, spesielt bentonittleire.

5. Fremgangsmåte til fremstilling av en blanding av sulfonert asfalt og kaustisert lignitt, karakterisert ved sulfonering av en asfalt og deretter kombinasjon av den således sulfonerte asfalt med lignitt og et kaustisk middel og deretter utvinning av blandingen.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved sulfonering av en asfalt, separat kaustisering av lignitt, og deretter kombinasjon av den således sulfonerte asfalt og den således kaustiserte lignitt.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at den sulfonerte asfalt nøytraliseres og tørkes før den kombineres med den nevnte kaustiserte lignitt.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 5-7, karakterisert ved at sulfoneringsmiddelet er flytende S03 og kaustiseringsmiddelet er kaustisk NaOH.

9. Anvendelse av boreslam som angitt i krav 3 eller 4 til boring av en brønn med brønnboringsverktøy hvor boreslammet sirkuleres i brønnen.