Hematite
Hämatit (rotes Eisenoxid
ist ein Oxid und Erz aus Eisen, mit der chemischen Formel Fe2O3, und eine Härte von 5,5 bis 6,5 auf der Mohs-Skala. Seine Hauptverwendung ist als Eisenquelle für die Herstellung dieses Metalls und von Stahl. Aufgrund seiner Härte, hohen natürlichen Reinheit, Fülle und niedrigen Preis, Hämatit hat zunehmend Verwendungen in Bereichen von der Schmelze entfernt gefunden, wie Öl- und Gasproduktion und Exploration, als Teil von Bohrflüssigkeiten.
Im Vergleich zu Barit genießt Hämatit Vorteile wie eine höhere spezifische Schwerkraft, eine höhere Löslichkeit in sauren Medien und eine insgesamt niedrigere Zermürbungsrate - letztere samt Härte. Eine der Hauptbehauptungen von Hämatit als Verbesserung gegenüber Barit, abgesehen von seiner reichlichen Natur, ist, dass es eine höhere spezifische Schwerkraft von 4,9 bis 5,3 g cm-3(6) hat. Aus diesem Grund können Bohrunternehmen weniger Hämatit in ihren Schlammlösungen als Barit verwenden und die gleichen Ergebnisse erzielen. Dies führt zu geringeren Kosten für das Gewicht des Schlamms und weniger feststoffhaltige Partikel, die durch den Schlamm verteilt werden. Hämatit gilt zusätzlich als eine gute Wahl für Bohrzwecke, da es unglaublich rein und schadstofffrei wie abgebaut ist. Darüber hinaus sind eine bessere Leistung in Bezug auf einen geringeren Verdünnungsbedarf, eine verbesserte Penetrationsrate und eine höhere Kapazität für Feststofftoleranz weitere Eigenschaften, die mit Hämatit als Gewichtungsmittel für Bohranwendungen verbunden sind(7). Hämatit ist ein Haupteinsatz als Bohrmittel in der Ölexploration in Tiefbohrungen(8).
Als Faustregel gilt: Je mehr Hämatit es zu einem Wasser- oder Ölschlamm hinzufügt, desto dichter wird der Schlamm sein. In einigen Regionen, in denen gebohrt wird, wurde Hämatit in den Gesteinen selbst gefunden und es wurde gezeigt, dass es als "Zement" in tiefen unterirdischen Gasreservoirs wirkt, wo die Durchlässigkeit des natürlich vorkommenden Zements proportional zu der Menge an Hämatit ist, die er enthält. Je größer Hämatit, desto weniger durchlässig der Zement und damit die bessere Konservierung der Ressource im Laufe der Zeit - in diesem Fall Erdgas(9). Magnetische Anfälligkeitsmessungen wurden verwendet, um Hämatitpräsenz zu etablieren. Im Rahmen des Bohrwege-Richtvermessungsprogramms werden magnetische Messungen durchgeführt. Solche Messungen werden nicht durch Hämatit beeinflusst (da die magnetische Abschirmung des Erdmagnetfeldes nicht in reinen Hämatitschlamm beobachtet wird), sondern kann durch Magnetit gestört werden(10). Es ist daher entscheidend, dass das hochwertigste Hämatit verwendet wird - um keinen ungebührlichen Einfluss auf lebenswichtige Messungen durch fehlerhaften Magnetit abzuleiten. Magnetit ist ein häufiger Schadstoff in einigen Hämatitquellen.
Entscheidend für jede Bohr- und Extraktionskampagne ist die Stabilität des Brunnens, auch bei der Verwendung von Bohrflüssigkeiten. Die vertikale Homogenität der Flüssigkeit ist ein starker Indikator dafür, ob der Prozess durch einen dauerhaften Betrieb stabil bleibt - wobei eine solche Homogenität mit Hämatit-basierten Schlamm relativ einfach zu erreichen ist. Gleichmäßigkeiten durch die vertikale Ebene der Hämatitschlamm erreichen oft ca. 20% (niedrigere Werte werden bevorzugt) mit hohen Druckfestigkeitswerten von mehr als 55 MPa(11).
Hämatit in Öl-basiertem Schlamm (OBM)
OBMs zeichnen sich durch eine ölbasierte kontinuierliche Phase aus, in der sich Wasser in einer dispergierten Phase neben anderen Additiven wie Emulgatoren und Gellanten befindet.
Wetting ist ein Anliegen für OBM-Bohrungen. Benetzung ist, wo Wasser an den Feststoffen im Schlamm haftet, entweder die Gewichtungsmittel oder auf andere Weise. Materialien, die anfällig für Benetzung sind, können dazu führen, dass überschüssiges Wasser in das Bohrgebiet gelangt, was zu klumpenden Feststoffen führen kann, was zu starken Ineffizienzen im Bohrprozess und einer möglichen Verschlechterung des Bohrteils führen kann. In den extremsten Fällen kann die durch Benetzung verursachte Verkokung eine Bohrstelle unbrauchbar machen. Hämatit wird als niedrig benetztes Material charakterisiert, und somit wird die Verwendung dieser über andere Gewichtungsmaterialien weniger Benetzung gewährleisten(12).
Hämatit im Wasser-basierten Schlamm (WBM)
In WBM-Anwendungen werden Schmierstoffe häufig eingesetzt, um hocheffizienteBohrungen zu gewährleisten und Reibung und Verschleiß durch Feststoffe einschließlich Wägemitteln wie Hämatit zu reduzieren. Es wurde festgestellt, dass eine 1-mal-Volumenzugabe von Tensid zum Schlammgemisch ausreichte, um die Reibungskoeffizienten um 60 zu reduzieren - was die Langlebigkeit des Bohrers erhöhte(10). In WBM-Szenarien kann Hämatit in Mengen von bis zu 20 Gewichtsprozent eingesetzt werden, wobei die Sedimentation im Vergleich zu Borit aufgrund des hohen Eisenoxidgehalts deutlich abnimmt(11).
Hämatit und Rheologie
Die Rheologie bezieht sich auf den Fluss der Materie, insbesondere im Bohrraum, den Kunststofffluss von Feststoffen. Dies sollte nicht mit Kunststoffen als Material verwechselt werden. Der Kunststofffluss ist eine Bewegung, die proportional zu einer angewendeten Kraft ist, und insbesondere bei der Erdölexploration, einer Form oder Phasenänderung, die sich aus einer solchen Kraft ergibt. Rheologische Eigenschaften werden durch das Vorhandensein fester Materialien stark beeinflusst, und daher wird das Hinzufügen von Hämatit zu einer Flüssigkeit einen Einfluss auf seine rheologische Leistung haben. Die Partikelgröße ist entscheidend (nicht mehr als 25 m, aber oft weit weniger)(15). In mehreren Studien hat Hämatit höhere Dichtewerte, bessere Gelierfähigkeit und höhere Kunststoffviskosität als Barit(16) hervorgebracht, insbesondere in tiefen Bohrtiefen. Diese Eigenschaften sind kontinuierlich bei erfolgreichen Langzeit-Tiefenbohrprojekten, die stabile Bohrungen ermöglichen.
Hämatit, Bohrflüssigkeiten und die Umwelt
Ölbohrungen sind nicht als die umweltfreundlichste Tätigkeit bekannt. Hämatit selbst ist ungiftig, aber es sollte darauf geachtet werden, dass nicht zu viel Bohrflüssigkeit freigesetzt wird, insbesondere in Meeresumgebungen, insbesondere wenn es vom OBM-Typ ist. Barit wird nur aufgrund seiner Unlöslichkeit im Wasser als ungiftig beschrieben. Wie bei allen industriellen Prozessen ist die Reduzierung der Menge des verwendeten Materials von Vorteil - Bohrabfälle sind der zweitgrößte Abfallstrom aus der Exploration(14). Hämatit-Einsatz anstelle von Barit oder Mangan kann dabei aufgrund der oben genannten höheren Dichte helfen, also einen geringeren Massenbedarf.
Überlegungen bei der Verwendung von Hämatit in Bohrflüssigkeiten
Hämatit ist ein wesentlich härteres Material als Barit. Als solches kann Hämatit selbst verschleißen, was bei Langzeitbohren neben hohen Drücken auch zu Verschleiß am Bohrer und der Säule führen kann. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verringerung der Hämatitpartikelgröße und die Sicherstellung eines engen Spektrums von Partikelgrößen einen positiven Effekt auf die Erosion von Bohrbit, d. h. weniger Erosion im Laufe der Zeit, mit vergleichbaren Zeitrahmen wie Barit verursacht(15). Es wurde vorgeschlagen, dass Hämatit nur dann ein ausreichender Ersatz für Barit ist, wenn es fein gefräst wird, bis zu einer Größe von nicht mehr als 25 m(16).
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften von Hämatit, Barit und Mangan wird in einigen Situationen eine Kombination dieser Materialien als Gewichtungsmaterialien verwendet. Beispielsweise kann eine Bohroperation die Langlebigkeit und Härte von Hämatit, die breite Trägheit von Barit und die Oxidationseigenschaften von Mangantetroxid(17) nutzen, um eine kostenlose Gewichtungsphase im Schlamm zu bieten, die der lokalen Gesteins-/Sedimentzusammensetzung entspricht(18).
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