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Hämatit in Ölbohranwendungen

Hämatit ist ein Mineral, das in der Ölförderungsindustrie als Bestandteil in Bohrflüssigkeiten verwendet wird. Bohrflüssigkeiten sind oft wasser- oder ölbasiert und die Zugabe von Hämatit - die wie Manganoxide und Barit - zu einer zunehmenden Dichte in der Flüssigkeit beitragen.

Dies ist besonders nützlich, da die Hauptfunktionen von Bohrflüssigkeit darin bestehen, den hydrostatischen Druck am Bohrplatz aufrechtzuerhalten (um das Eindringen von Formationsflüssigkeiten in die Bohrung zu verhindern), Bohrschnitte durchzuführen und den Bohrer während des Bohrvorgangs kühl und relativ schadstofffrei zu halten. Bohrflüssigkeiten verhindern Ausblasen.

Die häufigsten Bohrflüssigkeiten in allen Ölextraktionsoperationen sind Ölschlamm (OBM) und Wasserschlamm (WBM). In diesen "Schlamm" ist der größte Bestandteil Bentonitton, gemischt mit Öl oder Wasser, ergänzt durch alle gewünschten Zusatzstoffe(1). Hämatit ist ein solches Additiv und wird als Gewichtungsmittel beschrieben. "Mud" ist ein häufig verwendeter Begriff, um Bohrflüssigkeiten zu beschreiben, da Tone der größte Bestandteil in einem großen Anteil an Bohrflüssigkeiten sind.

Bohrflüssigkeiten sind für die petrochemische Exploration unerlässlich, da sie effizientes Bohren in die Zieltiefen ermöglichen, um die Öl- und/oder Gaslagerstätte zu erreichen. Eine moderne Ölförderung wäre ohne Bohrflüssigkeiten fast unmöglich(2). Während des Bohrens werden fünf Schlüsselfaktoren im Schlamm gemessen, um den anhaltenden Erfolg zu gewährleisten: Rheologie, Dichte, Flüssigkeitsverlust, Feststoffgehalt und chemische Eigenschaften. Hämatit, als Gewichtungsmittel, befasst sich in erster Linie mit Dichte und Feststoffgehalt; sowie Rheologie.

Bohrinsel

Einführung in Gewichtungsmittel

Der Bohrflüssigkeit werden Gewichtungsmittel zugesetzt, um die Modulation und Optimierung einer Bohrflüssigkeit für eine bestimmte Anwendung, z. B. durch bestimmte Hartgesteinstypen oder in extremen Tiefen, zu ermöglichen. Sie werden oft verwendet, um dichte Konzentrationen in der Flüssigkeit zu halten, hohe Formationsdrücke zu lindern und eine Konsistenz bei der Verdrängung von Schlamm und anderen Ablagerungen zu gewährleisten. Als Faustregel gilt: Je tiefer die Bohrung, desto mehr Gewichtungsmittel ist erforderlich.

Baryt und Mangan

Barit, aus dem griechischen Wort barus bedeutet "schwer", ist der am häufigsten verwendete Zusatzstoff bei Ölbohrungen als Gewichtungsmittel(3) und ist ein Mineral, das aus Bariumsulfat besteht. Aufgrund seiner hohen spezifischen Schwerkraft von 3,9 bis 4,4 g/cm3ist es ein weit verbreitetes Wägemittel. Die Verwendung von Barit ist nicht ohne Probleme, aber Barit-Sag ist ein Phänomen, bei dem Feststoffe in Suspension in der Flüssigkeit aus der Suspension fallen und sich bei hohen Temperaturen und Drücken(4) absetzen, was zu Problemen mit laufenden Bohrungen und einem eventuellen Betriebsstillstand führt. Barit-Sag kann teilweise durch die Zugabe von Ilmenit und anderen Metalloxiderzen gelindert werden. Darüber hinaus übersteigt die Nachfrage nach Barit die Produktion bei weitem. Es ist daher zwingend erforderlich, dass alternative Gewichtungsmaterialien identifiziert werden.

Manganverbindungen, Mangan(ii) und (ii) Oxid, abgeleitet aus Hausmanniterz, werden auch häufig als Gewichtungsmittel eingesetzt. Aufgrund seiner Fähigkeit, kleine, kugelförmige Partikel zu bilden, stellen Manganoxide die Herausforderung eines höheren Partikelverlustes bei hohen Temperaturen dar, was zusätzliche Schritte zum Negieren erfordert(5).

Hämatit in flüssiger Form

Hematit

Hämatit (rotes Eisenoxid)

ist ein Oxid und Erz aus Eisen, das die chemische Formel Fe2O3trägt, 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 Schlagzeilen 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/cm3(6) Hat. 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).

Hämatitpulver
Hämatitpulver

Hämatit in Schlamm auf Ölbasis

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. Hämatit wird als niedrig benetztes Material charakterisiert, und daher wird die Verwendung dieser über andere Gewichtungsmaterialien weniger Benetzung gewährleisten(9).

Hämatit in Schlamm auf Wasserbasis

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

Rheologie bezieht sich auf den Fluss der Materie, und insbesondere im Bohrraum, der Kunststofffluss von Feststoffen (dies sollte nicht mit Kunststoffen als Materie verwechselt werden)l. 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)(12). In mehreren Studien hat Hämatit höhere Dichtewerte, bessere Gelierfähigkeit und höhere Kunststoffviskosität als Barit(13) hervorgebracht, insbesondere in tiefen Bohrtiefen. Diese Eigenschaften sind kontinuierlich bei erfolgreichen Langzeit-Tiefenbohrprojekten, die stabile Bohrungen ermöglichen.

flüssigkeitsgekühlter Bohrkopf
Bohranlage

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).

Hämatitschlamm auf Bohrschacht
Bohranlage

Zusammenfassung

  • Hämatit wird schnell zu einer beliebten Wahl als Gewichtungsmittel in Bohrflüssigkeiten für Produktionsanwendungen im Öl- und Gassektor
  • Hämatit, das sowohl in öl- als auch in wasserbasierten Schlammflüssigkeiten verwendet wird, bietet verbesserte rheologische Eigenschaften, und eine höhere spezifische Schwerkraft bedeutet, dass weniger davon im Vergleich zu seinen Wettbewerbern verwendet werden kann, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.
  • Hämatit wird geschätzt, weil er sehr rein an der Stelle der Mine und sehr hart, zusätzlich zu wirtschaftlich attraktiv
rotes Eisenoxidpulver im Topf

Verweise

1 G. R. Gray et al., Drilling Fluid Components, in Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, 7th ed., Elsevier, Cambridge, MA, Vereinigte Staaten, 2017

2 J. M. Davies und P. F. Kingston, Sources of Environmental Disturbance associated with Offshore Oil and Gas Developments, North Sea Oil and Gas Resource - Environmental Impacts and Responses, Elsevier, London, 1992

3 M. E. McRae, Barite 2016 Materials Yearbook, United States Geological Survey, Washington DC, 2016

4 A. Mohamed et al., Nachhaltigkeit, 2009, 11, 5617

5 A. M. Al Moajil et al., Evaluation of Dispersants for Drilling Fluids based on Mangan ese Tetraoxide, in: IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition, Tianjin, 2012

6 J. P. Rupert et al., The Effects of Weight Material Type and Mud Formation on Penetration Rate Using Invert Oil Systems, in: SPE Annual Technical Conference, San Antonio, TX, United States, 1981

7 J. Tovar et al., An Improved Hematit for Drilling Fluids, in: SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Caracas, 1999

8 S. D. Ukeles und B. Grinbaum, Drilling Fluids, in: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed., Wiley, Weinheim, Germany, 2000

9 J. T. Cline et al., Wettability Preferences of Minerals Used in Oil-Based Drilling Fluids, in: SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, 1989

10 J. M. Gonzélez et al., Kolloide und Oberflächen A: Physicochem. Eng. Asp., 2011, 391, 216

11 P. Ranjan und A. Dutta, Int. J. Dev. Res., 2017, 7, 16806

12 P. Xu et al., R. Soc. Öffnen Sci., 2018, 5, 180358

13 P. O. Ogbeide und S. A. Igbinere, FUTOJNLS, 2016, 2, 68

14 S. I. Onwukwe und M. S. Nwakaudu, Int. J. Env. Sci. Dev., 2012, 3, 252

15 G. Quercia et al., Wear, 2009, 266, 1229

16 A. Tehrani et al., Alternative Drilling Fluid Weighting Agents: A Comprehensive Study on Ilmenite and Hematit, in: IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition, Fort Worth, TX, United States, 2014

17 A. M Al Moajil et al., Entfernung von Filterkuchen aus Mangan-Tetraoxid-bohrflüssigkeiten, in: SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, LA, United States, 2008

18 US-Patent US6248698B1, 1999, abgelaufen