Гематит в приложениях для бурения нефтяных скважин

Один из самых повсеместных руд железа гематит и он находит использует далеко за пределами доменной печи: в качестве важного компонента в некоторых современных буровых жидкостей для бурения нефти и газа. Индустрия геологоразведочных работ высоко ценит гематит за его характеристики производительности, высокую чистоту и низкую стоимость. Гематит доступен от африканского Пегматита, измельченных до требовательных спецификаций для готовых к работе приложений.

Гематит является минералом, используемым в нефтедобывающей промышленности в качестве компонента в буровых жидкостях. Буровые жидкости часто на водной или нефтяной основе и добавление гематита - которые, как оксиды марганца и барит - способствуют увеличению плотности в жидкости.

Это особенно полезно, так как основными функциями буровой жидкости являются поддержание гидростатического давления на буровой площадке (для предотвращения попадания жидкостей в скважину), проведение буровых вырезок и поддержание буровой немного прохладной и относительно свободной от загрязняющих веществ в процессе бурения. Буровые жидкости предотвращают выбросы. Кроме того, буровые жидкости можно рассматривать как действующие в качестве смазочных материалов для определенных этапов процесса бурения.

Наиболее распространенными буровыми жидкостями в операциях по добыче нефти и газа являются грязь на основе нефти (OBM) и грязь на водной основе (WBM). В этих «грязях» самым большим компонентом является бентонитная глина, смешанная с маслом или водой, дополненная любыми желаемыми добавками (1). Гематит является такой добавкой, и описывается как взвешивание агента. Как следует из их названия, весовых средств добавить вес (т.е. плотность) в грязь, а это означает, что буровая жидкость будет присутствовать на буровой головки в течение более длительного периода - важно, учитывая, как долго определенные режимы бурения, особенно через более жесткие формы породы. «Грязь» — это широко используемый термин для описания буровых жидкостей, из-за того, что глины являются самым крупным компонентом в большой доле буровых жидкостей.

Буровые жидкости имеют важное значение в нефтехимической разведке, поскольку они позволяют эффективному бурению на целевые глубины достичь месторождения нефти и/или газа. Современная добыча нефти была бы практически невозможна без буровых жидкостей (2). Во время бурения в грязи измеряются пять ключевых факторов: реология, плотность, потеря жидкости, содержание твердых веществ и химические свойства. Гематит, как взвешивание, в первую очередь связан с плотностью и содержанием твердых веществ; а также реология.

Введение в вес агентов

Взвешенные агенты добавляются в буровую жидкость, чтобы обеспечить модуляцию и оптимизацию буровой жидкости для конкретного применения, например, через определенные типы твердых пород, или на экстремальных глубинах. Они часто используются для поддержания уровня плотности жидкости, смягчая высокое давление образования и обеспечивая последовательность в смещении грязи и других обломков. Как правило, чем глубже скучно, тем больше взвешивания агент не требуется.

Барит и марганец

Барит, от греческого баруса, означающего «тяжелый», является наиболее часто используемой добавкой в бурении нефти в качестве весяющего агента (3), и является минералом, состоящим из сульфата бария. Благодаря высокой специфической гравитации от 3,9 до 4,4 г/см^3,он является широко используемым веществом для взвешивания. Использование барита не без проблем, однако. Барит провисание является явлением, при котором твердые тела в подвеске в жидкости выпадают из подвески и оседают при высокой температуре и давлении (4), вызывая проблемы с продолжающимся бурением и возможной остановкой работы. Барит провис может быть частично смягчен путем добавления ильменита и других металлических оксидовых илиатных или других металлических окиси. Кроме того, спрос на барит значительно превышает производство. Таким образом, крайне важно, чтобы были определены альтернативные материалы взвешивания.

В качестве агентов взвешивания широко используются марганцевые соединения, марганец (ii) и (ii) оксид, полученный из гаусманнитной руды. Из-за своей способности образовывать небольшие, сферические частицы, оксиды марганца представляют собой проблему более высокой потери частиц при высоких температурах, что требует дополнительных шагов, чтобы свести на нет(5).

Гематит

Гематит (красный оксид
железа является оксидом и рудой железа,_{несущий химическую формулу}Fe₂O 3 , и твердость от 5,5 до 6,5 по шкале Мохс. Его основное использование в качестве источника железа для производства этого металла и стали. Благодаря своей твердости, высокой естественной чистоте, изобилию и низкой цене, гематит обнаружил все большее применение на месторождениях, удаленных от плавки, таких как добыча нефти и газа и разведка, как часть буровых жидкостей.

По сравнению с баритом, гематит обладает такими преимуществами, как более высокая специфическая гравитация, большая растворимость в кислых носителях и общая более низкая скорость истощения - последняя из-за своей твердости. Один из заголовков гематита утверждает, как улучшение по сравнению с баритом, в стороне от его обильный характер, является то, что он имеет более высокую специфическую гравитацию от 4,9 до 5,3 г^{см -3}(6). Из-за этого, буровые компании могут использовать меньше гематита в своих грязевых решений, чем барит, и достичь тех же результатов. Это приводит к снижению стоимости веса грязи, и меньше твердых частиц, рассеянных по грязи. Гематит дополнительно рассматривается как хороший выбор для бурения использует, как это невероятно чистый и загрязняющих людей бесплатно, как добывается. Кроме того, более высокая производительность с точки зрения снижения потребности в разбавлении, повышения скорости проникновения и более высокой мощности толерантности к твердым телам являются другими качествами, связанными с гематитом в качестве взвешивания для применения буровых установок (7). Основное использование Hematite в качестве бурового агента в разведке нефти находится в глубоком бурении (8).

Как правило, чем больше гематита добавляется в грязь на водной или масляной основе, тем плотнее будет грязь. В некоторых регионах, где происходит бурение, гематит был обнаружен в самих породах и было показано, что он действует как "цемент" в глубоких подземных газовых резервуарах, где проницаемость естественного цемента пропорциональна количеству гематита, которое он содержит. Чем больше уровень гематита, тем менее проницаем цемент, а значит, и лучше консервация с течением времени ресурса - в данном случае природного газа (9). Измерения магнитной восприимчивости использовались для установления присутствия гематита. В рамках программы направленного обследования скважин проводятся магнитные измерения. Такие измерения не влияют на гематит (так как магнитное экранирование магнитного поля Земли не наблюдается в чистых гематитовых грязи), но может быть возмущено магнетитом (10). Поэтому крайне важно использовать гематит высочайшего качества, с тем чтобы не оказывать чрезмерного влияния на жизненно важные измерения, вызванные странствующим магнетитом. Магнетит является распространенным загрязнителем в некоторых источниках гематита.

Решающее значение для любой кампании бурения и добычи имеет стабильность скважины, в том числе при использовании буровых жидкостей. Вертикальная однородность жидкости является сильным показателем того, будет ли процесс оставаться стабильным через устойчивую работу - с такой однородности относительно легко достичь с гематит основе грязи. Единообразия через вертикальную плоскость гематитовых грязи часто достигают ca. 20% (предпочтительнее более низкие значения) с высокими значениями сжатия прочности свыше 55 MPa(11).

Гематит в масляной грязи (OBM)

OBMs характеризуются наличием непрерывной фазы на основе масла, с водой в рассеянной фазе наряду с другими добавками, такими как эмульгаторы и гельланты.

Смачивание является проблемой для бурения OBM. Смачивание, где вода придерживается твердых веществ в грязи, либо взвешивания агентов или иным образом. Материалы, которые склонны к смачиванию может привести к избыточной воды для достижения области бурения, что может привести к слипанию твердых веществ, что приводит к серьезным неэффективности в процессе бурения и потенциальной деградации бурового бита. В самых крайних случаях слипание, вызванное смачиванием, может сделать буровое место неработоспособным. Гематит характеризуется как материал с низким смачиванием, и, таким образом, использование этого помимо других материалов для похудения обеспечит меньше смачивания (12).

Гематит в грязи на водной основе (WBM)

В приложениях WBM смазочные материалы часто используются для обеспечения высокоэффективного бурения и уменьшения трения и износа, вызванных твердыми веществами, включая вегетационные агенты, такие как гематит. Было установлено, что 1 по объему добавление сурфактанта в грязевую смесь было достаточно, чтобы уменьшить коэффициенты трения на 60 - увеличение долговечности буровой бит (10). В сценариях WBM гематит может использоваться в количествах до 20 по весу, при заметном снижении осадков по сравнению с буритом из-за высокого содержания оксида железа (11).

Гематит и реология

Реология относится к потоку материи, и особенно в буровом пространстве, пластиковый поток твердых веществ. Это не следует путать с пластмассами в качестве материала. Пластиковый поток представляет собой движение, пропорциональное применяемой силе, и, в частности, в разведке нефти, форма или фазовое изменение в результате такой силы. Реологические свойства глубоко зависят от наличия твердых материалов, и поэтому добавление гематита в жидкость будет иметь влияние на его реологические характеристики. Размер частиц имеет решающее значение (не более 25 мкм, но часто гораздо меньше)(15). Через несколько исследований, гематит произвел более высокие значения плотности, лучше гелеобразуя способность и более высокую вязкость пластика, чем барит (16), особенно на глубоких скучных глубинах. Эти качества непрерывны с успешными долгосрочными проектами глубокого бурения, предоставляя стабильные скважины.

Гематит, буровые жидкости и окружающая среда

Бурение нефти не известно как наиболее экологически чистая деятельность. Гематит сам по себе не токсичен, но следует проявлять осторожность, чтобы не выпускать слишком много буровой жидкости, особенно в морской среде, особенно если он относится к типу OBM. Барит описывается как нетоксичный только из-за его несолености в воде. Как и во всех промышленных процессах, сокращение количества любого используемого материала является выгодным - буровые отходы является вторым по величине потоком отходов, происходящих из разведки (14). Использование гематита вместо барита или марганца может помочь в этом из-за вышеупомянутой более высокой плотности, таким образом, более низкой потребности в массе.

Соображения при использовании гематита в буровых жидкостях

Гематит является значительно более твердым материалом, чем барит. Таким образом, гематит сам по себе может вызвать износ на буровой бит и колонку в долгосрочных ситуациях бурения, в дополнение к при высоком давлении. Исследования показали, что уменьшение размера частиц гематита и обеспечение узкого диапазона размеров частиц положительно влияют на эрозию буровых битов, т.е. меньшую эрозию с течением времени, с сопоставимыми временными рамками с баритом (18). Было предложено, что гематит является лишь достаточной заменой барита, если он мелко измельчается до размера не более 25 мкм (19).

Из-за выгодных свойств гематита, барита и марганца, в некоторых ситуациях сочетание этих материалов используется в качестве взвешивания материалов. Например, буровая операция, возможно, пожелает воспользоваться долговечностью и твердостью гематита, широкой инертностью барита и свойствами окисления марганца тетроксида (20), чтобы обеспечить бесплатную фазу взвешивания в грязи, подходящую для местного состава породы/осадочных пород (21).

жизнь после бурения: будущее и вниз по течению использует для бурения жидкостей, содержащих гематит

Гематитовые буровые жидкости могут быть использованы в других методах, помимо буровых жидкостей. Их реологические свойства, твердость и плотность делают их привлекательными материалами для небольшого выбора новых применений.

Оставаясь в буровом секторе, исследования показали, что гематит буровые жидкости могут быть использованы в качестве основного компонента в цементе для облицовки буровых скважин. Это приложение опирается на твердость гематита, стабильность грязи и относительную легкость формирования его в конкретный тип материала. Патентная литература показывает, что формирование богатой гематитом буровой жидкости в цементирующие стены для бурения скважин так же просто, как смешивание буровой жидкости с традиционным цементным материалом и диспергатором, таким как стирен кополимер (22). Авторы ссылаются на весьма подходящие свойства вязкости, достигнутые, что делает возможным лечение на месте при использовании канала. Комментариев по гематиту, содержащем буровые жидкости и поццоланические свойства грязи, не было.

Для стабильности осаждения в направленных скважинах, где гематитовая буровая жидкость используется в качестве цементной добавки, было отмечено, что наибольшие уровни стабильности цемента, когда материал производится под более низкими углами наклона из-за повышенной скорости осаждения частиц (23). В сущности, это означает, что в то время как гематит в цементе для подкладки скважины является отличным выбором, лечение такого бетона будет менее эффективным под более высокими углами - средства, такие как более высокие поццолановые материальные добавки могут быть рассмотрены.

Хотя, возможно, нишевая область, гематит, содержащий цемент и бетонные материалы, были использованы в качестве защитных барьеров в районах с высокой радиацией (24). Многие железосодержащие материалы уже давно используются в применениях радиационной профилактики. Добавление гематита к этим бетонам увеличило плотность их единицы и, следовательно, меньшая толщина должна быть использована, чтобы позволить себе такой же уровень защиты.

Консультирование по оксиду марганца

Гематит быстро становится популярным выбором в качестве агента по взвешиваниям в буровых жидкостях для производственного применения в нефтегазовом секторе - предлагая высокую производительность, хорошую стабильность и широкую применимость через различные типы пород
Используется как в нефти, так и в воде на основе грязевых жидкостей, гематит обеспечивает расширенные реологические свойства, и более высокая специфическая гравитация означает меньше его можно использовать по сравнению с конкурентами для достижения того же результата
Гематит ценится за то, что очень чистый в точке быть добытым и очень трудно, в дополнение к экономической привлекательной
Другие виды использования гематита в нефтегазовом секторе включают в себя стабилизацию самих буровых отверстий и в качестве защитных барьеров

Гематит является широко используемой железной рудой и широко используется в секторах разведки и добычи нефти и газа, где он облегчает добычу. Африканский Pegmatite является предпочтительным партнером нефтегазового сектора, обеспечивая высокое качество гематита, измельченного с точными спецификациями каждый раз.

Ссылки

1 G. R. Gray et al., Буровые компоненты жидкости, в составе и свойствах буровых и завершенных жидкостей, 7-й ed., Elsevier, Кембридж, Массачусетс, США, 2017

2 J. M. Davies и P. F. Kingston, Источники экологических нарушений, связанных с оффшорными нефтегазовыми разработками, нефтегазовыми ресурсами Северного моря - Воздействие и реакция на окружающую среду,Elsevier, Лондон, 1992

3 M. E. McRae, Журнал материалов Barite 2016 Materials Yearbook,Геологическая служба США, Вашингтон, округ Колумбия, 2016

4 A. Mohamed et al., Устойчивое развитие, 2009, 11, 5617

5 A. M. Al Moajil et al., Оценка диспергаторов для буровых жидкостей на основе тетраоксида марганца, в: IADC/SPE Азиатско-Тихоокеанская конференция по бурению,Тяньцзинь, 2012

6 J. P. Руперт и др., Влияние веса материала типа и грязи Формирование на проникновение скорость использования инвертных нефтяных систем, в: SPE Ежегодная техническая конференция, Сан-Антонио, Техас, США, 1981

7 J. Tovar et al., Улучшенный гематит для буровых жидкостей, в: SPE Латинской Америки и Карибского нефтяного машиностроения конференции, Каракас, 1999

8 S. D. Ukeles и B. Grinbaum, Буровые жидкости, в: Кирк-Отмер Энциклопедия химических технологий, 5-й ed., Wiley, Вайнхайм, Германия, 2000

9 K. Potter et al., количественная оценка роли гематитового цемента в контроле за проницаемостью в глубоко жестком газовом резервуаре из Северного моря в: КОНФЕРЕНЦИЯ и выставка SPE Middle East Unconventional Gas Conference and Exhibition,Абу-Даби, 2012

10 С. Дин и др., Парник. Sci. Технологий., 2010, 28, 86

11 А. Ахмед и др., Устойчивое развитие, 2019, 11, 6776

12 J. T. Cline et al., Предпочтения пригодности минералов, используемых в нефтяных буровых жидкостях,в: Международный симпозиум SPE по химии нефтяных месторождений,Хьюстон, 1989

13 .M Гонсалес и др., Коллоиды и поверхности A: Physicochem. Англ. Asp., 2011, 391, 216

14. Ранджан и А. Дутта, Int. Дж.Дев. Res., 2017, 7, 16806

15. Сюй и др., Р. Сок. Открыть Sci., 2018, 5, 180358

16. О. Огбейде и С. А. Игбинере, ФУТОЯНЛС, 2016,2, 68

17 С. И. Онвукве и М. С. Нвакауду, Int. J. Env. Sci. Dev., 2012, 3, 252

18 Г. Кверсия и др., Износ, 2009, 266, 1229

19 A. Tehrani et al., Альтернативные агенты по взвешиванию буровых жидкостей: Всеобъемлющее исследование по Ильмениту и Гематиту, в: IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition, Форт-Уэрт, Техас, США, 2014

20 A.M Al Moajil et al., Удаление фильтра торт формируется марганца тетраоксида основе буровыхжидкостей , в: SPE Международный симпозиум и выставка по контролю за ущербом формации, Лафайет, La, США, 2008

21 Патент США US6248698B1, 1999, истек

22 Патент США US4883125A, 1987, истек

23 С.С.Т. Моради и Н.И. Николаев, Int. Дж.Энг. Транс. A, 2017, 30, 1105

24 О. Генсель и др., Матер. Sci., 2010, 16, 249

Гематит в приложениях для бурения нефтяных скважин