Synthesis and development of smart drilling fluids using nanoparticles to tailor their transport properties for enhanced drilling operations

Abstract

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. Smart drilling fluids are novel water-based fluids having the potential of increasing the efficiency of drilling operations with a substantial minimization of lost circulation issues and differential sticking problems along with a simultaneous reduction in the environmental footprint. Nanomaterials are available commercially at affordable prices and they are considered as the best candidates for smart drilling fluids due to their unique properties stemming from their extremely high surface-to-volume ratio. 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). A freeze granulation - freeze drying (FG-FD) technique of bentonite suspensions containing different nanoparticles was implemented in order to capture effectively the associated microstructures at the different temperatures prior to physicochemical characterization. The rheological measurements were performed at different temperatures (up to 70°C) and ambient pressure using a Couette type viscometer. The Herschel- Bulkley (HB) model was used to describe the rheological behavior of all samples at the different tested temperatures. 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. The charge and nature (e.g. magnetic, coated or not) of the added nanoparticles are also important factors in determining the magnitude of the effects observed. 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. On the other hand, SiO2 NP increased the filtration volume. Through extensive microscopic analysis of the filter cakes with Scanning Electron Microscopy (SEM), it was determined that using optimum concentration of NP resulted in a rigid and low permeability filter cake giving superior filtration characteristics. In addition, this research revealed the interfacial phenomena taking place and the modes of interaction between bentonite particles and nanoparticles that lead to such superior properties using Transmission Electron Microscopy (TEM) technique. Based on the research findings, a model of the interactions evolving in water Na+-bentonite suspensions containing different nanoparticles at 25°C and 60°C in alkaline pH is suggested. The effect of an external magnetic field on the rheological properties of a drilling fluid containing superparamagnetic citric acid coated Fe3O4 NP-tailored to meet specific downhole and environmental demands with tunable rheological properties- was also examined. The results indicated that all tested fluids exhibited a typical monotonic increase in shear stress and apparent viscosity with increasing magnetic field strength, which was attributed to the strong chain-like structures between the superparamagnetic NP that were formed at high magnetic flux densities.This research has shown that nano-based drilling fluids can offer unprecedented potential for enhanced drilling operations. Due to their unique features compared to the parent materials and their ease of manipulation to perform certain functional tasks, nanomaterials can retain their properties over a wide range of operating conditions. A comprehensive characterization approach was adopted, combining micro- and macro- measurements, which enabled the exploitation of the improved microstructure qualities of such suspensions. 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.

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. Ο πολφός (γεωτρητικά ρευστά) είναι το ‘αίμα’ της γεώτρησης: παρέχει πίεση, μεταφορά τριμμάτων/θραυσμάτων από τον πυθμένα του φρέατος, ψύξη και λίπανση κοπτικού και στήλης, καθώς επίσης διατηρεί τα θραύσματα εν αιωρήσει όταν υπάρχει διακοπή της κυκλοφορίας. Ως ρευστό γεώτρησης (drilling fluid) χρησιμοποιείται συνήθως ένα αιώρημα πηλού και άλλων υλικών σε νερό. Τα ρευστά διάτρησης με βάση το νερό αποτελούνται από α) νερό, το οποίο αποτελεί την συνεχή φάση και παρέχει το αρχικό ιξώδες (φρέσκο ή θαλασσινό), β) ενεργά στερεά για την ενίσχυση του ιξώδους και του σημείου διαρροής (μπεντονίτης, που συνιστάται στην περίπτωση του φρέσκου νερού και ατταπουλγίτης, αμίαντος ή σιπιόλιθος, που συνιστώνται στην περίπτωση του θαλασσινού νερού), και γ) αδρανή στερεά για την επίτευξη της απαιτούμενης πυκνότητας (βαρύτης, θειούχος μόλυβδος, σιδηρομεταλλεύματα ή χαλαζιακά υλικά).Τα γεωτρητικά ρευστά αποτελούν το 10-20% του συνολικού κόστους κατά την διάρκεια μιας γεώτρησης. Ποσοστό πολύ υψηλό όταν μιλάμε για επενδύσεις εκκατομυρίων δολλαρίων. 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. Τα σημαντικότερα ζητήματα τα οποία καλούνται να ανταποκριθούν τα ρευστά είναι οι ολοένα αυξανόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας στο υπέδαφος που είναι απόροια της αναζήτησης υδρογονανθράκων σε πλέον δύσβατες περιοχές με μεγαλύτερα βάθη που αυξάνουν τους κινδύνους και το κόστος για μια γεώτρηση. Η απώλεια ρευστού κυκλοφορίας (fluid loss) είναι ένα από τα σημαντικότερα και πλέον δαπανηρά προβλήματα κατά την διαδικασία μιας γεώτρησης. Ως απώλεια ρευστού κυκλοφορίας ορίζεται η συνολική ή μερική απώλεια των ρευστών της γεώτρησης σε εξαιρετικά διαπερατές ζώνες (porous sands), σε σπηλαιώδεις σχηματισμούς (cavernous zones), σε φυσικές ρηγματώσεις (natural fractures) και σε ρηγματώσεις προκαλούμενες κατά τη διάτρηση (induced fractures). 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 (<1 wt%). Οι μοναδικές τους ιδιότητες σχετίζονται με το μικρό τους μέγεθος και επομένως τον εξαιρετικά μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο.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-Couette type geometry) αλλά και σε συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (69 bar-121°C) (Chandler 7600 HPHT viscometer). Το μοντέλο Herschel-Bulkley χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη μεταβολή του ιξώδους με τη μεταβολή των ρεολογικών παραμέτρων δείχνοντας εξαιρετική εφαρμογή για τις διαφορετικές πειραματικές μετρήσεις με συντελεστές συσχέτισης (R2) >0.99 σε όλες τις περιπτώσεις. 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. Τέλος, εξετάστηκε η ικανότητα των παραγόμενων ρευστών να αλλάζουν τις ρεολογικές τους ιδιότητες υπό την επίδραση διάφορων μαγνητικών πεδίων (μέχρι 0.7 Tesla). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα καινούργια γεωτρητικά ρευστά έχουν την ικανότητα να αυξάνουν την τάση διολίσθησης (yield stress) έως και 300% σε σχέση με αυτή που μετρήθηκε χωρίς την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Αυτό είναι κάτι πολύ σημαντικό που επιτρέπει την χρήση έξυπνων ρευστών (smart drilling fluids) τα οποία μπορούν να εξοικονομήσουν και χρόνο αλλά και κόστη κατά την διάρκεια μιας γεώτρησης.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 (>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.