Isplake s nanočesticama

Poslijediplomski studij

Autor: Petar Mijić, mag.ing.petrol.

Nanotehnologijom su se ljudi počeli baviti relativno davno, prije 60-ak godina. Prvi znanstvenik koji je 1959. godine ukazao da bi jednog dana uređaji i materijali mogli biti proizvedeni do veličine koja odgovara veličinama atoma bio je Richard Feynman, a sam termin „nanotehnologija“ prvi je upotrijebio 1974. godine znanstvenik Norio Taniguchi. Iako nanotehnologija zadire u sva područja ljudske djelatnosti, od automobilske industrije, računala i elektronike, robotike, medicine do tekstilne industrije sama primjena u naftnoj industriji započela je tek unatrag par godina. Pod nanotehnologijom se podrazumijeva upotreba materijala vrlo malih dimenzija, između 1 i 100 nanometara.

Isplaka na bazi vode se koristi za ispiranje kanala bušotina od ranih 1900-tih, a glavni razlog njihove primjene je taj što su obično jeftinije i ekološki prihvatljivije od ostalih tipova isplaka. Unatoč tome, danas često imaju tehnička ograničenja koja im onemogućavaju primjenu u sve zahtjevnim uvjetima bušenja (izrada horizontalnih bušotina, bušotina velikog dosega i dr.). Sukladno tome, najveći problem primjene isplake na bazi vode je svojstvena reaktivnost vode s mineralima glina koji su sastavni dio šejlova što tijekom bušenja može dovesti do problema vezanih uz nestabilnost kanala bušotine (May et al., 2020). Nestabilnost kanala bušotine se definira kao svaka neželjena promjena promjera (suženje ili proširenje) kanala bušotine u odnosu na promjer dlijeta kojim je izrađena pojedina dionica kanala bušotine. Preko 90 % svih problema vezanih uz nestabilnost kanala bušotine se događa tijekom bušenja kroz šejlove, stijene koje čine 75 % svih stijena kroz koje se izrađuje kanal bušotine (Pašić, 2007). Obzirom da dosad korišteni klasični aditivi u isplakama nisu uvijek pogodni za rješavanje problema koji nastaju tijekom izrade kanala bušotine kroz različite stijene, unazad zadnjih desetak godina su započela ispitivanja novih materijala koji bi se mogli koristiti kao aditivi u isplakama – nanočestica (Gaurina-Međimurec i Mijić, 2019). Nanočestice iz isplake popunjavaju pore u šejlu (i u isplačnom oblogu stvorenom na stijenkama kanala bušotine) te sprječavaju daljnji protok vode iz isplake u stijene pribušotinske zone.

Dosadašnja ispitivanja su uglavnom provođena u raznim laboratorijima diljem svijeta, bez komercijalne primjene isplake s nanočesticama u praksi. Sami rezultati dosadašnjih ispitivanja su često kontradiktorni jer pojedini tipovi nanočestica djeluju pozitivno u nekim ispitivanim isplakama, dok u drugim isplakama daju čak i lošije rezultate. Zbog toga se javila potreba detaljnog ispitivanja utjecaja tipa i koncentracije najčešće korištenih nanočestica na svojstva odabranih isplaka te na bubrenje peleta koji predstavljaju laboratorijski pripremljene uzorke vodoosjetljivih stijena kako bi se utvrdila mogućnost njihove primjene u praksi. Za laboratorijska ispitivanja utjecaja dodavanja nanočestica na svojstva isplaka korištene su nanočestice SiO2 veličine 8, 20, 60 i 80 nm, Al2O3 veličine 20, 30 do 60 i 100 nm, TiO2 veličine 30 do 50 nm i Fe2O3 veličine 20 do 30 nm i 50 nm koje su dodavane u različitim koncentracijama. Sam naglasak je stavljen prvenstveno na ispitivanja filtracijskih svojstava isplake koja utječu na povećanje stabilnosti kanala bušotine (API filtraciju i PPT filtraciju) i bubrenje peleta u isplaci s nanočesticama. U ispitivanjima su korišteni peleti koji su sadržavali 50 % bentonita (vodoosjetljiva, aktivna komponenta) i 50 % kvarcnog pijeska (neaktivna komponenta). Na slici 1 (a) je prikazan slučaj kad su u isplaku dodani konvencionalni materijali za čepljenje pora koji popunjavaju pukotine i pore te stvaraju isplačni oblog na stijenkama kanala bušotine, ali i dalje dolazi do prodiranja filtrata isplake u stijenu. Dodavanjem nanočestica, čepe se prostori među većim česticama što ima za posljedicu stvaranje kvalitetnog, tankog i nepropusnog isplačnog obloga (slika 1 b).

20201006 1

Slika 1 Djelovanje nanočestica na smanjenje filtracije te povećanje stabilnosti kanala bušotine (Contreras et al., 2014).

Osim ispitivanja vezanih uz povećanje stabilnosti kanala bušotine provedena su i mjerenja reoloških svojstava odabranih isplaka pri sobnoj te povišenoj temperaturi s ciljem definiranja utjecaja temperature na njihovu promjenu. Uzimajući u obzir promjenu reoloških parametara za svaku je isplaku izračunat pad tlaka uslijed otpora pri protjecanju oko karakterističnog sklopa bušaćih alatki kako bi se utvrdila cirkulacijska gustoća isplake i mogućnost primjene navedenih isplaka u praksi. Nadalje, izmjerene su vrijednosti zeta-potencijala kako bi se potvrdilo da nije došlo do aglomeriranja nanočestica u isplaci, jer bi one u tom slučaju izašle iz nanopodručja. Korištenjem skenirajućeg elektronskog mikroskopa utvrđen je mehanizam čepljenja pora isplačnih obloga nanočesticama iz isplake odnosno razlog zbog kojeg dolazi do smanjenja bubrenja peleta (slika 2).

20200616 3

Slika 2. SEM snimka nanočestica SiO2 u isplačnom oblogu.

SEM snimke pri različitim povećanjima potvrđuju da se nanočestice talože u isplačnom oblogu, ali i u pornom prostoru keramičkih diskova korištenih u ispitivanju PPT filtracije isplake. Isplake s nanočesticama imaju manje vrijednosti filtracije od isplaka bez nanočestica jer nanočestice čepe nanopore te na taj način sprječavaju prodor filtrata isplake u glinovite naslage i povećavaju njihovu stabilnost (slika 3). S obzirom na navedeno nanočestice imaju povoljan utjecaj na djelovanje isplake i stabilnost kanala bušotine, osobito u nekonvencionalnim ležištima nafte i plina (šejlovima) kroz koje se izrađuju horizontalne dionice kanala bušotine s ciljem povećanja iscrpka ugljikovodika.

20201006 3

Slika 3 Povećanje stabilnosti kanala bušotine primjenom isplake s nanočesticama.

Reference:

May, P., Deville, J., Miller, J., Burrows, K., 2020. Environmentally Acceptable Shale Inhibitors for High Performance Water-Based Muds, IPTC-19902-MS, International Petroleum Technology Conference, 13-15 January, Dhahran, Saudi Arabia, pp. 1- 10.

Gaurina-Međimurec, N. i Mijić, P., 2019. Nanočestice u isplaci - rješenje problema tijekom bušenja kroz nekonvencionalna ležišta ugljikovodika?, Godišnjak 2018 Akademije tehničkih znanosti Hrvatske, str. 275-278.

Pašić, B., 2012. Primjena peleta u laboratorijskim ispitivanjima međudjelovanja inhibirane isplake i šejla, Rudarsko-geološko-naftni zbornik, 25, str. 63-72.

Contreras, O., Hareland, G., Husein, M., Nygaard, R., Alsaba, M., 2014. Wellbore Strengthening in Sandstones by Means of Nanoparticle-Based Drilling Fluids, SPE-170263-MS, SPE Deepwater Drilling and Completions Conference, Galveston, Texas, USA, pp. 1-24.

_________________________________________________________________________________

Petar Mijić, mag. ing. petrol. je asistent na Zavodu za naftno-plinsko inženjerstvo i energetiku na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Član je hrvatskog studentskog ogranka svjetskog udruženja naftnih inženjera (SPE) i trenutno dovršava doktorski rad pod nazivom Povećanje stabilnosti kanala bušotine primjenom isplake s nanočesticama.

E-portfolio https://moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=3917

ResearchGate https://www.researchgate.net/profile/Petar_Mijic

Google Scholar https://scholar.google.hr/citations?user=0MnZad4AAAAJ&hl=hr

CROSBI https://www.bib.irb.hr/pregled/znanstvenici/347902

Society of Petroleum Engineers (SPE) https://www.spe.org/en/