Geri Dön

Investigation of the inhibition characteristics of different polyamines under several temperature and shale contamination conditions in drilling fluids

Sondaj akışkanlarında farklı sıcaklıklarda ve şeyl kirlenmesi şartlarında farklı poliaminlerin şeyl inhibitör özelliklerinin incelenmesi

  1. Tez No: 895224
  2. Yazar: BERFİN ÇIRA
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ YILDIRAY PALABIYIK, DOÇ. DR. MUSTAFA HAKAN ÖZYURTKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 169

Özet

Sondaj sıvıları, sondaj işlemini başarılı bir şekilde gerçekleştirmeye yarayan, petrol sondajında birçok fonksiyonu gerçekleştirmek amacıyla kullanılan, birçok kimyasal ürünlerin karışımından oluşabilen ve sondaj çamuru olarak da adlandırılabilen sıvılardır. Bu sıvılar, hidrostatik basınç oluşturma, formasyon kesintilerini kuyudan uzaklaştırma ve statik halde iken bu kesintileri askıda tutma, sondaj takımlarını soğutma ve yağlama gibi birçok önemli fonksiyona sahiptir. Kil inhibisyonu ise kuyu stabilitesini sağlayan bir diğer önemli parametredir. Şeyl kayaç tiplerinin bulunduğu formasyonların sondajlarında şeyl oluşumundan kaynaklanan ve belirli parametrelere sahip bir şekilde tasarlanan sondaj çamuruna istemsiz olarak karışan kil mineralleri sorun yaratmaktadır. Bu sorun, kil minerallerinin çamurdaki su fazı ile karşılaştıklarında çok yüksek miktarda şişme eğilimi göstermeleridir. Bu şişme su moleküllerinin, kil molekül tabakaları arasında girmesi sebebiyle oluşur ve kil hidratasyon olur. Çamurun sabit olması gereken tüm parametreleri değişir ve bu da sondaj boyunca ortaya çıkan büyük bir kuyu stabilitesi sorunu yaratır. Petrol ve doğal gaz rezervuarlarının aranmasında kuyu istikrarsızlığıyla ilgili sondaj sorunlarının %90'ı şeyl formasyonlarındaki killerin çamura karışıp yarattığı istemsiz şişme ve viskozite artışı probleminden kaynaklanmaktadır. Şeyl formasyonlarının, yeryüzündeki delinmiş yatakların %75'ini oluşturduğu bilinmekteyken, kil inhibisyonu, yani kil şişmesinin önlenmesi, sondaj kuyusu stabilitesini sağlamak için hayati bir parametredir. Bu nedenle, kil inhibisyonu sağlaması amaçlanan, çamur katkı maddelerinden olan kil inhibitörleri veya şeyl inhibitörleri, sondaj sıvıları için oldukça önemli ve gelişmekte olan bir alandır. Şeyl kayaç oluşumları, yoğunlukla kil minerallerinden oluşan formasyonlardır. Kil minerallerinden en yaygın olanları kaolinit, illit, klorit, smektit olarak adlandırılan kil mineralleridir. Smektit grubu kil mineralleri en yaygın olan ve şişme eğilimi en yüksek olan montmorrilonit, diğer adıyla bentonit, olarak adlandırılan minerallerdir. Su veya su bazlı sıvılarla hazırlanmış çamurlar ile karşılaştığında, hidratasyon ile oldukça yüksek bir şişme etkisi göstermektedir. İki alüminyum arasında bulunan bir silikat tabakasından oluşan kil minerallerinin kimyasal yapısı, tabaka yüzeylerinde anyonik iyonların bulunması ve tabakalar arasında zayıf Wander Valls bağlarının olması sebebiyle, oldukça kolay ayrılabilen ve şişebilen bir yapıdadır. Su molekülü kolayca kil tabakalarının arasına girerek bu tabakaların birbirinden uzaklaşmasına ve şişmesine neden olur. Bu nedenle sondaj sırasında kuyuya istemsizce giren kil mineralleri, sondaj sıvısının şişerek, tasarlanandan bambaşka fonskiyonlara sahip bir sıvıya dönüştürür. Kil şişmesinin önlenmesi yani kil inhibisyonu bu nedenle önemlidir. Kil inhibisyonu için süregelen süreçte kullanılan kil inhibitör kimyasalları veya çamur katkı maddeleri bulunmaktadır. Örneğin, sentetik bazlı çamurlar, içerisinden su fazı değil yağ fazı bulundurmasından ötürü, kil minerallerinin şişme durumunu yaşamamaktadır. Su bazlı çamurlarda ise kil inhibitörü olarak yaygın kullanılan potasyum klorür (KCl), sahip olduğu katyonik iyonların kil tabakaları arasında girip, güçlü bağlar kurarak kil tabakalarını birbirine yakınlaştırır ve şişmeyi engeller. Fakat bu kil inhibitörlerinin olumsuz etkileri oldukça fazladır. Yağ bazlı çamurlar doğada biyolojik olarak parçalanamaz ve ayrıca formasyona da oldukça zarar verir. Hatta sondaj yapılan alana yakın olan tarımsal faaliyetler bile bu formasyon etkisinden etkilendiği bilinmektedir. KCl kullanımı da %5 ve %7 miktarından fazla kullanıldığında formasyona etkileri oldukça olumsuz olduğu bilinmektedir. Bu geleneksel kil inhibitörlerinin çamur üzerindeki yüksek maliyeti, yüksek toksisitesi ve olumsuz etkileri karşısında, organik amin gruplarından olan poliamin (polieter amin), şeyl hidratasyonunu azaltmadaki etkinlikleri, çevre üzerinde düşük toksik etkileri, biyolojik olarak parçalanabilirlik, bitkilerden orijinal ekstraksiyonlar ile üretilebilirlik, termal kararlılığa direnç ve özelliklerini genişletme yeteneği ile, son yıllarda, özellikle su bazlı çamurlar için alternatif kil inhibitörü olarak kullanılmaya başlanmıştır. Poliaminlerin bu avantajlarına rağmen hala eksik ve araştırılması gereken konuları vardır. Bunlardan biri de derin ve sıcaklığı yüksek, zorlu şartlardaki kuyular için kullanımının uygunluğu hakkındadır. Temel olarak poliaminler, uzun hidrokarbon zincirine sahip, amin grubu bulunduran polimer yapılardır. Polimer yapıların da yüksek sıcaklığa karşı dayanıklılığının yüksek olmadığı bilinmektedir. Dolayısıyla kil inhibisyonunun ısıl kararlılığı bu poliamin katkı maddeleri için geliştirilmeye açık bir konudur. Bu çalışmada temel olarak poliaminlerin sıcaklığa karşı ısıl dayanıklılık etkisinin belirlenmesi dizi hedeflenmiştir. Fakat bu sıcaklık etkisi incelenirken, poliamin miktarı ve bentonit miktarı da değişken parametreler olarak belirlenmiştir. Bu sayede her sıcaklıkta, her bentonit miktarı için hazırlanan çamur örneğinde her poliamin kullanımının, kil inhibisyon performansı test edilmiştir. Bu test çalışması bir sondaj sıvıları laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Test çalışması içeriğinde, su bazlı basit bir çamur hazırlanmıştır. Bu çamur su, bentonit ve poliaminden oluşmaktadır. Başka bir kimyasal çamur katkısı kullanılmamasının nedeni, sadece poliamin ürünlerinin performansını net olarak görebilmektir. Çamurları hazırlarken kullanılacak baz sıvısı olarak, çalışmanın amacına da uygunluğu açısından su seçilmiştir ve su bazlı çamur hazırlanmıştır. Bu çamurları hazırlarken kullanılacak bentonit tipi olarak API referans bentoniti kullanılmıştır. Bu bentonit tipinin kullanılmasının sebebi, API (American Petroleum Institute) RP (Recommended Practice) 13A tarafından belirlenen bentonit gerekliliklerine göre test edildikten sonra kullanımı belirlenmiştir. Ayrıca çalışmanın tekrar yapılabilirliği ve karşılaştırılmasının kolay olması açısından referans bir bentonit tipi seçmek, çalışmanın her sahadaki kil örneği için de referans olarak test edilebilirliğini kolaylaştırmaktadır. Test için hazırlanan çamurlar, belirlenen bentonit miktarı olan 20 gr., 40 gr., 60 gr. ve 80 gr. miktarlarında hazırlanmıştır. Test parametresinin artan bentonit miktarına göre olması, artan bentonit etkisini de göstermekte ve poliamin ürününün bentonit miktarına karşı etkisini göstermektedir. Poliamin ürünü olarak, farklı pH değerlerinde olan poliamin ürünleri ile çalışma yapılması hedeflenmiştir. Test edilecek çamurlar, üç farklı pH değerlerinde olan poliamin, PA1 (pH=7.5-8.0), PA2 (pH=8.0-8.5) ve PA3 (pH=9.8-10.2) ile hazırlanacak çamurlar olmaktadır. Bu poliamin ürünlerinin, kil inhibitör özelliği gösterip göstermediğini belirlemek amacıyla, karşılaştırmak için, referans bir ürün olarak CP (ticari ürün) kil inhibitör ürünü ile de çamur hazırlanmış ve test edilmiştir. Ayrıca tüm çamurlar, herhangi bir poliamin ürünü olmadan da hazırlanmış ve test edilmiştir. Bu poliaminlerin kullanım miktarı da hacimce 0% (herhangi bir poliamin ürünü olmadan), 1%, 2%, 3% ve 4% olarak belirlenmiştir. Hacim olarak sondaj çamurunun son hacmi ele alınmıştır. Bu belirlenen bentonit, poliamin ürünü ve poliamin konsantrasyonlarının her biri için ayrı çamurlar ayrı kaplarda, API gerekliliklerine uygun bir karıştırıcı ekipmanı ile 30 dakika karıştırılarak hazırlanmıştır. Bu çamurlar laboratuvar şartlarında hazırlandıktan sonra, çelikten yapılmış yüksek sıcaklığa ve basınca dayanıklı yaşlandırma hücrelerine konulup, test için belirlenen sıcaklıkta ayarlanmış dönerli sıcak fırına yerleştirilip, API gerekliliklerine göre 16 saat döndürülerek yaşlandırılmıştır. Bu yaşlandırma işleminin amacı, kuyu şartlarını ve etkisini çamura yaşatmak ve bunun üzerinden daha gerçekçi, kuyu şartlarına benzer sonuçlar elde etmek. Bu çalışma için poliaminlerin sıcaklığa karşı etkisini belirlemek amacıyla test edilecek sıcaklıklar, 77 °F, 150 °F, 200 °F, 250 °F, 330 °F olarak belirlenmiştir. Yaşlandırma süreci bittikten sonra, yaşlandırma hücrelerinden dikkatlice çıkarılan çamurlar oda sıcaklığına gelmesi için bekletilmiş, test ölçümleri oda sıcaklığındayken yapılmıştır. Kil inhibitör etkinliğini gözlemlemek ve karşılaştırmak için çamurun reoloji ölçümleri alınmıştır. Bu ölçümler, 600 RPM, 300 RPM, 200 RPM, 100 RPM, 60 RPM, 30 RPM, 6 RPM ve 3 RPM viskozimetre kadran okumaları, 10 saniye, 1 dakika ve 10 dakika jel mukavemetidir. Ölçümler OFITE model 800 viskozimetre ile ölçülmüştür. Viskozimetre, sondaj sıvılarının reoloji ölçümlerinin alınması amacıyla kullanılan, API standartlarına uygun bir ekipmandır. Ayrıca, kapiller emme süresi testi yapılmıştır. Bu test kil dağılımına göre çamurdan filtre olan suyun seyahat süresini, saniye biriminde verir. Kilin, çamur içindeki dağılımı ve doygunluğu ile ilgili bilgi verir. Test çalışmaları sonucunda, farklı bentonit miktarları, farklı poliamin ürünü ve poliamin miktarlarıyla hazırlanan çamurlar üzerinde, artan sıcaklık parametresinde, çamurların kil inhibisyon özelliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Viskozimetreden alınan reoloji ölçümleri ile, poliamin ürünlerinin reolojik davranışı belirlenmiş, viskozimetre okumalarının karşılaştırmalı sonuç grafikleri çizilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde PA1, PA2, PA3 ve CP ürünlerinin her birinin şişmeyi önleyerek kil inhibisyonu sağladığı, kil inhibisyon performansı en iyi olan ürünün ise PA1 olduğu belirlenmiştir. PA2 ve CP poliamin ürünleri daha yakın şeyl önleme sonuçları verir ve PA1'den sonra en iyi ikinci performansa sahiptir. PA3, test edilen diğer poliamin ürünü PA1, PA2, CP 'den daha az kil önleme performansı gösterir. Kullanılacak poliamin yüzdesi, yaşlandırma sıcaklığına ve bentonit miktarına bağlı olarak değişmekle birlikte, %2 poliamin kullanımının özellikle 40 ile 60 g bentonit miktarı için çoğu durumda iyimser bir kullanım değerine sahip olduğu görülmüştür. 40 g ve altı gibi daha düşük bentonit miktarlarında, sondaj çamurunun %1'lik poliamin konsantrasyonu kilin şişmesini önleyerek inhibisyon sağlaması için yeterlidir. 80 g ve üzeri gibi daha yüksek bentonit miktarlarında, kilin şişmesini önlemek için en az %3 ila %4 poliamin konsantrasyonu gereklidir. Ayrıca bu çalışma, kil inhibisyonu açısından poliamin ürünlerin artan yaşlandırma sıcaklığına göre çoğunlukla termal stabilite sağladığını göstermektedir. Özellikle %3 ila %4 gibi yüksek miktarda poliamin, çamurdaki konsantrasyonu, yüksek sıcaklığa karşı stabil şeyl inhibisyon özelliği oluşturur. %2 veya daha az poliamin konsantrasyonu da düşük bentonit miktarında sıcaklığa karşı stabil kil inhibisyonuna sahiptir. Ayrıca, polimerin çoğu, yüksek sıcaklık kuyusu koşullarında bakteriyel faaliyet sonucu bozulma yaşarken, poliaminler, yüksek yaşlanma sıcaklığında, hatta 300 °F sıcaklıkta bile herhangi bir bakteriyel faaliyetlere karşı bozulma gösteremezler. Bu nedenle poliamin, bakteriyel bozulma durumunda kullanılan herhangi bir biyosit katkı maddesi gerektirmez. Sonuç olarak poliaminler artan bentonite karşı yüksek şeyl inhibisyonuna sahip bir katkı maddesidir. Uygun poliamin miktarı, yüksek bentonit miktarını bile önleyebilir. Ayrıca poliamin, geleneksel olanlara göre daha çevreci, verimli ve daha az maliyetli şeyl önleyici çamur katkı maddesidir.

Özet (Çeviri)

Drilling fluid, which can be also called drilling mud, which is necessary to use for successful drilling, perform many functions in oil drilling, and can be composed of a mixture of many chemical additives. Drilling fluids are used in oil drilling operations for hydrostatic pressure, cutting removal from well and suspending them at static conditions, cooling lubrication of drilling equipment, and shale inhibition. Shale inhibition is an important function of oil drilling mud to provide well stability. Clay is one of the most common minerals which is found in shale formations. The smectite group (montmorillonite, also known as bentonite), which is the most common clay mineral, shows a very high swelling effect with hydration when it encounters water or water-based mud. While shales are known to make up 75% of the drilled formations, clay inhibition is a significant parameter to ensure borehole stability during drilling operations. Therefore, clay inhibitor additives are necessary, especially drilling shaly formations. In the face of the high cost, high toxicity, and adverse effects of conventional clay inhibitors on drilling mud, organic amine groups polyamines have been used as an alternative clay inhibitor in recent years in terms of their effectiveness in reducing shale hydration, low toxic effects on the environment, biodegradability, original extractions from plants, resistance to thermal stability and ability to easy expand of these properties. In the face of the high cost, high toxicity, and adverse effects of conventional clay inhibitors on drilling mud, organic amine groups polyamines have been used as an alternative clay inhibitor in recent years in terms of their effectiveness in reducing shale hydration, low toxic effects on the environment, biodegradability, original extractions from plants, resistance to thermal stability and ability to easy expand of these properties. According to these advantages of polyamines, to have an idea about their performance in deep and high temperature well conditions, studies are still being carried out on their resistance at high temperatures. So, the thermal stability of clay inhibition is a subject that is open to improvement for these polyamine additives. In this study, it is aimed to determine the clay inhibition properties of the mud samples for the increasing temperature parameter on the muds prepared with different bentonite amounts and different polyamine amounts. The study is carried out on three polyamine products with different pH values, which are coded as PA1 (pH=7.5-8.0), PA2 (pH=8.0-8.5), and PA3 (pH=9.8-10.2). To determine and compare whether these polyamine products show clay inhibition properties, CP (commercial product) shale inhibitor product is also tested as a reference product. In addition, mud samples are prepared and tested without any polyamine products, 0% polyamine case, just with fresh water and bentonite. This is necessary to see and compare the effect of the polyamine product when used. The mud samples prepared for the study are mixed under laboratory conditions, with the specified amount of bentonite, 20 g, 40 g, 60 g, and 80 g, and the determined amount of polyamine, 0%, 1%, 2%, 3%, and 4% as volume. After preparing the mud samples, they are aged in a hot roller oven for 16 hours at the specified aging temperatures, 77 °F, 150 °F, 200 °F, 250 °F, and 330 °F. After the aging procedure is done, rheological measurements, 600 RPM, 300 RPM, 200 RPM, 100 RPM, 60 RPM, 30 RPM, 6 RPM, 3 RPM dial reading, 10-second, 1-minute, and 10-minute gel strength, and capillary suction time tests are performed to observe and compare the clay hydration and swelling effect. When the results are examined, it is determined that each of the products PA1, PA2, PA3, and CP provided clay inhibition with preventing the swelling, while the product with the best clay inhibition performance is PA1. PA2 and CP polyamine products give closer shale inhibition results, and they have the second best performance after PA1. PA3 shows less clay inhibition performance compared to the other tested polyamine products, PA1, PA2, and CP. The percentage of polyamine to be used varies depending on the aging temperature and the amounts of bentonite, but the use of 2% polyamine has been found to have an optimistic use value in most cases, especially for 40 gr to 60 gr bentonite amounts. For lower bentonite amount, such as 40 g or less, 1% polyamine concentration is enough for drilling mud to provide inhibition of clay with prevent swelling. For higher bentonite amounts, such as 80 gr or more, at least 3% to 4% polyamine concentration is required to prevent clay swelling. Also, this study shows that polyamine products mostly provide thermal stability according to the increased aging temperature in terms of clay inhibition. Especially high amounts of polyamine, such as 3% to 4%, the concentration at mud creates stable shale inhibition properties against the high temperature. 2% or less polyamine concentration has also stable clay inhibition against the temperature at low bentonite amounts. Moreover, while most of polymer has bacterial degradation problems at high temperature well condition, polyamines cannot show any bacterial biodegradation at a high aging temperature, i.e., 300 °F temperature. So, polyamine does not require any biocide additive which is used in case of bacterial biodegradation. In conclusion, polyamine is an additive that has high shale inhibition against the increased bentonite. Proper polyamine amount can prevent even high bentonite amounts. Also, the polyamine is a more environmentally-friendly, efficient, and less costly shale inhibitor mud additive compared to the traditional ones.

Benzer Tezler

  1. Development of novel biopolyamide compounds as a green and sustainable alternative to petroleum derived polymers and their applications in medical field

    Petrolden elde edilen polimerlere yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif olarak özgün biyopoliamit bileşiklerinin geliştirilmesi ve tıbbi alanda uygulamaları

    ŞEBNEM GÜLEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  2. Investigation of nitrification inhibition in a biofilm reactor

    Başlık çevirisi yok

    SUNA İPEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1996

    Çevre MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    DOÇ.DR. FERHAN ÇEÇEN

  3. New photoinitiating systems for cationic polymerization of vinyl ethers

    Vinil eterlerin katyonik polimerizasyonu için yeni başlatıcı sistemler

    MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

    PROF. DR. İBRAHİM IŞILDAK

  4. İşitme cihazı ve koklear implant kullanıcısı işitme kayıplı çocukların gelişimlerine sosyoekonomik düzeyin etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of socioeconomic level on the development of children with hearing loss, user of hearing aid and cochlear implant users

    BURCU NUR IŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kulak Burun ve BoğazKTO Karatay Üniversitesi

    Odyoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İCLAL ŞAN

  5. Sülfürlü tesis atığından üretilen çimentolu macun dolgu malzemesinin çevresel etkilerinin araştırılması

    Investigation of the environmental effects of cemented paste backfill made from sulfuric mill tailing

    ERCÜMENT KOÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Maden Mühendisliği ve MadencilikKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FERDİ CİHANGİR