Effect of syneresis on oil-based drilling fluid stability

Abstract

Når fenomenet synerese oppstår, induserer det settling og utfelling (sag) av vektpartikler i borevæsken. Denne effekten kan forårsake forskjellige boreproblemer, for eksempel fastkjøring av rør, redusert borehastighet eller ustabilitet i borehullet. Effekten av utfelling kan være en av grunnene til at brønnspark finner sted. Partikler i oljebaserte borevæsker er tilbøyelige til å synke, mens det er mindre vanlig å se denne effekten i vannbaserte borevæsker. Når utfelling vises i en flytende væske, er denne effekten kjent som dynamisk utfelling. For å måle effekten av synerese på partikkelsedimentering ble virkningene på reologiske og viskoelastiske egenskaper analysert på tre forskjellige prøver av oljebaserte borevæsker i et olje-til-vann-forhold på 80/20, med og uten 0,5 vekt% tilsetningsstoffer av mikrocellulose . For å måle den dynamiske synke-effekten var det nødvendig å bruke et reometer, som bestod av en målekopp og en rillet hylse (Bob). De reologiske og viskoelastiske egenskapene ble målt ved å gjennomføre forskjellige tester som strømningstest, amplitude sveipe-test, frekvens sveipe-test og tidsavhengig sveipe-test. Prøvene av borevæske ble karakterisert under atmosfæriske forhold før og etter dynamisk aldring. Det samme settet med borevæsker ble dynamisk aldret i en varm valseovn i en periode på 16 timer med en temperatur på 120ºC og et trykk på 100 psi. Etter 14 dagers hvile ble synerese-effekten på væskeprøvene analysert fra de elastiske modulkurvene. Videre ble et røntgendiffraktometer brukt for å bestemme prosentvis sammensetning av bestanddelene i væskeprøvene. Det ble observert at de varmeaktiverte kjemikaliene i de varmvalsede borevæskeprøvene økte viskositeten og elastisiteten. En signifikant økning i elastisk modul ble registrert etter 14 dagers hvile, en indikasjon på synerese i borevæskeprøvene. Effekten av mikrocellulose reduserte elastisiteten til væskeprøvene. Dynamisk sag av baritt-partikler økte med økende skjærhastighet. Videre fremmet tilsetning av mikrocellulose også baritt-synk i borevæskeprøvene, spesielt ved høye skjærhastigheter.

When the phenomenon of syneresis occurs, it induces settling and sag of weight material particles in the drilling fluid. This effect may cause different drilling problems, such as stuck pipe, reduced drilling rate, or wellbore instability. The effect of sag may be one of the reasons why gas kicks take place. Particles in oil-based drilling fluids are prone to sag while it is less common to see this effect in water-based drilling fluids. Moreover, when sag appears in a flowing fluid, this effect is known as dynamic sag. For measuring the effect of syneresis on particle sedimentation, the effects on rheological and viscoelastic properties were analyzed on three different samples of oil-based drilling fluids of oil-to-water ratio of 80/20, with and without 0.5 wt.% microcellulose additives. For measuring the dynamic sag effect, it was necessary to use a rheometer, composed by a measuring cup and a grooved bob. The rheological and viscoelastic properties were measured by running different tests such as flow test, amplitude sweep test, frequency sweep test, and time-dependent sweep test. The drilling fluid samples were characterized under atmospheric conditions before and after dynamic aging. The same set of drilling fluids were dynamically aged in a hot roller oven for a period of 16 hours with a temperature of 120ºC and a pressure of 100 psi. After 14 days of rest, the syneresis effect on the fluid samples was analyzed from the elastic modulus curves. Furthermore, an X-ray diffractometer was used for obtaining the composition in percentage of the fluid samples. It was observed that, the heat-activated chemicals in the hot-rolled drilling fluid samples increased the viscosity and elasticity. A significant increase in elastic modulus was recorded after 14 days of rest, an indication of syneresis in the drilling fluid samples. The effect of microcellulose decreased the elasticity of the fluid samples. Dynamic sag of barite particles increased with increasing shear rates. Furthermore, addition of microcellulose also promoted barite sag in the drilling fluid samples, particularly at high shear rates.