The Effects of Two Different Polymers on the Drilling Mud Properties

Öz

In this study, the effects of two different anionic polymer additives on the yield, water loss (filtration) and rheological properties of a bentonite-based drilling mud were investigated. Within this scope, the properties of polymer-free mud were first determined using four different bentonite percentages of 4, 6, 8 and 10% by weight. For the bentonite contents of 4 and 6%, the effects of QUIK-TROL GOLD (QTG) and POLY-VIS (PV) polymers with the respective polyanionic cellulosic (PAC) and polyacrylamide structures were then examined for the dosages in the range of 0.5-3.0 kg/m3. The properties of the muds obtained were evaluated with respect to API Standard 13A. The polymer-free mud tests showed that the mud yield calculated as 17.69 m3/ton meets the required lower limit of 15.8 m3/ton. For the apparent viscosity, the lower limit value of 15 cp is provided with bentonite contents of 6% and above. While the upper limit value of 3 expected from the drilling quality bentonite in terms of the ratio of yield point to plastic viscosity was met only for the 4% mud, the muds prepared with both 4 and 6% bentonite exhibited the values which did not exceed the upper limit of 6 for the OCMA quality. While the obtained water loss values stay within the OCMA upper limit of 16 mL for all of the solid contents tested, the loss of 15.63 mL obtained for 4% mud only exceeded the upper limit of drilling quality in low amount. In general, although the 6% mud meets the OCMA standard, the resulting low plastic viscosity and high ratio of yield point to plastic viscosity showed that bentonite sample cannot be used without additives. According to the mud tests with polymer additives, for 4% bentonite, the minimum polymer dosages, which all of the specifications expected from drilling quality bentonite were met, was determined as 1.5 kg/m3 for both QTG and PV. QTG provides 7.14% lower water loss value than PV for this dosage, while PV exhibited 37.04 and 37.98% increases in the respective apparent viscosity and mud yield values compared to QTG. For 6% bentonite, very low water loss values were obtained for all of the tested dosages of both polymers as expected. In addition, for the same bentonite content, the obtained apparent viscosity of 21.5 cp, plastic viscosity of 11 cp, yield point of 21 lbf /100 ft2 and ratio of yield point to plastic viscosity of 1.91 for QTG dosage of 1 kg/m3 showed that all of the standart values for the drilling quality were met. On the other hand, the obtained 51 lbf/100 ft2 yield point and especially 5.67 yield point to plastic viscosity ratio values at even 0,5 kg/m3 PV dosage point out that it is not possible to use PV with this solid content. Overall results have suggested that 4% mud meets the all standard values expected from a drilling quality bentonite for 1.5 kg/m3 dosages of QTG and PV. Specifically, QTG should be used to achieve very low water loss values while PV should be used to obtain high viscosity and mud yield. 

Anahtar Kelimeler

• Drilling mud
• Bentonite
• Polymer
• Mud yield
• Water loss
• Rheological properties

İki Farklı Polimerin Sondaj Çamuru Özellikleri Üzerine Etkileri

Öz

Bu çalışmada, iki farklı anyonik polimer katkısının bentonitli bir sondaj çamurunun verimi, su kaybı (filtrasyon) ve reolojik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda, öncelikle katkısız çamur özellikleri ağırlıkça dört farklı bentonit yüzdesi (%4, 6, 8 ve 10) için belirlenmiştir. Sonrasında %4 ve 6 bentonit içerikleri için, sırasıyla polianyonik selülozik (PAC) ve poliakrilamid yapılarına sahip, QUIK-TROL GOLD (QTG) ve POLY-VIS (PV) polimerlerinin etkisi 0,5-3,0 kg/m3 dozaj aralığında incelenmiştir. Elde edilen çamurların özellikleri API Standardı 13A’ya göre değerlendirilmiştir. Katkısız çamur testleri, 17,69 m3/ton olarak hesaplanan çamur veriminin, gerekli alt limit olan 15,8 m3/ton değerini karşıladığını göstermiştir. 15 cp’lik görünür viskozite alt sınırı, %6 ve üzerindeki bentonit içeriklerinde sağlanmıştır. Akma noktası/plastik viskozite oranı için sondaj kalite bentonitten beklenen üst sınır değer olan 3, yalnızca %4’lük çamur için karşılanırken, OCMA kalite için ise %4 ve 6’lık çamurlar üst sınır değer olan 6’yı aşmayan sonuçlar sergilemiştir. Su kaybı değerleri test edilen tüm katı içeriklerinde OCMA üst limiti olan 16 mL’yi geçmezken, yalnızca %4’lük çamur için elde edilen 15,63 mL’lik kayıp sondaj kalite üst sınırını azda olsa aşmıştır. Genel olarak, %6’lık çamur OCMA standardını karşılamasına rağmen, elde edilen düşük plastik viskozite ve yüksek akma noktası/plastik viskozite oranı, bentonitin polimer katkısız kullanılamayacağını göstermiştir. Katkılı çamur testlerine göre, %4’lük çamur için, sondaj kalite bentonitten beklenen tüm spesifikasyonların sağlandığı minimum polimer dozajı, QTG ve PV’nin her ikisi için de 1,5 kg/m3 olarak belirlenmiştir. Bu dozaj değeri için, QTG PV’den %7,14 daha düşük su kaybı değeri sağlarken, PV ise QTG’ye oranla görünür viskozite ve çamur verimi değerlerinde sırasıyla %37,04 ve 37,98 artışa neden olmuştur. %6’lık çamur için ise QTG 1 kg/m3 dozajda sınır değerleri sağlarken, PV’nin yüksek akma noktası ve akma noktası/plastik viskozite oranı değerlerinden dolayı bu katı içeriğinde kullanımının mümkün olmadığı anlaşılmıştır. Genel sonuçlar, %4’lük çamurunun QTG ve PV polimerlerinin 1,5 kg/m3 dozajı için sondaj kalite bentonitten beklenen standart değerleri karşıladığını göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Sondaj çamuru
• Bentonit
• Polimer
• Çamur verimi
• Su kaybı
• Reolojik özellikler

Kaynakça

1. API. (2010). American Petroleum Institute (API) Specification 13A (9-11) Specification for Drilling Fluids. USA
2. Asker, N., Özkan, V., Özkan, A. (2019). Su Bazlı Sondaj Çamurunun Reolojik ve Filtrasyon Özelliklerine ZnO Nanopartikülü ile Fonksiyonelleştirilmiş Çok Duvarlı Karbon Nanotüpün Etkisinin Araştırılması. The Euro Asia 5th. International Congress on Applied Sciences, Adana, Turkey
3. Avcı, E. (2018). Jeotermal Sularla Hazırlanmış Çamurların Sondaj Performansına Etkisi. (Yüksek Lisans Tezi), İskenderun Teknik Üniversitesi, Hatay
4. Balkaya, A. T., Gül, S., İlgen, E., Dimez, A. B., Deniz, S., Heke, E., . . . Erşahin, A. (2019). Sondaj El Kitabı. Ankara: Petrol Mühendisleri Odası Yayınları
5. Çinku, K. (2008). Aktivasyon Yöntemleri ile Bentonitten Su Bazlı Kıvamlaştırıcı Üretiminin Araştırılması. (Doktora Tezi), İstanbul Üniversitesi, İstanbul
6. Erdoğan, Y., Kök, O. E., Tanrıverdi, İ. (2017). Çanakkale Tuzla Jeotermal Sondaj Sahası Çamur Maliyetinin Araştırılması. Çukurova University Journal of the Faculty of Engineering and Architecture, 32(4), 11-20
7. Huang, W., Leong, Y.-K., Chen, T., Au, P.-I., Liu, X., Qiu, Z. (2016). Surface chemistry and rheological properties of API bentonite drilling fluid: pH effect, yield stress, zeta potential and ageing behaviour. Journal of Petroleum Science and Engineering, 146, 561-569
8. Kargı, E. (2015). Sondaj Çamuru Uygulamaları İçin Kil-Polimer Etkileşimlerinin Belirlenmesi. (Yüksek Lisans Tezi), İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul

9. Okon, A. N., Udoh, F. D., Bassey, P. G. (2014). Evaluation of Rice Husk as Fluid Loss Control Additive in Water-Based Drilling Mud. The SPE Nigeria Annual International Conference and Exhibition, Lagos, Nigeria
10. Onat, N. (1971). Bentonitin Petrol Sondajlarında Kullanılması. Bilimsel Madencilik Dergisi, 10(5), 30-36
11. Özkan, A., Kaplan, B. M. (2019). Investigation of the Effects on Rheological and Filtration Properties of Water-Based Drilling Mud of Boron Minerals: An Experimental Study. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 25(7), 884-888
12. Yenipazar, Y. (2000). Büyükkılıçlı (Silivri) Bentonitinin Döküm ve Sondaj Sanayi Yönünden Özelliklerinin İncelenmesi. (Yüksek Lisans Tezi), İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul
13. Zhirong, L., Azhar Uddin, M., Zhanxue, S. (2011). FT-IR and XRD analysis of natural Na-bentonite and Cu(II)-loaded Na-bentonite. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 79(5), 1013-1016