| Abstract | In recent period, researchers have started conducting laboratory research to determine whether different types of biodegradable food waste can be used as additives in water-based muds (drilling fluids). Correctly designed composition of the mud is extremely important for the successful construction of the wellbore, since mud is complex fluid whose composition and properties affect the efficiency of drilling process. Therefore, any new type of additive must be researched in detail in relation to all the necessary properties that must be obtained during drilling operations. Wasted drilling mud and associated waste generated during drilling operations represents one of largest waste volumes accumulated during exploration and production projects in oil and gas industry, so this kind of research can have considerably positive results for the environment. Among the analyzed types of biodegradable waste, there is some data on the use of mandarin peel for these purposes, and due to the considerable annual production of this type of fruit in Croatia, it was decided that detailed laboratory research will be carried out on this type of biodegradable waste. By adding dried, grinded and sieved mandarin peel powder, in the water-based drilling mud, it was tested how this additive affects the mud filtration properties, rheological properties and the wellbore stability. Drilling muds that have a certain concentration of mandarin peel powder in their composition were compared with base mud which consists of water, bentonite and sodium hydroxide (NaOH). In addition to studying the influence of the concentration of mandarin peel powder, the influence of different particle sizes divided into two groups, particles smaller than 0.1 mm and particles between 0.10 mm and 0.16 mm in size, was also researched. The selected concentrations in the mud samples varied from 0.5% to 2% by the volume of water, since it was concluded during preliminary laboratory test phase that a concentration higher than 2% leads to a significant increase in plastic viscosity of the tested muds. On the basis of the conducted laboratory tests and the analysis of the results, useful insights were obtained on the effect of mandarin peel on the observed mud properties. Results show that mandarin peel have positive effect on mud filtration, since every mud sample with added mandarin peel powder showed decrease of filtrate volume. An exceptionally positive influence of mandarin peel powder was also observed in data obtained after swelling of pellets that have a clay component in their composition, when pellet is in contact with mud to which this eco-friendly additive is added. Laboratory tests showed significant swelling reduction, and this correlates well with results of filtration measurements which is essential to II prove the improvement of the wellbore stability. The rheological properties of mud samples that are containing mandarin peel were not decreased but also did not significantly increase observed properties. Rheological parameters show increase and remain within acceptable limits up to concentration of 1.5% of mandarin peel powder by volume of water. Because of this data set, the recommended concentration of this additive should be kept in the range of 1.0% to 1.5%, and at those concentrations observed additive has a significant positive effect on the filtration properties and wellbore stability as well as maintaining stable rheological properties at the same time. Considering the particle size used for laboratory research of mentioned mud properties, it can be concluded that slightly better results were obtained with larger particles between 0.10 mm and 0.16 mm but both sizes provide satisfactory water-based drilling mud properties. Also, by conducting laboratory tests of temperature stability, it can be concluded that water-based drilling mud with added mandarin peel powder is stable even after exposing the water-based drilling mud to temperatures up to 133 °C. |
| Abstract (croatian) | Mnogi komercijalno dostupni aditivi spadaju u kategoriju nerazgradivih i ekološki opasnih materijala te postoji potreba za pronalaženjem i stvaranjem novih ekološki prihvatljivih aditiva koji osiguravaju postizanje svih potrebnih svojstava isplake kao i komercijalno dostupni aditivi, ali uz minimalan utjecaj na okoliš. Stoga se posljednjih nekoliko godina aktivno provode mnoga istraživanja o mogućnostima primjene otpada od hrane i drugih vrsta biorazgradivog otpada u pripremi isplaka na bazi vode. Budući da su preliminarna ispitivanja pokazala pozitivan utjecaj praha kore mandarine na različita svojstva isplake na bazi vode, te uzevši u obzir razinu godišnje proizvodnje mandarina u Republici Hrvatskoj (40.580 tona u 2021. godini), korisno je detaljnije istražiti može li se otpad koji nastaje konzumacijom ovog voća iskoristiti u naftnoj industriji, odnosno za pripremu bušotinskih fluida.
Ciljevi i hipoteze
Ciljevi ovog rada su utvrditi primjenjivost koncepta kružne ekonomije u tehnologiji bušenja korištenjem otpadnog materijala (kore mandarine) u pripremi isplake te odabrati koncentraciju i veličinu čestica praha kore mandarine čija će primjena poboljšati reološka i filtacijska svojstva isplake, smanjiti bubrenje glinovitih stijena i posljedično povećati stabilnost kanala bušotine. Ciljevi su bazirani na tri hipoteze: (i) dodavanjem praha kore mandarine u isplaku na bazi vode poboljšat će se njena filtracijska i reološka svojstva, (ii) dodavanjem praha kore mandarine smanjit će se bubrenje glinovitih stijena i poboljšati stabilnost kanala bušotine i (iii) prah kore mandarine smanjit će toksičnost isplake.
Znanstveni doprinos
Rezultati ovog istraživanja donose uvid u odabir koncentracije i veličine čestica praha kore mandarine s ciljem optimiranja svojstava isplake i povećanja stabilnosti kanala bušotine u različitim bušotinskim uvjetima. Na temelju provedenih ispitivanja moguće je pojasniti mehanizam temeljem kojeg čestice praha kore mandarine djeluju na svojstva isplake i povećanje stabilnosti kanala bušotine te potvrditi primjenjivosti koncepta kružne ekonomije u području istraživanja ugljikovodika.
Metode i postupci
U svrhu definiranja utjecaja praha kore mandarine na odabrana fizikalna svojstva isplake na bazi vode provedena su detaljna laboratorijska ispitivanja prema standardima API 13A i 13B-1. Sukladno navedenim standardima za istraživanje utjecaja ovog biorazgradivog aditiva na bubrenje stijene korišteni su umjetno stvoreni uzorci stijene (peleti), a njihovo bubrenje ispitano je uređajem za mjerenje bubrenja (engl. Dynamic Linear Swell Meter). Laboratorijsko ispitivanje filtracije kroz keramičke diskove različite propusnosti u uvjetima povišenog tlaka i temperature provedeno je na uređaju za određivanje sposobnosti isplake da stvori premoštenje na licu formacije (propusnom mediju) (engl. Permeability Plugging Tester (PPT)). Primjenom skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) dobivene su SEM snimke površine isplačnog obloga kako bi se utvrdio mehanizam temeljem kojeg čestice praha kore mandarine čepe pore i tako smanjuju vrijednosti filtracije. Reološka svojstva (plastična viskoznost, naprezanje pri pokretanju i čvrstoća gelova) određena su Fann viskozimetrom model 35A.
Rezultati i zaključci
Kako bi se što bolje istražio utjecaj praha kore mandarine na filtracijska i reološka svojstva te smanjenje bubrenja umjetnih uzoraka glinovitih stijena (peleta), za usporedbu je odabrana isplaka na bazi bentonita (osnovna isplaka). Rezultati dobiveni laboratorijskim ispitivanjima osnovne isplake uspoređeni su s rezultatima ispitivanja osam isplaka na bazi vode u čijem se sastavu nalazila različita koncentracija praha kore mandarine različitih veličina čestica. Od toga su četiri isplake (oznake A1, A2, A3 i A4) sadržavale prah kore mandarine s česticama manjim od 0,10 mm, dok su preostale četiri isplake (oznake B1, B2, B3 i B4) sadržavale prah kore mandarine s veličinama čestica između 0,10 i 0,16 mm. Prah kore mandarine dodan je u sastav isplake u četiri različite koncentracije: 0,5% (oznake A1 i B1), 1% (oznake A2 i B2), 1,5% (oznake A3 i B3) i 2% (oznake A4 i B4) na volumen vode korištene za pripremu isplake. Laboratorijskim ispitivanjima utvrđeno je da prah kore mandarine značajno smanjuje API filtraciju isplake već pri koncentraciji praha kore mandarine od 0,5%, ali je dodatkom 2% praha kore mandarine volumen filtrata smanjen čak za 44% u odnosu na osnovnu isplaku. U uvjetima povišenog tlaka i temperature (34,5 bar i 88 °C) dobiveni su još bolji rezultati, odnosno zabilježeno je smanjenje volumena filtrata za čak 61,5% (isplaka B4) u odnosu na osnovnu isplaku. Vrijedno saznanje vezano za filtracijska svojstva je da prah kore mandarine uspijeva dodatno smanjiti filtraciju isplake na bazi vode koja sadrži PAC R (komercijalni aditiv za smanjenje filtracije) do čak 46,2%. Metodom 16- V satnog starenja isplake na povišenim temperaturama (75 °C, 100 °C, 125 °C, 133 °C, 142 °C i 150 °C) ispitivana je i temperaturna stabilnost isplake na bazi vode u koje je dodan prah kore mandarine te je dokazano da ovaj materijal ima pozitivan utjecaj na filtracijska svojstva isplake i nakon njenog dugotrajnog izlaganja temperaturama do 133 °C. Vrijednosti reoloških svojstava isplaka na bazi vode koje, u različitim koncentracijama i veličinama čestica, sadrže prah kore mandarine nisu smanjene, ali nisu niti značajno povećane što znači da dodavanje ovog materijala ne narušava navedena svojstva isplake. Općenito, dodavanjem praha kore mandarine (obje ispitivane skupine veličina čestica) vrijednosti reoloških svojstava ispitivanih isplaka se povećavaju, ali ostaju u prihvatljivim granicama do koncentracije od 1,5% praha kore mandarine na volumen vode. Pri koncentraciji od 2% praha kore mandarine (veličine čestica između 0,10 i 0,16 mm) značajno se povećavaju vrijednosti reoloških parametara. Korištenje isplake na bazi vode s 2% praha kore mandarine u bušotinskim uvjetima rezultiralo bi povećanim gubitkom tlaka pa se može zaključiti da je prihvatljiva koncentracija praha kore mandarine do maksimalno 1,5% na volumen vode za testirane veličine čestica. Iznimno pozitivan utjecaj praha kore mandarine uočen je i kod ispitivanja bubrenja umjetnih uzoraka stijene (peleta) koje u svom sastavu imaju glinovitu komponentu. Smanjenje bubrenja peleta u isplakama koje sadrže prah kore mandarine, u usporedbi s bubrenjem u osnovnoj isplaci, bilo je vidljivo već nakon dodavanja 0,5% ovog aditiva na volumen vode za pripremu isplake. Međutim, najbolji rezultati, odnosno najmanje bubrenje peleta, zabilježeno je u isplakama na bazi vode koje su sadržavale 2% praha kore mandarine. Smanjenje bubrenja peleta nakon 24-satnog ispitivanja bilo je do 45% u sobnim uvjetima, a do 48,6% na temperaturi od 90 °C. Jednako kao i za provedena ispitivanja filtracijskih svojstava, još bolji rezultati zabilježeni su u uvjetima povišene temperature u odnosu na sobne uvjete, a čestice veličine između 0,10 mm i 0,16 mm imaju nešto bolji učinak na smanjenje bubrenja, tako da ovi rezultati dobro koreliraju s rezultatima mjerenja filtracije što je bitno za procjenu poboljšanja stabilnosti kanala bušotine. Usporedbom zbirnih rezultata ispitivanja utjecaja praha kore mandarine na sva promatrana svojstva isplake na bazi vode, može se zaključiti da su nešto bolji rezultati dobiveni s većim česticama praha kore mandarine (između 0,10 mm i 0,16 mm), iako se s obje veličine dobivaju zadovoljavajuća svojstva ispitivanih isplaka. Dodavanjem praha kore mandarine u koncentraciji od 1,0% do 1,5% na volumen vode za pripremu isplake, bez obzira na veličinu čestica, dobiveni su iznimno pozitivni rezultati vezani uz filtracijska svojstva i stabilnost kanala bušotine. Navedena koncentracija može se smatrati optimalnom za pripremu VI isplake na bazi vode koja će se koristiti za izradu kvalitetnog kanala bušotine. Međutim, osim očitog pozitivnog utjecaja na filtracijska i reološka svojstva isplake te povećanje stabilnosti kanala bušotine, primjenom praha kore mandarine u isplakama na bazi vode doprinosi se i konceptu kružne ekonomije u tehnologiji bušenja obzirom da iz otpadnog materijala nastaje koristan aditiv za dizajn isplake. |
