掘削泥水とパッカー流体用の超音波ミキサー
掘削流体（掘削泥水）は、油井、天然ガス井、試掘井（ワイルドキャット井）または水井戸の掘削を補助するために使用されます。超音波リアクターは、水系泥水（WBM、水性）、油系泥水（OBM、非水性）または合成基材泥水（SBM）の混合、分散、乳化、脱気に有効な技術です。
掘削泥水の配合と安定した品質は、今日の掘削作業における重要な要因です。泥水の組成と特性は、坑壁の安定性、潤滑、冷却、および掘進速度に影響します。掘削流体にわずかな問題があるだけでも、掘削作業全体が停止することがあります。密度が高すぎる、または重すぎる掘削泥水によって生じる過剰な圧力は、大幅な逸泥を引き起こす可能性があります。
WBMは通常、淡水、海水、または塩水（飽和塩水またはギ酸塩水）と、天然粘土およびポリマーから作られます。OBMとSBMは、油性基材（ディーゼル油、鉱油）または合成基材（オレフィンおよびパラフィン）を連続相（外相）、塩水を分散相（内相）とする逆エマルション系です。エマルションは、坑内で流入する水の混入に耐えられるだけの安定性を備えている必要があります。油中水型（逆油エマルション泥水）に比べ、水中油型（油エマルション泥水）はあまり一般的ではありません。超音波乳化は両方のエマルション型に有効で、内相の塩水または水に良好な電気的安定性をもたらします。
Hielscherの超音波リアクターは、生産用途に使用される、非常に効果的で強力なキャビテーションせん断ミキサーです。通常、超音波リアクターは、高い処理能力を持つシングルパス処理または循環式バッチ処理のためにインラインで使用されます。
超音波混合は、次の用途に使用できます。
- 添加剤の製造
- 高濃度マスターバッチの調製
- すぐに使用できる掘削流体またはパッカー流体の混合
- 掘削泥水の脱気
- より優れた掘削泥水の開発と配合
MultiSonoReactor MSR-4は、掘削泥水の工業生産に適した産業用インラインホモジナイザーです。超音波処理は、掘削流体の分散と脱気に使用されます。
掘削泥水用添加剤の製造
液状ポリマースラリーなどの化学薬品や添加剤の製造には、超音波せん断混合の高い処理能力と柔軟性が役立ちます。超音波混合は、増粘剤、ろ液低減剤、ポリマー添加剤などの添加剤の潜在能力を最大限に引き出します。超音波キャビテーションは、掘削泥水の混合中に粉体を迅速かつ完全に水和させます。
液体／液体エマルションの混合では、HielscherのMultiphaseCavitatorが、強力なキャビテーションせん断領域における二相のインライン混合を改善します。 MultiphaseCavitatorの詳細については、こちらをクリックしてください！
超音波混合は、液体中の境界層や粒子における物質移動を改善します。これにより、塩化カルシウム塩水、臭化カルシウム塩水、臭化亜鉛塩水、またはギ酸カリウムおよびギ酸セシウムの塩水など、塩水や飽和塩水の調製に必要な時間が短縮されます。
粘土または添加剤のマスターバッチ
超音波せん断混合を使用すると、炭酸カルシウム（白亜）、解膠剤、捕捉剤などの高濃度または高密度マスターバッチを作製し、その後、最終的な掘削泥水配合物に添加できます。
掘削流体とパッカー流体の製造
頁岩の安定性、粘度、冷却、潤滑などの掘削泥水の性能は、多くの要因に左右されます。品質の均一性と一貫性は極めて重要です。超音波せん断混合は、均一な粒度分布の実現に非常に効果的で、その結果、分散安定性とエマルション安定性が向上します。これにより、保管中、輸送中、または泥水ピット内での相分離や沈降を防ぎます。
今日、掘削泥水の仕様は頻繁に変更されます。Hielscherの超音波リアクターは、掘削流体の配合変更に非常に柔軟に対応できます。従来のバッチ混合から超音波インラインシングルパス混合に切り替えることで、同じ超音波装置で異なる種類の掘削泥水を作製できます。これにより、在庫と保管期間の削減に役立ちます。
通常の粘土（例えばベントナイト）や、特別な処理を施した親有機性粘土を流体中に分散させると、高粘度、チキソトロピー性、またはせん断減粘性を持つゲルやスラリーが生成されます。強い超音波せん断にさらされると、粘度が低下し、自由に流動する状態になります。これにより、分散と取り扱いが容易になります。このため、超音波処理は、チキソトロピー性およびせん断減粘性スラリーの混合に非常に効果的です。超音波処理によって、ベントナイト粒子／板状粒子の分散が改善され、ゲル化特性が向上します。 ベントナイトの超音波分散の詳細については、こちらをクリックしてください！
ベントナイトの超音波分散（超音波ミキサーUIP2000hdTを使用）
レオロジー調整剤、増粘剤、安定剤（例えばガム類、グリコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアニオン性セルロース（PAC）、デンプン）は、最大限の効果を発揮するために良好な分散を必要とします。 キサンタンガムやグアーガムなどの増粘剤の超音波分散の詳細については、こちらをクリックしてください！
亜硫酸バリウム（重晶石）などの加重剤は、保管中、輸送中、または掘削中に泥水から分離してはなりません。ストークスの法則に従えば、小さな粒子は沈降が遅くなるか、まったく沈降しません。超音波分散は、分散の不安定化を引き起こす可能性のある大きな凝集体の形成を防ぎます。系を分散させることで固形分に対する許容量を増やすことができ、次の密度まで加重することが可能になります：最大20 lb/ガロン (US) または2.4g/cm3.
掘削泥水の脱気
掘削泥水の調製時には、ベントナイト粘土粉末やその他の添加剤粉末によって、大量の空気が掘削泥水に取り込まれます。この気体は液体系内に閉じ込められ、分離や乳化剤または安定剤の性能低下を引き起こす可能性があります。超音波処理中に圧縮（高圧サイクル）と膨張（低圧サイクル）が繰り返されると、溶存気体が移動し、小さな微細気泡が形成されます。続いて超音波が、これらの気体の微細気泡を合一させます。超音波による強いキャビテーションせん断は、せん断減粘性およびチキソトロピー性を持つ掘削流体の粘度を低下させます。これにより、気泡がより速く上昇します。その結果、下流の分離タンクまたは真空脱気における気体分離が改善されます。脱気は泥水の比重を高め、粘度を下げ、分離の問題を軽減します。気泡が少なくなると、乳化剤、安定剤、界面活性剤、分散剤の使用量が減ります。これにより、バレル当たりのコストが削減されます。気体含有量の低減は、好気性微生物の増殖を抑制することもできます。
UIP1000hdによる超音波脱気前後の水系掘削泥水
研究および画像：Amani et al. 2016
掘削泥水の配合開発と適応
新しい規制は、環境への影響を最小限に抑えるため、泥水に使用できる特定の化学薬品の量を制限しています。そのため、新しい規制の枠組みに合わせて配合を調整する必要があります。超音波処理は、掘削泥水の各成分の性能を最大限に引き出すのに役立ち、材料の使用量を減らし、より低コストの材料を使用できるようにします。Hielscherは、自社ラボで掘削泥水の配合試験を提供しています。これには、せん断の有無それぞれの条件で、さまざまな温度における動粘度を測定することも含まれます。
産業用途向けの高負荷対応設計
Hielscherの超音波リアクターは、大きな粒子や凝集体、および摩耗性のある粒子や凝集体を処理できます。そのため、凝集体を含むポンプ移送可能なスラリーや掘削泥水の成分を出発材料として使用できます。粉体や粒子を流体に混合する際、超音波プローブの摩耗は、ローター・ステーターミキサーや高圧ホモジナイザーよりもはるかに少なくなります。Hielscherの超音波プローブはグレード5のチタン製で、例えばWBMに淡水の代わりに海水を使用する場合などに、耐食性が向上します。超音波リアクターには回転シールやベアリングがありません。Hielscherの超音波ミキサーは、陸上および海上（リグ）での高負荷用途に対応する産業用機器です。通常、超音波リアクターは設置面積を小さくするために垂直に配置されます。
石油・ガス産業における超音波混合の用途は、掘削泥水以外にも幅広く及びます。
- 排出液およびプロセス流体の脱気
- 捕捉剤（例えばH2S捕捉剤）や、スケール抑制剤および腐食抑制剤などの保護用化学薬品との混合
- セメントの凝結時間を短縮し、セメンチングを迅速化
- 飽和塩水またはギ酸塩水の超音波調製
- 掘削泥水中の細菌活動の低減
- 脱硫などの下流工程での石油処理
- 石油および堆積物のサンプル調製
文献／参考文献
- Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Wavesfor Degassing of Drilling Fluids and Crude OilsApplication of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2; 2016.
- Amani, Mahmood; Retnanto, Albertus; Aljuhani, Salem; Al-Jubouri, Mohammed; Shehada, Salem; Yrac, Rommel (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. Conference: International Petroleum Technology Conference 2015.