AQUEOUS-BASED FOAM FLUIDS FOR UNDERBALANCED DRILLING APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ph.D. Dissertation) PhD Dissertation - Ahmed Hamdy Gowida - PE. Dept. - May 2024.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 29 May 2025. Download (6MB)

Arabic Abstract

حفر الآبار بضغوط تحت التوازن (UBD) قد اكتسب اعترافًا كبديل فعال لطرق الحفر التقليدية بضغوط فوق التوازن، حيث يعالج مختلف التحديات التشغيلية. يتم استخدام UBD على نطاق واسع في مجالات متعددة عالميًا نظرًا لقدرتها على تعزيز معدلات الحفر (ROP)، وتقليل الأضرار التي تلحق بالطبقات، وتقليل فقدان سائل الحفر، خاصة في الطبقات ذات الضغوط المنخفضة والمستهلكة والتي يوجد بها انشقاقات ذات نفاذية عالية. أصبح الرغوة، كسائل حفر منخفض الكثافة، بارزة في UBD بفضل خصائصها اللزوجة المرتفعة، لا سيما قدرتها على حمل الصخور المحفورة. ومع ذلك، يبقى الحفاظ على استقرار الرغوة في البيئات عالية الملوحة والقلوية، وهي ظروف مماثلة لما يوجد أسفل البئر، تحديًا كبيرًا. يركز هذا البحث على تطوير تركيبة جديدة لرغوة الحفر باستخدام عوامل رغوية ومضافات صديقة للبيئة، مع التحقيق في أدائها تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة. تم تقسيم الدراسة التجريبية إلى ثلاث مراحل: أولاً، فحص واختيار المواد الفعالة بناءً على توافقها مع الماء عالي الملوحة والبيئات معتدلة القلوية، باستخدام مياه البحر كسائل أساسي لتكوين الرغوة لأول مرة في تطبيقات رغوة الحفر للتغلب على ندرة موارد المياه العذبة؛ ثانيًا، تقييم خصائص الرغوة للمواد الفعالة المختارة، بما في ذلك الاستقرار واللزوجة تحت ظروف متغيرة مثل تركيز المادة الفعالة المسببة للرغوة، الضغط، درجة الحرارة، وجودة الرغوة؛ وثالثًا، تقييم تأثير المضافات (البوليمرات والمواد الصلبة الطينية) على استقرار الرغوة، ولزوجتها، وتحمل الهيدروكربونات، ومقارنة هذه التركيبات مع مزيج رغوة حفر تجاري. من بين المواد الفعالة المسببة للرغوة التي تم اختبارها، أظهر عامل الرغوة الصديق للبيئة أمونيوم إيثار سلفات الكحول (AAES) تحملاً كبيراً للملوحة العالية في البيئات معتدلة القلوية، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات UBD. تشمل النتائج الرئيسية أن AAES أظهر تحملاً ملحوظاً للملوحة العالية والبيئات معتدلة القلوية. طبقا للنتائج فإن تأثيرات تغيرات ضغط الغاز كانت كبيرة على استقرار الرغوة ولزوجتها حتى 60 درجة مئوية، مع ظهور درجة الحرارة كعامل رئيسي بعد هذا الحد في التحكم بخصائص الرغوة. البوليمرات مثل PAC وCMC وXgum عززت بشكل كبير من استقرار الرغوة ولزوجتها، مع إظهار PAC لأكبر تحسن. المواد الصلبة الطينية، وخاصة البنتونيت سعودي المصدر، حسنت من استقرار الرغوة ولزوجتها. مزيج من PAC والبنتونيت تفوق على الخلطات التجارية، محققًا لزوجة أعلى، واستقرارًا في تركيبات الرغوة. بالإضافة إلى ذلك، زيادة مقاومة الرغوة للتلوث بالهيدروكربونات عند إضافة PAC أو البنتونيت. خلصت الدراسة إلى أن بوليمرًا صديقًا للبيئة، مع الطين البنتونيت المستخرج محليًا في السعودية، يعزز من أداء رغوة AAES، مما يظهر إمكانية كبيرة لتطبيقات UBD ويتفوق على أداء الخلطات التجارية الموجودة.

English Abstract

Underbalanced drilling (UBD) has gained recognition as an effective alternative to conventional overbalanced drilling, addressing various operational challenges. UBD is widely utilized across multiple fields globally due to its ability to enhance rates of penetration (ROP), minimize formation damage, and reduce circulation losses, particularly in depleted and fractured formations. Foam, as a low-density drilling fluid, has become prominent in UBD due to its superior rheological properties, notably its cutting-carrying capacity. However, maintaining foam stability in high-salinity and alkaline environments, typical of downhole conditions, remains a significant challenge. This study focuses on developing a new drilling-foam formulation using eco-friendly foaming agents and additives, investigating its performance under elevated pressure and temperature conditions. The experimental study was divided into three phases: first, screening and selecting surfactants based on their compatibility with high salinity water and mildly alkaline environments, utilizing seawater as a base liquid for the foaming solutions for the first time in drilling foam applications to overcome the scarcity of fresh water resources; second, evaluating the selected surfactants' foaming properties, including stability and rheology under varying conditions such as surfactant concentration, water type, pressure, temperature, and foam quality; and third, assessing the impact of additives (polymers and clay solids) on foam stability, rheology, hydrocarbon tolerance, and yielding behavior, and comparing these formulations against a commercial drilling foam blend. Among the tested surfactants, the eco-friendly foaming agent Ammonium Alcohol Ether Sulfate (AAES) showed significant tolerance to high salinity in mildly alkaline environments, making it a promising candidate for UBD applications. Key findings include that AAES demonstrated notable tolerance to high salinity and mildly alkaline conditions. Gas pressure variations significantly impacted foam stability and viscosity up to 60°C, with temperature becoming the predominant factor beyond this threshold. Polymers such as Polyanionic cellulose (PAC), Carboxymethyl Cellulose Sodium (CMC), and Xanthan gum (Xgum) substantially enhanced foam stability and viscosity, with PAC showing the most significant improvement. Clay solids, particularly Saudi bentonite, improved foam stability and viscosity. A blend of PAC and bentonite outperformed commercial blends, yielding higher viscosity, stability, and yield point. Additionally, the incorporation of PAC or bentonite increased foam resistance to hydrocarbon contamination. The study concludes that an eco-friendly polymer combined with locally sourced Saudi bentonite clay enhances the performance of AAES foam, demonstrating the significant potential for UBD applications and surpassing the performance of existing commercial blends.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Research > Petroleum Research > Engineering Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Elkatatny, Salaheldin
Committee Co-Advisor:	Ibrahim, Ahmed
Committee Members:	Al Shehri, Dhafer and Abdulraheem, Abdulazeez and Kamal, Muhammad
Depositing User:	AHMED GOWIDA (g201708730)
Date Deposited:	30 May 2024 12:30
Last Modified:	30 May 2024 12:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142900