Understanding the Correlation and Limitations of Turbidity (NTU), Total Suspended Solids (TSS), and Maximum Particle Size in Completion Fluid Filtration

Zusammenfassung

Bei Arbeiten auf Ölfeldern, insbesondere bei der Fertigstellung von Bohrlöchern und bei Workover-Aktivitäten, ist die Sauberkeit der Flüssigkeiten von größter Bedeutung. Trübung (NTU) und Gesamtschwebstoffe (TSS) sind zwar gängige Indikatoren für die Bewertung der Flüssigkeitsqualität, doch geben diese Messgrößen allein keinen vollständigen Überblick über das Potenzial einer Flüssigkeit, die Formation zu beschädigen. Außerdem spielt die maximale Partikelgröße in der Flüssigkeit – die oft übersehen wird – eine entscheidende Rolle bei der Verstopfung der Formation. In diesem Beitrag werden die Grenzen des alleinigen Verlassens auf NTU und TSS erläutert, die Bedeutung der Kontrolle der Partikelgröße durch hocheffiziente Filtration hervorgehoben und bewährte Verfahren zur Sicherstellung der Bohrlochintegrität und Maximierung der Produktion skizziert.

Einführung

Das Hauptziel von Komplettierungs- und Workover-Operationen ist es, die sichere und effiziente Produktion oder Injektion von Flüssigkeiten aus oder in ein Bohrloch zu ermöglichen, wiederherzustellen oder zu optimieren und gleichzeitig die Integrität des Reservoirs zu erhalten und die Leistung des Bohrlochs während seiner produktiven Lebensdauer zu maximieren. Die bei diesen Arbeiten verwendeten Flüssigkeiten müssen frei von schädlichen Feststoffen sein, die die Formation verstopfen, die Durchlässigkeit verringern oder die Benetzbarkeit verändern können. In der Industrie wird der Reinheitsgrad traditionell anhand von NTU-Werten und in einigen Fällen anhand von TSS-Messungen beurteilt. Weder NTU noch TSS erfassen jedoch die Partikelgrößenverteilung, die häufig die unmittelbare Ursache für Verstopfungen im Reservoir ist.

Schlüsselmetriken der Filtration: NTU, TSS, und Partikelgröße

Trübung (NTU)

– Ein schnelles, optisches Verfahren zur Abschätzung des Vorhandenseins von Schwebeteilchen auf der Grundlage von Lichtstreuung. Ein einfaches, kostengünstiges Handgerät kann die Trübung genau messen.
– Es reagiert empfindlich auf Partikelgröße, -form und -zusammensetzung, kann aber nicht die tatsächliche Masse oder Anzahl angeben.

Gesamte Schwebstoffe (TSS)

– Misst die Masse der zurückgehaltenen Feststoffe pro Volumeneinheit (mg/L) durch Filtration.
– Quantifiziert direkt die Belastung, gibt aber keinen Hinweis auf die individuelle Partikelgröße.

Maximale Partikelgröße

– Das größte in der Flüssigkeit vorhandene Partikel.
– Ein einzelnes übergroßes Partikel – selbst in geringen Mengen – kann Porenverschlüsse oder Kiespackungsöffnungen verstopfen, insbesondere in Formationen mit geringer Durchlässigkeit.

Die Gefahr großer Partikel in optisch klaren Flüssigkeiten

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass klare Flüssigkeiten (niedriger NTU-Wert) immer sicher sind. Eine Flüssigkeit kann sauber erscheinen, aber große, isolierte Partikel enthalten, die sich der optischen Erkennung entziehen und irreversible Schäden an der Formation verursachen.
– Beispiel: Ein 100-µm-Partikel in einer 1-NTU-Flüssigkeit hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Lichtstreuung, kann aber in einer 100-mD-Formation die Poren verstopfen.
– Das Verhältnis zwischen der Größe des Porenraums und der maximal zulässigen Partikelgröße muss bei der Auswahl der Filterung berücksichtigt werden. Eine allgemeine Faustregel:
o Für 1000 mD-Formationen: maximale Partikelgröße ≤ 100 µm
o Für 100 mD: ≤ 40 µm
o Für <10 mD: ≤ 10 µm oder weniger

Felddaten: TSS und NTU sind inkonsistente Prädiktoren für das Feststoffrisiko

Eine Studie in Westafrika mit verschiedenen Sole- und Grundwässern ergab:
– eine starke Korrelation (R² = 0,996) zwischen NTU und TSS in Grundwässern
– eine mäßige Korrelation (R² = 0,765) bei Solen
– Schwache Korrelation (R² = 0,186) in Sole- und Zusatzstoffgemischen
Dies beweist, dass keine der beiden Messgrößen allein das Vorhandensein gefährlicher Partikel zuverlässig widerspiegelt.

Bedeutung der hocheffizienten Filtration (Beta 5000)

Um Schutz vor Formationsschäden zu gewährleisten, muss ein Filtrationssystem:
– praktisch alle Partikel entfernen, die größer als eine kritische Größe sind
– einen Abscheidegrad von 99,98 % bei der angestrebten Mikrongröße erreichen
Beta Ratio (β):
– Ein Beta-5000-Filter bedeutet, dass von 5000 Partikeln, die bei einer bestimmten Mikrongröße in den Filter gelangen, nur ein einziger durchgelassen wird.
– Empfohlene Mikrongröße:
o 1-10 µm für kritische Anwendungen (z.B. bei Unterdruck oder offenen Bohrungen)

Empfehlungen für die Praxis

Schlussfolgerung

Fertigstellungsflüssigkeiten müssen wirklich sauber sein – nicht nur klar für das Auge oder innerhalb akzeptabler Gewichtsgrenzen, sondern frei von Partikeln, die irreversible Formationsschäden verursachen können. Die Trübung (NTU) und der Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen (TSS) sind zwar hilfreiche Indikatoren für die Sauberkeit von Flüssigkeiten, reichen aber nicht aus, wenn sie allein verwendet werden. Diese Messungen berücksichtigen nicht die maximale Partikelgröße, die ein entscheidender Faktor für den Schutz der Durchlässigkeit des Reservoirs ist.

Um die Integrität des Bohrlochs zu schützen und eine effiziente Produktion zu gewährleisten, müssen Filtrationsstrategien die hocheffiziente, größenspezifische Partikelentfernung in den Vordergrund stellen. Dies erfordert den Einsatz von Filterkerzen mit Beta-Klassifizierung, insbesondere mit Beta 5000 oder höher, die eine Abscheidungseffizienz von 99,98 % für die Zielpartikelgröße garantieren. Die geeignete Partikelgröße – in der Regel 2, 5 oder 10 Mikrometer – sollte auf der Grundlage der Durchlässigkeit der Formation ausgewählt werden, um ein Verstopfen der Poren zu verhindern und die Beschädigung der Formation zu minimieren.

Es ist wichtig, dass solche Filter von vertrauenswürdigen Herstellern bezogen werden, die eine gleichbleibende Filtrationsleistung garantieren können. Nur so kann die Qualität der Flüssigkeit sichergestellt werden, bevor sie in das Bohrloch gelangt.

Obwohl NTU-Messgeräte die Partikelgröße oder -anzahl nicht direkt messen, sind sie ein unschätzbares Hilfsmittel. Wenn sie richtig kalibriert und nach der Filtration verwendet werden, kann ein NTU-Messwert einen schnellen Hinweis auf die Systemleistung geben. Ein plötzlicher Anstieg der NTU-Werte deutet in der Regel auf ein Filtrationsproblem hin – sei es aufgrund eines Bypasses, eines Filterfehlers oder einer vorgeschalteten Verunreinigung.

Kurz gesagt, eine ordnungsgemäße Filtration mit hocheffizienten Filtern mit absolutem Grenzwert in Verbindung mit einer NTU-basierten Überwachung ist nicht nur eine gute Praxis, sondern auch eine wichtige Versicherung gegen Formationsschäden, Produktionseinbußen und kostspielige Sanierungen.