BR0009559B1 - composição de fluido de perfuração à base de água. - Google Patents

Description

"COMPOSIÇÃO DE FLUIDO DE PERFURAÇÃO À BASE DEÁGUA"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito em geral a polímerosanfóteros contendo nitrogênio quaternário, e seu uso em fluidos deperfuração.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O sucesso de uma operação de perfuração de poços dependede muitos fatores, nenhum dos quais sendo mais importante do que o fluidoou lama de perfuração. Os fluidos de perfuração realizam uma variedade defunções que influenciam a velocidade da perfuração, o custo, aeficiência e a segurança da operação. Mais especificamente, aslamas de perfuração impedem o influxo dos fluidos de formação no furo dopoço, formações permeáveis expostas à vedação para impedir ovazamento do fluido de perfuração na formação, manter* aestabilidade das formulações expostas, esfriar e lubrificar a broca e o condutode perfuração, deter a pressão e estabilizar a formação, porexemplo a inibição do xisto. Quanto mais o fluido de perfuraçãopreencha estes requisitos, mais afeta o custo da operação e a produtividade dopoço.

Durante a operação, os fluidos de perfuração são bombeadosdescendentemente em uma haste oca, através de bocais na broca no fundo dopoço, e suporta o anel circular formado pelo furo ou revestimento e retornamà superfície. Uma vez alcançando a superfície, o fluido de perfuração épassado através de uma série de telas vibratórias, tanques de sedimentação,hidrociclones e centrífugas, para remover os detritos de formação trazidos àsuperfície. Daqui em diante ele é tratado com aditivos para obter o conjuntodesejado de propriedades; ele é bombeado de volta ao poço e o ciclo érepetido.Os fluidos de perfuração são geralmente compostos delíquidos, por exemplo água, óleos de petróleo, óleos sintéticos e outroslíquidos orgânicos; aditivos inorgânicos e orgânicos dissolvidos, e sólidos devários tipos finamente divididos, em suspensão. Os fluidos de perfuração sãoclassificados de acordo com a natureza da fase contínua; assim, existemquatro divisões principais: gasosa (incluindo espuma), base de água, base deóleo, ou sintética. A crescente preocupação entre as agências governamentaise ambientais sobre o impacto ambiental dos fluidos de perfuração temconduzido a um aumento significativo na confiança da indústria nas lamascom base em água. De fato, cerca de 85% de todos os fluidos de perfuraçãohoje usados são sistemas com base em água. Os tipos dependem dacomposição da fase água (pH, teor iônico, etc.), reforçadores da viscosidade(argilas, polímeros ou uma combinação), agentes de controle da filtração(argilas, polímeros ou uma combinação) e outros agentes de controlereológico [desfloculantes ou dispersantes (qv)]. Geralmente, existem seiscategorias principais de tipos de lamas com base em água:

Agua Doce. Os fluidos de água doce variam de água pura nãotendo qualquer aditivo para lamas de alta densidade contendo argilas, barita evários aditivos orgânicos. A composição da lama é determinada pelo tipo deformação a ser perfurado. Quando um fluido viscoso é requerido, as argilase/ou polímeros solúveis em água (qv) são adicionados. Agua doce é idealpara formular fluidos de perfuração estáveis, já que muitos aditivos da lamasão mais eficazes em um sistema de baixa intensidade iônica. Os aditivosinorgânicos e/ou orgânicos controlam o comportamento reológico das argilas,particularmente em temperaturas elevadas. Polímeros e/ou argilasintumescíveis em água e solúveis em água podem ser usados para controlar afiltração. O pH da lama é geralmente alcalino e, de fato, os agentes decontrole da viscosidade como as argilas montmorilonitas são mais eficientesem um pH > 9. O hidróxido de sódio é, por grande diferença, o agente decontrole da alcalinidade mais amplamente utilizado. As lamas de água docepodem ser pesadas com agentes insolúveis até a densidade desejada requeridapara controlar as pressões da formação.

Água do Mar. Muitos poços marítimos são perfurados usando-se um sistema de água do mar, por causa da fácil disponibilidade. As lamasde água do mar geralmente são formuladas e mantidas da mesma maneira queuma lama de água doce é usada. No entanto, por causa da presença de saisdissolvidos na água do mar, mais aditivos eletrólitos estáveis são necessáriospara se obter as propriedades desejadas de fluxo e de filtração (qv).

Água Salgada. Em muitas áreas de perfuração, tanto terrestresquanto marítimas, houve a penetração dos leitos de sal ou cúpulas de sal. Aslamas saturadas de sal são usadas para reduzir o aumento do furo que deveresultar da dissolução de sal de formação mediante contato com um líquidosubsaturado. Nos Estados Unidos, as formações de sal são principalmentecompostas de cloreto de sódio. Em outras áreas, por exemplo na EuropaSetentrional, o sal pode ser composto de sais misturados, predominantementecloretos de magnésio e de potássio. Tem-se tornado bastante comum o uso delamas de alto teor de sal (20 a 23% em peso de NaCl) em poços emperfuração em regiões de águas profundas (profundidade da água de > 500m) do Golfo do México. As razões são duplas: estabilização de xistossensíveis à água e inibição da formação de hidrato gasoso. A alta salinidadedas lamas de água salgada pode requerer argilas e aditivos orgânicosdiferentes daqueles usados nas lamas de água doce ou água do mar. Asargilas de água salgada e os polímeros orgânicos contribuem para aviscosidade. As propriedades de filtração são ajustadas usando-se amido (qv)ou polímeros celulósicos. O pH varia daquele da salmoura de composiçãoque pode ser um tanto acídico, até 9 a 11 mediante o uso de hidróxido desódio ou cal.

Tratada com Cal. As lamas de água doce ou água do marpodem ser tratadas com gesso ou cal, para minorar os problemas deperfuração que podem surgir das formações conduzindo xisto ou argilasensível à água. As lamas de gesso (gesso adicionado) são geralmentemantidas em um pH de 9 a 10, enquanto as lamas de cal (cal adicionada) osão na faixa de pH 12 a 13. As lamas tratadas com cálcio geralmenterequerem mais aditivos para controlar as propriedades de fluxo e de filtração,do que aquelas sem gesso ou cal.

Tratada com Potássio. Em geral, os sistemas tratados compotássio combinam um ou mais polímeros e uma fonte de íons de potássio,principalmente cloreto de potássio, de modo a evitar problemas associadoscom certos xistos sensíveis à água da perfuração. As propriedades de fluxo ede filtração podem ser bem diferentes daquelas dos outros fluidos à base deágua. As lamas de potássio têm sido aplicadas nas mais ativas regiões deperfuração ao redor do mundo. Regulações ambientais nos Estados Unidostêm limitado o uso de lamas de potássio em perfurações marítimas, devido àevidente toxicidade dos altos níveis de potássio no teste de bioensaiorequerido pelas autorizações de descarga.

Baixo Teor de Sólidos. Agua doce, argila, e polímeros paraintensificar a viscosidade e controle da filtração, compõem as lamas de baixoteor em sólidos e dos assim chamados polímeros não dispersos. As lamas debaixo teor de sólidos são mantidas usando-se quantidades mínimas de argila erequerem remoção de todos, exceto modestas quantidades, os sólidos daperfuração. As lamas de baixo teor de sólidos podem ser pesadas atédensidades elevadas, mas são usadas principalmente no estado não pesado. Avantagem principal destes sistemas é a alta velocidade de perfuração quepode ser alcançada por causa do menor conteúdo de sólidos coloidais. Ospolímeros são usados nestes sistemas para proporcionar a reologia desejada,especialmente a xantana tem provado ser um agente de suspensão de sólidoseficaz. Estas lamas de baixo teor de sólidos são normalmente aplicadas emformações duras, onde o aumento da velocidade de penetração pode reduziros custos de perfuração significativamente e a tendência à formação desólidos é mínima.

A bentonita é sem dúvida a argila mais comumente usada emlamas de perfuração, porque ela fornece excelentes propriedades reológicas ede filtração à lama, especialmente em combinação com polieletrólitos comoCMC. A argila bentonita, que é principalmente montmorilonita (um tipoesmectita de argila), existe de plaquetas muito finas (lâminas), Váriastentativas têm sido feitas para determinar o tamanho de partículas damontmorilonita sódica, mas isto é bastante difícil por causa da formairregular plana e fina das plaquetas e por causa da ampla faixa de tamanhos.

As plaquetas de argila apresentam uma capacidade superior para inturgesceruniformemente em água doce após aplicação de cisalhamento. Aintumescência da argila bentonita aglomerada desidratada, quando ela fica emcontato com a água, é causada pela penetração das moléculas da água entre asplaquetas de argila. A pressão da intumescência é tão forte que as camadas seseparam em agregados menores e até em camadas unitárias individuais comuma espessura de 10 À. Assim sendo, uma suspensão relativamente estável daargila hidratada pode ser obtida.

Em suspensões aquosas, as bordas das plaquetas de argilas dotipo esmectita, tais como a bentonita, são positivamente carregadas, enquantoas faces são negativamente carregadas. Por causa destas cargas opostas,existe uma interação com as bordas positivas e as faces negativas. Noentanto, em uma suspensão de argila hidratada em água doce (semeletrólitos), estas interações eletrostáticas são um tanto fracas por causa dacamada espessa de água ligada ao redor das plaquetas de argila. Esta camadade água espessa mantém as partículas distantes uma da outra, de modo que aargila fica quase completamente dispersa, mas ainda uma floculação muitofraca permanece, como é mostrado pelas propriedades do gel e tensão dedeformação.

Uma ampla variedade de polímeros orgânicos também serve avárias finalidades úteis nos fluidos de perfuração, tais como o aumento daviscosidade e o controle das velocidades de filtração, que freqüentementeestão diretamente relacionados ao grau de floculação e agregação daspartículas de argila na lama de perfuração. A capacidade para reduzir a perdade fluido é também influenciada por estas propriedades, isto é, de modo aformar uma boa torta de filtragem para minimizar a perda de filtrado naformação, a suspensão de argila deve estar em uma condição desfloculada.Estes polímeros são ou polissacarídeos naturais, por exemplo amido, gomaguar, goma xantana e outros biopolímeros; ou derivados de polímerosnaturais, por exemplo derivados de celulose, amido, guar e outrosbiopolímeros; ou lignossulfonato, lignita e polímeros sintéticos, por exemplopolímeros e copolímeros de ácido acrílico, acrilonitrila, acrilamida e ácido 2-acrilamido-2-metilpropanossulfônico (AMPS). Os reforçadores poliméricosde viscosidade mais comumente usados são os celulósicos, amidos, gomaxantana e poliacrilamidas.

A carboximetil celulose de sódio (CMC) e a celulosepolianiônica (PAC), uma CMC que tenha um alto grau de substituição (DS)comumente maior do que 1,0, são dois dos polímeros aniônicos maisamplamente usados nos fluidos de perfuração, de modo a controlar aviscosidade e as velocidades de filtração. A eficácia da CMC, sendo umpolieletrólito, como um reforçador da viscosidade tem suas limitações,porém, à medida em que sua eficácia decresce com o aumento daconcentração de eletrólito. Uma CMC de DS mais elevado (por exemploPAC) oferece boa redução da perda de fluido em um sistema contendoeletrólito com uma argila do tipo esmectita.

Em água doce, as CMCs de DS baixo adsorvem-se nas argilasdo tipo esmectita, tais como a bentonita, enquanto as CMCs de DS maiselevado (por exemplo PACs) apresentam uma quantidade reduzida deadsorção. Apenas uma quantidade muito pequena de uma CMC de baixo DS(DS - 0,7) é suficiente para realizar a completa dispersão da argila à medidaem que ela se adsorve nas bordas positivas das plaquetas. Esta completadispersão resulta em uma redução da intensidade de gel a quase zero. Emgeral, uma boa suspensão dispersa de argila esmectita/CMC dá uma boaformação da torta de filtragem, e um excelente desempenho de redução daperda de fluido é obtido. Um tal sistema não demonstra, no entanto,significativa intensidade de gel e limite de escoamento.

Fica claro que as propriedades reológicas de um fluido deperfuração determina muitíssimo o sucesso da operação global da perfuração.As propriedades reológicas da lama determinam muitíssimo (1) a eficiênciade limpeza do furo e a estabilidade do furo, (2) a eficiência dos cortes dasuspensão, (3) o desempenho hidráulico da lama, (4) a facilidade dasoperações de manipulação da lama, e (5) a velocidade de penetração. Osrequisitos reológicos destas diversas finalidades podem freqüentementeconflitar-se, de modo que é necessário otimizar as propriedades da lama a fimde se obter um melhor desempenho global. As propriedades reológicasótimas são necessárias para que se conduza os cortes perfuradoseficientemente para a superfície. Enquanto se perfura, a viscosidade de altocisalhamento não deve ser muito elevada para permitir uma eficientetransmissão do cavalo-vapor hidráulico do fluido de perfuração para a broca.Porém, quando a circulação é lenta ou interrompida, a viscosidade deve serelevada e a intensidade de gel deve ser suficiente para impedir/minimizar asedimentação dos cortes. Tal perfil de reoiogia pode ser obtido pelo uso deum sistema tixotrópico, que, no caso de um sistema de argila tipo esmectita,pode ser realizado com um sistema um tanto floculado em que as ligações daspartículas são temporariamente quebradas pela/durante a agitação e sãoapenas restauradas durante o repouso. Por outro lado, o fluido de perfuraçãodeve cobrir a parede do poço com uma torta de filtragem fino de modo aestabilizar o poço e impedir a perda do fluido de circulação na formaçãoporosa perfurada. Em geral isto é feito mais eficientemente mediante umasuspensão de argila bem dispersa.

A reologia e, assim, as propriedades de fluxo de uma lama deperfuração, são influenciadas:

1. pelo estado de hidratação e dispersão das partículas deargila na fase aquosa e pela quantidade delas;

2. pela reologia da fase aquosa, já que ela pode ser modificadapor aditivos (viscosificadores), por exemplo pelos polímeros anteriormentemencionados;

3. pelas forças interpartícuias da argila, bem como pelainteração dos polímeros com a argila e/ou entre si.

Assim, o teor de sólidos está relacionado com a reologia dalama, bem como com a densidade da lama. E, em geral, quanto maior o teorde sólidos de uma lama (argilas adicionadas e cortes da perfuração, quepodem tornar-se dispersos), maior serão a dificuldade e a demora da limpezada lama. A este respeito, os sistemas de lama de baixo teor de sólidos podemmelhorar a velocidade de penetração. Para manter o perfil reológico desejadopara tais sistemas de lama de baixo teor de sólidos, polímerosviscosificadores são adicionados. Exemplos de tais polímeros são a xantana,as CMCs de peso molecular elevado e os polímeros acrílicos.

A invenção reivindicada diz respeito ao uso de polímerosanfóteros solúveis em água contendo nitrogênio quaternário, que provaramser modificadores muito eficientes da reologia do fluido de perfuração,especialmente quanto a um sistema contendo argila do tipo esmectita, aomesmo tempo em que ele possibilita utilizações muito baixas da argila efornece as características desejadas do fluido de perfuração. Os aditivos dainvenção melhoram o desempenho global da lama, pela intensificação dasseguintes propriedades:

• um comportamento de reologia pseudoplástico

• um limite de escoamento e intensidade de gel suficientescom uma formação rápida da intensidade de gel nos primeiros 10 segundos

· uma Viscosidade Plástica de baixa a moderada

• suficiente redução da perda de fluidoSUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito, de uma forma geral, a umacomposição de fluido de perfuração com base em água, que compreendeágua, pelo menos um reforçador da viscosidade, e pelo menos um agente decontrole reológico. O agente de controle reológico é preferivelmente umpolímero anfótero contendo tanto grupos catiônicos quanto grupos aniônicos,em que ditos grupos catiônicos compreendem grupos de amônio quaternário.

Polímeros anfóteros preferidos são os polímeros solúveis emágua contendo nitrogênio quaternário (QN-WSPs), tais como a carboximetilcelulose anfótera contendo nitrogênio quaternário. O reforçador daviscosidade é preferivelmente uma argila do tipo esmectita (por exemplo, abentonita).

A invenção também considera um sistema de fluido deperfuração à base de água, que compreende, como um agente de controlereológico, uma combinação de um polímero catiônico em que os gruposcatiônicos compreendem grupos de amônio quaternário e um polímeroaniônico, com ou sem o polímero anfótero acima mencionado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito, em geral, a uma composiçãode fluido para perfuração com base em água, a qual compreende água, pelomenos um reforçador da viscosidade, e pelo menos um agente de controlereológico. O agente de controle reológico é preferivelmente um polímeroanfótero contendo tanto grupos catiônicos quanto grupos aniônicos, em queditos grupos catiônicos compreendem grupos de amônio quaternário, isto é,polímeros anfóteros solúveis em água contendo nitrogênio quaternário (QN-WSPs). Em outra modalidade, a invenção considera um sistema de fluidopara perfuração com base em água, que compreende, como um agente decontrole reológico, uma combinação de um polímero catiônico, em que osgrupos catiônicos compreendem grupos de amônio quaternário, e umpolímero aniônico, com ou sem o polímero anfótero acima mencionado. Osfluidos de perfuração da presente invenção podem compreender QN-WSPsou sozinhos, ou em combinação com aditivos poliméricos convencionais.

Como um reforçador da viscosidade, as composições de fluidopara perfuração da presente invenção podem conter qualquer argila comercialusada para aumentar a viscosidade de fluidos de perfuração. Preferivelmente,as argilas do tipo esmectita, tais como as montmorilonitas (por exemplobentonita), são empregadas assim como os tipos de camadas mistas e aatapulgita e a sepiolita. Sem que se deseje estar limitados por qualquer teoriaparticular, acredita-se que, por causa da forte interação dos grupos catiônicosdos QN-WSPs da presente invenção com as partículas da argila do tipoesmectita na lama de perfuração, os QN-WSPs da presente invenção sãomuito eficientes em prover suficiente intensidade de gel e tensão deescoamento a uma lama com base em argila do tipo esmectita em água doce.A bentonita, uma argila do tipo esmectita, é o reforçador de viscosidade maispreferido, ou sozinho ou em combinação com outras argilas comerciais.

Os QN-WSPs da presente invenção podem ser divididos emdois amplos tipos: aqueles contendo polímeros solúveis em águasinteticamente derivados, e aqueles contendo polímeros solúveis em águasemi-sinteticamente derivados ou naturais, por exemplo os derivados depolissacarídeos, que são polissacarídeos substituídos por um ou mais gruposfuncionais como substituintes por eterificação, esterificação, amidação etc.

Os QN-WSPs anfóteros da presente invenção, compreendendoum derivado de polissacarídeo, têm a seguinte fórmula geral:

<formula>formula see original document page 12</formula>

em que R1 é H ou OH, R2, R3 e R4 são os mesmos ou diferentes e sãoselecionados de grupos alquila C1-C24. arila C6-C24, aralquila C7-C2^ alcarilaC7-C24, cicloalquila C3-C24, alcoxialquila C2-C24 e alcoxiarila C7-C24, ou R2,R3, R4 e o átomo de nitrogênio quaternário formam um anel heterocíclicoalifático ou aromático como um anel de piridínio e outros; η é um númerointeiro de 1 a 4, B é selecionado de O, OC(O), C(O)O, C(O)-NH, NHC(O), S,OSO3, OPO3, NH ou NR5, em que R5 é uma acila C2-C6, ou um radical alquilaC1-C4, [A]m é um polissacarídeo ou derivado de polissacarídeo aniônicosolúvel em água, m é maior do que 10, preferivelmente IOa 50.000, e aindamais preferível IOa 30.000, e X" é um ânion.

Materiais de partida de polissacarídeo preferidos para o QN-WSP anfótero incluem, mas a estes não se limitam, membros das famílias doamido e da celulose, as gomas naturais tais como a guar, as gomasbioderivadas, tais como a xantana, e outros. Tipicamente, os polissacarídeosanfóteros contêm, ou foram fornecidos com, um grupo aniônico e umcatiônico, e podem conter também um grupo ou substituinte não iônico. Osmateriais de partida de polissacarídeos mais preferidos incluem, mas a estesnão se limitam, éteres ou ésteres celulósicos aniônicos solúveis ouintumescíveis em água, amido ou derivados de amido, e/ou guar ou derivadosde guar aniônicos. Deve igualmente ser entendido que os polissacarídeossubstituídos (por exemplo polissacarídeos carboximetilados) acham-se dentrodo escopo e propósito dos materiais de partida de polissacarídeos.

O grupo aniônico do polissacarídeo anfótero preferivelmente éum grupo carboxilato (por exemplo carboximetila), sulfonato (por exemplosulfoetila), fosfato ou fosfonato, embora uma pessoa de experiência comumna técnica reconheça que outros grupos aniônicos podem ser facilmenteempregados. Os materiais de partida de polissacarídeos aniônicos maispreferidos incluem, mas a estes não ficam limitados, grupos aniônicoscontendo polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos, incluindo, mas nãolimitando, a carboximetil celulose, a sulfoetil carboximetil celulose, acarboximetil hidroxietil celulose (CM-HEC), a carboximetil celulose em quea celulose é substituída por um ou mais substituintes não iônicos, ocarboximetil amido, o carboximetil amido em que o amido é substituído porum ou mais substituintes não iônicos, carboximetil guar, carboximetil guarem que a guar é substituída por um ou mais substituintes não iônicos, a gomaxantana, e misturas destes. Um material de partida de polissacarídeo aniônicoparticularmente preferido é a carboximetil celulose.

Os materiais de partida de polissacarídeo anfótero sãoprovidos com um grupo contendo nitrogênio quaternário através de váriosprocessos conhecidos daqueles de experiência comum na técnica. Porexemplo, o material de partida de polissacarídeo pode ser quaternizado comagentes de quaternização que são sais de amônio quaternário, para efetuar asubstituição da cadeia de polissacarídeos com um grupo contendo nitrogênioquaternário. A este respeito, os requerentes se referem à Patente U.S.4.940.785, que é aqui incorporada por referência.

Sais de amônio quaternário típico que podem ser utilizadosincluem haletos, haloidrinas e epóxidos contendo nitrogênio quaternário. Osal de amônio quaternário pode conter hidrófobos. Sais de amônioexemplares incluem um ou mais dos seguintes:

cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropil dimetildodecil amônio;cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropil dimetiloctadecil amônio; cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiloctil amônio; cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetil amônio; cloreto de 2-cloroetil trimetil amônio; e outros.

Agentes de quaternização preferidos incluem o cloreto de 2, 3-epoxipropil trimetil amônio, o cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropii trimetilamônio; o cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropil dimetildodecil amônio; o cloretode 3-cloro-2-hidroxipropil dimetiltetradecil amônio; o cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropil dimetilexadecil amônio e o cloreto de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiloctadecil amônio.

A quaternização também pode ser obtida usando-se umasíntese de duas etapas de aminação do polissacarídeo por reação com umagente de aminação, tal como um haleto de amina, haloidrina ou epóxido,seguido pela quaternização do produto mediante reação com agentes dequaternização ou misturas destes, contendo um grupo funcional que formaum sal com a amina. Agentes de quaternização preferidos incluem, mas aestes não se limitam, os haletos de alquila, tais como os haletos de metila, deetila, de propila e de benzila. A alquilação com o agente de quaternizaçãopara formar os éteres de polissacarídeos quaternizados pode ser conduzidaem uma etapa de reação separada ou pode ser combinada na eterificação comos outros agentes de alquilação.

Os polissacarídeos podem também conter grupos não iônicoscomo substituintes para auxiliar em prover o requisito de hidrofilicidade e/oude hidrofobicidade e/ou o requisito de estabilidade do eletrólito. Para provero polissacarídeo com um tal substituinte não iônico, o polissacarídeo pode seralquilado com agentes de alquilação adequados ou misturas destes, usandoprocessos que são conhecidos na técnica. Substituintes não iônicos preferidosincluem, mas a estes não ficam limitados, metila, etila, hidroxietila,hidroxipropila, diidroxipropila, benzila e grupos hidrofóbicos tais como osgrupos 3-(alcóxi Ci-C24)-2-hidroxipiopila, 3-(arilóxi C6-C24)-2-hidroxipropila, 3-(aralcóxi C7-C24)-2-hidroxipropila, 3-(alcarilóxi C7-C24)-2-hidroxipropila, e haletos, epóxidos e/ou glicidiléteres de alquila Ci-C24,alcóxi CrC24, arilóxi C6-C24, aralcóxi C7-C24, alcarilóxi C7-C24 e misturasdestes. A substituição com estes substituintes não iônicos pode ser conduzidaem uma etapa de reação separada ou pode ser combinada na eteriiicaçao comos outros agentes de alquilação. Os vários substituintes usados podem,portanto, ser providos como substituintes conectados diretamente à cadeia depolissacarídeos, ao nitrogênio quaternário, ou conectados a outrossubstituintes de éter disponíveis. A alquilação é obtida pela reação de umagente de alquilação ou misturas deste contendo pelo menos um grupofuncional que seja reativo (1) com os grupos hidroxila na cadeia depolissacarídeos ou substituintes de éter, ou (2) com um átomo de nitrogênioterciário, produzindo um substituinte quaternário, ou (3) ambos.

Os QN-WSPs anfóteros mais preferidos, compreendendo umderivado de polissacarídeo, incluem, mas a estes não estão limitados,qualquer grupo amônio quaternário (QN) contendo derivados depolissacarídeo tais como, por exemplo, QN-CMC, QN-sulfoetila CMC, QN-CM-hidroxietilcelulose, QN-CM celulose éter (misturado), QN-CM amido ederivados de QN-CM amido, QN-CM guar e derivados de QN-CM guar, QNfosfato ou fosfonato contendo derivados de polissacarídeos, e outros.

Em outra modalidade, a presente invenção considera fluidosde perfuração com base em água que utilizam, como um agente de controlereológico, um QN-WSP anfótero compreendendo um derivado de polímerosintético. Estes QN-WSPs compreendem derivados de polímeros sintéticosque são preparados por copolimerização de monômeros sintéticos aniônicos(por exemplo acrilatos e/ou acrilamidas) com monômeros catiônicoscontendo nitrogênio quaternário [por exemplo cloreto de dialil-dimetil-amônio (DADMAC)] e que também podem ser copolimerizados commonômeros não iônicos. Ao invés da copolimerização com um monômeroaniônico, o QN-WSP sintético anfótero também pode ser derivado porcopolimerização de um monômero catiônico com um monômero não iônicoque seja pelo menos parcialmente hidrolisado em uma etapa de pós-polimerização, resultando em um polímero anfótero. No QN-WSP5 osdiferentes monômeros podem ser aleatoriamente distribuídos, bem como asestruturas de blocos podem ser usadas no contexto da invenção. Os grupos deamônio quaternário são incorporados no polímero mediante o uso demonômeros catiônicos no processo de polimerização, ou mediante umareação de cationização posterior.

Monômeros de partida catiônicos adequados incluem, mas aestes não se limitam, o cloreto de dialil dimetil amônio (DADMAC)] e seusderivados, e aqueles da fórmula:

<formula>formula see original document page 16</formula>

em que R6 é selecionado de H, OH ou um grupo alquila C1-C4, ou um grupohidroxietila; Z é NH ou O e R7 é um composto de fórmula III:

<formula>formula see original document page 16</formula>

em que Y é uma alquila CrC6 linear ou ramificada, R8, R9 e R10 são osmesmos ou diferentes e são selecionados dos grupos alquila C1-C24, arila C6-C24, aralquila C7-C24, alcarila C7-C24, cicloalquila C3-C24, alcoxialquila C2-C24e alcoxiarila C7-C24, ou R8, R9, R10 e o átomo de nitrogênio quaternárioformam um anel heterocíclico alifático ou aromático tal como um anel depiridínio e outros, η é um número inteiro de 1 a 4 e X" é um ânion comocloreto, brometo, iodeto, sulfato, metilsulfato, nitrato, fosfato, acetato eoutros.

Monômeros contendo amônio quaternário preferidos incluemo cloreto de dialil dimetil amônio (DADMAC), o cloreto de acriloiloxietil-trimetil amônio (AETAC), o cloreto de metacrilamido propil trimetil amônio(MAPTAC), o cloreto de 3-acrilamido-3-metil-butil-trimetil amônio, eoutros.

Grupos aniônicos adequados para o QN-WSP sintéticoanfótero incluem, mas não ficam limitados a estes, os grupos carboxilato,sulfonato, fosfato e fosfonato. Um meio adequado para introduzir estesgrupos no polímero anfótero é por copolimerização destes monômerosaniônicos ou monômeros que produzem um grupo aniônico por hidróliseparcial ou completa em uma etapa pós-polimerização com monômeroscatiônicos e, possivelmente, monômeros não iônicos.

Monômeros aniônicos preferidos incluem, mas a estes nãoestão limitados, os ésteres de ácido acrílico, os ésteres de ácido metacrílico, aacrilamida, a metacrilamida e o anidrido de ácido maleico, em que ditosmonômeros sintéticos produzem um grupo aniônico em uma etapa pós-polimerização, ácido acrílico, acrilatos, ácido metacrílico, ácido 2-acrilamido-2-metil-propano sulfônico, vinilsulfonato, ácido vinilsulfônico,estirenossulfonato, ácido estireno sulfônico, e misturas destes. Os diferentesmonômeros podem ser aleatoriamente distribuídos, assim como as estruturasde bloco podem ser usadas no contexto da invenção.

Para regular a densidade de carga e o equilíbriohidrofílico/hidrofóbico do polímero sintético anfótero, monômeros nãoiônicos são opcionalmente copolimerizados com ditos monômeros catiônicose monômeros aniônicos. Alguns monômeros não iônicos, tais comoacrilamida e anidrido de ácido maleico, podem produzir grupos aniônicos, jáque eles podem ser parcial ou completamente hidrolisados durante ou após apolimerização. Monômeros não iônicos adequados são a acrilamida e seusderivados, acrilatos tais como os ésteres de ácido acrílico ou ésteres de ácidometacrílico, anidrido de ácido maleico e seus derivados, e outrosvinilmonômeros não iônicos. Estes monômeros podem também conter gruposhidrofóbicos tais como grupos alquila, arila, aralquila e alcarila contendo de 1a 24 átomos de carbono. Monômeros não iônicos preferidos são a acrilamida,o acrilato de metila, o metacrilato de metila, o acrilato de etila, o metacrilatode etila, o acrilato de hidroxietila, o metacrilato de hidroxietila, o acrilato dehidroxipropila, o metacrilato de hidroxipropila, o acrilato de butila, ometacrilato de butila, o vinilacetato, o estireno, e misturas destes.

QN-WSP's da presente invenção contendo polímero sintéticopodem ser preparados por vários meios que sejam facilmente evidentes a umapessoa de habilidade comum na técnica. Por exemplo, de modo a produzirpolímeros anfóteros ou catiônicos de elevado peso molecular, a acrilamidae/ou o ácido acrílico são copolimerizados com proporções variáveis dederivados amino de acrilamida, ésteres de ácido acrílico ou ésteres de ácidometacrílico. A carga catiônica está presente na forma de um ácido mineral ousal de amônio quaternário. Comonômeros típicos contendo amônioquaternário incluem o cloreto de dialil dimetil amônio (DADMAC), o cloretode acriloiloxietil-trimetil amônio (AETAC), o cloreto de metacrilamidopropil trimetil amônio (MAPTAC), o cloreto de 3-acrilamido-3-metil-butil-trimetil amônio, e outros.

Em uma modalidade mais preferida da invenção, os QN-WSPsanfóteros compreendendo um derivado de polímero sintético, contêm emmédia de 1 a 500 monômeros contendo amônio quaternário em cada 1000unidades monoméricas ou, mais preferivelmente, de 10 a 300 em cada 1000unidades monoméricas e, o mais preferível, de 50 a 200 unidadesmonoméricas contendo amônio quaternário, por um total de 1000 unidadesmonoméricas, e contém preferivelmente de 1 a 900 unidades monoméricascontendo grupo aniônico em cada 1000 unidades monoméricas e, o maispreferível, de 100 a 600 unidades monoméricas contendo grupo aniônico emcada 1000 unidades monoméricas, e o polímero preferivelmente tem um pesomolecular médio de > 50.000, mais preferivelmente de > 250.000 e, o maispreferível, > 500.000.

Em uma modalidade mais preferida, a presente invençãoconsidera uma carboximetil celulose contendo nitrogênio quaternário (QN-CMC). QN-CMC é um polímero solúvel em água anfótero contendo tantocargas aniônicas quanto catiônicas. Porém, também outros polímeroszwitteriônicos (polímeros com as cargas positiva e negativa nos mesmosgrupos pendentes, por exemplo betaínas) ou na mesma espinha dorsal(anfólitos) podem ser usados. As betaínas necessariamente têm um equilíbrioigual de grupos aniônicos e catiônicos. Polímeros anfóteros tais como QN-CMC, que realmente são um polianfólito (tendo a carga positiva e a negativana mesma espinha dorsal polimérica) podem ter carga equilibrada ou carganão equilibrada. Igualmente, misturas de polímeros catiônicos e aniônicospodem ser usadas (por exemplo, QN-amido, QN-HEC e QN-poliacrilamidascom CMC ou PAC) que formam uma solução anfótera e complexosinterpolímeros podem ser formados. Quando a estequiometria das cargas é de1:1 ou perto disto, um poli-sal insolúvel em água pode ser formado,dependente da presença e da concentração de outros eletrólitos. No contextoda invenção, as relações de carga e as concentrações de eletrólito sãoescolhidas de uma maneira tal que um sistema solúvel seja obtido.

Polímeros anfóteros apresentam propriedades de soluçãoincomuns. Os poli-anfólitos de carga equilibrada freqüentemente são maissolúveis e apresentam viscosidades mais elevadas em sal do que em soluçãode água pura. Portanto, os polímeros anfóteros têm encontrado utilidadecomo viscosificadores de água e de salmoura e como agentes de redução daresistência de salmoura. Em todas estas aplicações a ação recíproca incomumdas cargas positivas e negativas no mesmo grupo ou espinha dorsal, entrecadeias e/ou entre cadeias e eletrólitos externos, desempenha um importantepapel. Estas interações de carga nos diferentes (eletrólito) ambientes têm umagrande parte na determinação da viscosidade resultante das soluções.As mais importantes argilas comerciais usadas para aumentara viscosidade dos fluidos de perfuração são as argilas do tipo esmectita, taiscomo as montmorilonitas (por exemplo a bentonita), bem como os tipos decamadas mistas e a atapulgita e a sepiolita. Não obstante os QN-WSPs dapresente invenção possam ser empregados com utilidade como modificadoresda reologia na maior parte dos fluidos de perfuração com base em água, elessão mais úteis naqueles sistemas que contêm argilas do tipo esmectita, ousozinhos ou em combinação com outras argilas comerciais.

Como anteriormente mencionado, os estados de floculação eagregação são os fatores mais importantes na determinação da reologia deuma lama de perfuração. A capacidade de reduzir a perda de fluido é tambémdeterminada por estas propriedades. CMC é um dos polímeros maispopulares em uso para dispersar as argilas do tipo esmectita, tais como abentonita, em lamas de perfuração, que melhora a redução da perda de fluido,e, em uma menor extensão, para modificar a viscosidade da lama. CMC,entretanto, não provê o ponto de resistência desejado e a intensidade de gel àlama. Por causa da forte interação dos grupos catiônicos de QN-CMC com aspartículas de uma lama de argila do tipo esmectita, o QN-CMC é um materialmuito eficiente para prover suficiente intensidade de gel e tensão deescoamento a uma lama com base em argila do tipo esmectita de água doce.Mais particularmente, a forte interação de QN-CMC com as partículas deuma argila do tipo esmectita causa a floculação de ligação que dá a reologiadesejada. Adicionalmente, a extensão da floculação pode ser regulada peloMS(QN), isto é, os grupos mais catiônicos ligados à espinha dorsal dacelulose pronunciou mais a floculação. No entanto, enquanto a floculaçãoaumentada é benéfica para a reologia, ela não o é para a capacidade dereduzir as perdas de fluido, porque, quanto mais o sistema seja floculado,menos ele provê suficiente redução de perda de fluido. Por exemplo, um QN-CMC com um MS(QN) bastante mais baixo, que dá um sistema fracamentefloculado, que proporciona a intensidade de gel e a tensão de escoamentodesejadas e também proporciona suficiente redução da perda de fluido. Temsido observado também que, mediante o uso de um QN-CMC de alto pesomolecular, a quantidade de argila do tipo esmectita usada pode ser reduzida.

Outra vantagem do QN-CMC é que ele é compatível com os polímeroscomumente usados (aniônicos) como CMC, PAC e amido ou outrospolímeros de redução da perda de fluido e viscosificantes geralmente usados,o que significa que, nos casos onde a perda de fluido deva ser reduzida,outros de tais materiais podem ser usados junto com QN-CMC.

Para preparar QN-CMC pode-se iniciar ou com celulose oucom a celulose já reagida com ácido monocloroacético ou seu sal (sódio).Para prover a celulose com o grupo catiônico, uma reação de eterificação napresença de uma pequena quantidade de soda cáustica é realizada, ou comCHPTAC ou com GTAC.

<formula>formula see original document page 21</formula>

Usando CHPTAC, a reação de eterificação avança tambématravés do epóxido. A diferença com GTAC é que uma soda cáusticaeqüivalente será consumida para formar o epóxido e um NaCl eqüivalenteserá produzido. A reação de GTAC com CMC necessita apenas de umaquantidade catalítica de soda cáustica. No caso em que eterificação sejarealizada na seqüência de primeiro reagir a alcali celulose com ácidomonocloroacético (MCA), após o que a eterificação com CHPTAC ou GTACé realizada sem uma purificação do CMC, uma parte de CHPTAC ou deGTAC pode também reagir com os subprodutos da eterificação de MCA. Estetambém é o caso quando a eterificação com MCA e CHPTAC ou GTAC érealizada ao mesmo tempo. Outros QN-(CM)-Polissacari deos podem serderivados da mesma maneira conforme o QN-CMC seja preparado, e osprocessos para fazê-lo são conhecidos na técnica.

A produção de éteres de polissacarídeos intumescíveis emágua e solúveis em água em geral é feita pela suspensão do polissacarídeo emum diluente. Quando o polissacarídeo é celulose, ele pode ser usado comocelulose moída ou lâminas de celulose cortadas. Materiais de partida decelulose adequados e facilmente disponíveis incluem línteres de algodão eceluloses de polpa de madeira purificada. Diluentes adequados incluem oetanol, isopropila, álcool, álcool terc-butílico, acetona, água, cetona demetiletila, e misturas destes. As reações podem ser conduzidas em umaquantidade relativamente grande de diluente ou com uma quantidade mínimade diluente, conforme desejado, isto é, usando ou uma assim chamada lama,ou um assim chamado processo seco.

Tipicamente, o polissacarídeo é reagido com um hidróxido demetal alcalino para preparar um polissacarídeo de metal alcalino. Aquantidade de hidróxido de metal alcalino por unidade de repetição desacarídeo pode variar, dependendo do tipo e da quantidade de agentes dealquilação usada. Tipicamente, uma relação molar entre 0,001 e 5,respectivamente, é usada. Se desejável, durante a alquilação, hidróxido demetal alcalino adicional pode ser adicionado, ou o excedente do hidróxido demetal alcalino pode ser neutralizado. Para impedir a degradaçãodescontrolada do polímero de polissacarídeo (alcalizado), é preferível excluiroxigênio do vaso de reação durante a alcalização e a alquilação.

Após a reação do polissacarídeo com uma quantidadeadequada do hidróxido de metal alcalino, para a produção de umpolissacarídeo anfótero, o polissacarídeo de metal alcalino pode ser reagidoprimeiro com o reagente aniônico de alquilação, por exemplo o ácidomonocloroacético ou seu sal de metal alcalino, seguido pela reação com oreagente de alquilação catiônico, por exemplo CHPTAC ou GTAC, em umatemperatura adequada e por um tempo suficiente para prover o nível desubstituição desejado. Alternativamente, o reagente de alquilação catiônicopode ser adicionado primeiro, após o que o reagente de alquilação aniônico édeixado reagir, ou o polissacarídeo de metal alcalino pode sersimultaneamente reagido com os diferentes reagentes de alquilação. Umoutro caminho alternativo de reação é purificar o polissacarídeo alquiladoanionicamente antes que o reagente de alquilação catiônico seja adicionado.Isto geralmente aumenta a seletividade da reação e/ou a produção do reagentede alquilação catiônico.

Em outra modalidade preferida da presente invenção,reagentes de alquilação não iônicos são incorporados na etapa de reação, ouadicionados antes, após ou junto com os reagentes de alquilação aniônicos ecatiônicos. Igualmente aqui a cationização pode ser realizada após opolissacarídeo já alquilado ter sido purificado.

No contexto da presente invenção, os derivados depolissacarídeo modificado de amônio quaternário podem ser aplicados oucomo materiais purificados ou como não purificados. Os subprodutos foramremovidos dos materiais purificados, por exemplo por extração com umamistura de álcool/água.

Quando o polissacarídeo modificado por amônio quaternáriofor um éter celulósico anfótero ou catiônico, o material útil para a presenteinvenção tipicamente terá um grau médio de polimerização (MWp0limero =MWunidade monomérica * DP) maior do que 30, preferivelmente maior do que 100e, tipicamente, na faixa de 30 a 6000, preferivelmente de 100 a 5000, um graude substituição (isto é, DS) do substituinte aniônico na faixa de 0,05 a 1,4,preferivelmente de 0,3 a 1,4, e uma substituição molar (isto é, MS) dosubstituinte não iônico na faixa de 0,05 a 5, preferivelmente de 0,1 a 3,5, euma substituição molar do grupo catiônico na faixa de 0,005 a 1,0,preferivelmente de 0,01 a 0,6.

Em uma modalidade preferida da presente invenção, o QN-WSP é uma carboximetil celulose anfótera (QN-CMC). A QN-CMCtipicamente tem um grau médio de polimerização maior do que 30,preferivelmente maior do que 100 e, tipicamente, na faixa de 30 a 6000,preferivelmente de 100 a 5000, mais preferivelmente de 1000 a 5000, umgrau médio de substituição (isto é, DS) do substituinte carboximetílicoaniônico na faixa de 0,2 a 1,4, de preferência de 0,5 a 1,4, mais preferível de0,7 a 1,3, e uma substituição molar do grupo catiônico na faixa de 0,005 a1,0, preferivelmente de 0,01 a 0,6, mais preferivelmente de 0,01 a 0,3.

Finalmente, a invenção reivindicada considera umaformulação de lama de perfuração à base de água, que compreende, como umagente de controle reológico, uma combinação de um polímero catiônico emque os grupos catiônicos compreendem grupos de amônio quaternário e umpolímero aniônico, ou sozinho ou em combinação com os polímerosanfóteros acima mencionados.

Os polímeros catiônicos utilizáveis no contexto da presenteinvenção incluem, mas a estes não ficam limitados, grupo catiônico contendopolissacarídeos ou derivados de polissacarídeos, grupo catiônico contendopolímeros sintéticos, e misturas destes. Exemplos de grupo catiônicocontendo polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos incluem, mas aestes não ficam limitados, derivados quaternários tais como (QN)-HEC, éterde QN-celulose (misturados), QN-amido, derivados de QN-amido, QN-guar,derivados de QN-guar, misturas destes, e outros. Exemplos de grupocatiônico contendo polímeros sintéticos incluem, mas a estes não se limitam,QN-poliacrilamida, e grupos catiônicos contendo homo- e copolímeros depoliacrilato, QN-poliacrilamida copolimerizada com monômeros de acrilatonão iônicos, QN-poliaminas, QN-polietilenoiminas, misturas destes, e outros.

Estes polímeros catiônicos são utilizados em combinação compolímeros aniônicos anteriormente exemplificados neste pedido incluindo ogrupo aniônico contendo polissacarídeos e o grupo aniônico contendopolímeros sintéticos, que são blocos reforçadores dos polímeros anfóteros dapresente invenção.

Finalmente, os fluidos de perfuração da presente invençãopodem opcionalmente conter vários outros ingredientes convencionalmenteempregados em fluidos à base de água. Por exemplo, tais ingredientesadicionais podem incluir aditivos poliméricos orgânicos convencionais, taiscomo CMC, PAC, amido, amido modificado, xantana etc. Adicionalmente, osfluidos de perfuração da presente invenção podem conter agentes dedosagem, redutores, agentes inibidores, eletrólitos, agentes de ajuste do pH, etc.O pH dos fluidos de perfuração da presente invenção é preferivelmente mantidoem 8 a 11, preferivelmente 8,5 a 10,5 e, ainda mais preferível, de 9 a 10.

Não obstante exista uma ampla variedade de fluidos (lamas)de perfuração à base de água que se pode empregar no contexto da presenteinvenção, uma lama típica de acordo com a presente invenção contém osseguintes ingredientes:

. água como o componente principal;. reforçador da viscosidade em uma quantidade de 5 a 100,mais preferivelmente de 10 a 60 e, o mais preferível, de 20 a 40 kg/m3;

. agente de controle reológico anfótero em uma quantidadede 0,01 a 10, mais preferivelmente de 0,005 a 5, e ainda mais preferível de0,1 a 3 kg/m3;

. agente(s) alcalino(s) em uma quantidade efetiva paraajustar o pH em cerca de 9 a 10; e

. vários outros aditivos/polímeros, incluindo, mas a estesnão limitando, CMC, PAC, amido, amido modificado, xantana, agentes dedosagem, redutores, agentes de inibição tais como os derivados de glicol eoutros, eletrólitos, etc.Para um fluido de perfuração com base em QN-CMC o fluidode perfuração deve de forma ideal ter um ponto de resistência entre 5 e 15pascais, não desenvolver intensidades de gel progressivas no decurso detempo, viscosidade plástica de 10 a 25 mPA.s e uma perda de fluido APRP42 de 5 a 10 ml. Um fluido de perfuração à base de QN-CMC tendo estaspropriedades deve tipicamente consistir de água doce, 0,2 a 0,6 kg/m3 de QN-CMC, 20 a 40 kg/m3 de bentonita sódica despeptizada e suficiente sodacáustica para ajustar o pH do fluido de perfuração a um pH de 8,5 a 10,5.

Quando uma combinação de um polímero catiônico e umpolímero aniônico contendo amônio quaternário é usado, o QN-WSP depreferência tem em média uma baixa densidade de carga catiônica de cerca de1 a 300 grupos catiônicos por 1000 unidades monoméricas ou depolissacarídeo, mais preferivelmente de cerca de 1 a 100 grupos catiônicospor 1000 unidades monoméricas ou de polissacarídeos. Relações adequadasem que o polímero catiônico pode ser usado com um polímero aniônico e/ouanfótero, são de 1:20 a 1:1, preferivelmente de 1:10 a 1:5. Tipicamente, aquantidade total do polímero catiônico, do polímero aniônico e/ou dopolímero anfótero adicionada a um sistema de lama, situa-se na faixa de 0,1 a4 kg/m3.

A invenção será agora ilustrada por meio dos seguintesexemplos não limitativos.

EXEMPLO 1 - USO DE QN-CMCs EM OPERAÇÕES DE PERFURAÇÃO

O seguinte fornece exemplos da eficácia e vantagens do QN-CMC em situações reais de perfuração de poço. Incluída no exemplo acha-seuma descrição geral dos poços perfurados com fluidos de QN-CMC,comparações de uso/custo dos fluidos de QN-CMC versus fluidos gel-químicos, comparação reológica dos fluidos de QN-CMC versus fluidos gel-químicos, e vantagens observadas quanto aos materiais de QN-CMC. No QN-CMC usado na solução fluida nos exemplos, o DS(CM) é de 0,87, o MS(QN)é de 0,08 e o peso molecular do material é de cerca de 700,000 (DP médio =700.000/244 = 2869).

DESCRIÇÃO GERAL DOS POCOS

Três poços foram perfurados usando-se o fluido de perfuraçãode QN-CMC em Alberta, Canada, nas localizações 08-33-39-20 W4, 11-09-40-19 W4 e 05-35-39-21 W4. Todos os poços foram perfurados até umaprofundidade final entre 1407 m e 1422 m, da mesma maneira geral:

Os poços foram iniciados por perfuração rotativa de umfuro com uma broca de perfuração de diâmetro de 311 mm, do local no solosuperficial até uma profundidade de aproximadamente 200 m. Após alcançaresta profundidade aproximada de 200 m, revestimento superficial de 219 mmde tamanho foi colocado até o fundo do furo e, subseqüentemente, cimentadono lugar da maneira usual. O fluido de perfuração utilizado para ajudar aobter o processo de perfuração foi uma mistura de bentonita sódica e sodacáustica, como comumente praticado na indústria.

. A perfuração rotativa do poço continuou usando-se umabroca de 200 mm de diâmetro e prosseguiu até uma profundidade final e totalentre 1407 m e 1422 m. O fluido de perfuração usado a partir daprofundidade do revestimento superficial até 1225 m e 1269 m foi águatratada com cálcio e uma poliacrilamida parcialmente hidrolisada, conformefreqüentemente praticado na indústria. Os sólidos da perfuração contidosdentro da água de cálcio foram removidos do fluido de perfuração da maneirausual, usando-se peneiras vibratórias e centrífugas.

. A partir das profundidades de 1225 m a 1269 m até aprofundidade total final, um fluido de perfuração com base em QN-CMC foiusado. O fluido de QN-CMC é referido como o principal sistema de lama deperfuração. Os constituintes principais na lama de perfuração principal deQN-CMC foram a bentonita em uma concentração entre 20 a 35 kg/m3, QN-CMC em uma concentração entre 0,3 a 0,6 kg/m3, soda cáustica para proverum pH na faixa de 8,5 a 10,0, e de 0 a 0,2 kg/m3 de um polímero celulósicopolianiônico (PAC) de baixa viscosidade. O sistema principal de circulaçãototal da lama de perfuração entre 80 a 100 m3 foi planejado para prover umaperda de fluido API entre 7 a 8 ml, sob condições de teste padrão da API esuficiente viscosidade para remover os cortes gerados na perfuração dopoço.

COMPARAÇÃO DE USO/CUSTO

Uma comparação do uso do material com os custos dos poçosperfurados com os fluidos de perfuração de QN-CMC e um grupo de poçospróximos perfurados com um fluido gel-químico, é dada na Tabela 1. Ospoços do fluido gel-químico foram perfurados de uma maneira semelhanteàquelas anteriormente descritas quanto aos fluidos de QN-CMC, excetoquanto ao uso de fluido de perfuração gel-químico no lugar do fluido de QN-CMC. A composição geral do fluido gel-químico é de bentonita sódica emuma concentração de 30 a 60 kg/m, polímero celulósico polianiônico emuma concentração de 0,5 a 2,0 kg/m3 e soda cáustica para prover um pH de8,0 a 10,0.TABELA 1: Comparação do uso do material e do custo dos poços perfuradoscom QN-CMC e cornos fluidos de perfuração químicos de gel

<table>table see original document page 29</column></row><table>

* PAC = celulose polianiônicaOs dados da Tabela 1 indicam claramente que em média,menos bentonita está sendo usado nos poços perfurados com QN-CMC5 emcomparação com os poços perfurados com fluido de perfuração gel-químico.

O uso de QN-CMC e PAC foi também claramente menor em média para ospoços de QN-CMC. O uso de material inferior nos poços perfurados comQN-CMC é refletido sobre os custos médios inferiores do material de lamano furo principal, em comparação com os poços perfurados com um fluido degel-químico.

COMPARAÇÃO REOLÓGICA:

As propriedades reológicas de um fluido de perfuração sãoimportantes para a operação de perfuração, de modo a eficientemente limparos cortes da perfuração do poço. Em termos simples, o fluido de perfuraçãoideal é redução por cisalhamento ou tixotrópica por natureza: tendo baixaviscosidade em relações de cisalhamento elevadas (como observado na brocade perfuração) e altas viscosidades em relações de cisalhamento inferiores(como observado no espaço anular entre a haste de perfuração e a parede dopoço).

A Tabela 2 provê comparações reológicas dos poços descritosacima e na Tabela 1. Em todos os casos, as reologias apresentadas na Tabela2 eram da seção do furo principal em que, ou o fluido de QN-CMC ou ofluido de gel-químico, estava sendo usado na operação de perfuração rotativa.TABELA 2: Comparação reológica dos fluidos de QN-CMC versus osfluidos de gel-químicos.

<table>table see original document page 31</column></row><table>

Relação YP/PV = relação do ponto de resistência/viscosidade plásticagc = fluido de perfuração gel-químico.As viscosidades plásticas e os pontos de resistência sãoderivados do modelo reológico Bingham Plastic, um modelo comumenteutilizado para descrever as propriedades reológicas do fluido de perfuração.Quanto mais elevada a relação YP/PV (ponto de resistência/viscosidadeplástica), mais tixotrópica é a natureza do fluido de perfuração e melhor ofluido de perfuração é para remover os cortes perfurados da furo do poço. Arelação média de YP/PV para os fluidos de perfuração de QN-CMC é deaproximadamente duas vezes aquela doso fluidos médios gel-químicos.

Os valores "n" e "Κ", o índice de fluxo laminar e o fator deconsistência de fluxo laminar, respectivamente, são fatores derivados domodelo reológico Power Law, outro modelo comumente utilizado paracaracterizar as propriedades reológicas dos fluidos de perfuração. Ocomportamento do redutor de cisalhamento é descrito pelo valor "n", em quequanto menor os valores de "n", mais redutor de cisalhamento ou tixotrópicoé o fluido. Semelhante ao modelo Bingham Plastic, os fluídos de QN-CMCindicam melhor as características de redutor de cisalhamento pela natureza deseus valores inferiores de "n" do que os poços equiparados perfurados comfluidos de gel-químicos.

As intensidades de gel, embora não derivadas de qualquermodelo reológico, são comumente usadas para descrever a capacidade dosfluidos de perfuração de segurar e suspender os sólidos quando o fluido deperfuração é submetido a baixos índices de cisalhamento. Um fluido deperfuração "ideal" terá boa intensidade de gel inicial (tipicamente de 5 a 12Pa para as operações de perfuração) e não desenvolverá intensidades de gelprogressivas durante o tempo. As intensidades de gel médias dos fluidos deQN-CMC são melhores do que as intensidades de gel médias dos fluidos degel-químicos.

VANTAGENS DO SISTEMA DE QN-CMC

Em resumo, as vantagens do sistema de fluidos de perfuraçãode QN-CMC de acordo com a presente invenção, em comparação com cfluido de gel-químico comumente usado, para os poços perfurados noexemplo citado acima, incluem:

. Menos uso de material de bentonita sódica

Menos uso de material de materiais derivados de CMC

. Custo inferior do material total para o sistema principalde lama para perfuração

. Melhor perfil reológico

EXEMPLO 2

USO DE QN-CMC EM UMA ESCALA DE LABORATÓRIO

Os seguintes exemplos são formulações de fluido deperfuração em escala de laboratório, para comparar a perda de fluido e aspropriedades reológicas de CMC padrão, PAC e CMCs anfóteros (QN-CMC). Estas propriedades são determinadas pelo uso de técnicas padrãoconforme descrito na Prática Recomendada da API: Procedimentos Padrãopara os Fluidos de Perfuração à Base de Agua em Testes de Campo, RP 13B-1,1- edição, junho de 1990, Amer. Pet. Inst. As propriedades reológicas dosfluidos de perfuração compostos têm sido medidos usando-se umviscosímetro padrão de Fann. A PV do fluido de perfuração é obtidasubtraindo-se a leitura 300 da leitura 600, enquanto o YP do fluido édeterminado subtraindo-se o valor da PV da leitura 300. Além disso, aintensidade de gel de 10 segundos e a intensidade de gel de 10 minutos têmsido medidas ligando-se o viscosímetro de Fann na velocidade de 600 rpmaté que uma leitura estável seja obtida. O viscosímetro é então parado por 10segundos e, então, ligado na velocidade de 3 rpm. A leitura máxima doviscosímetro é dada conforme a resistência de gel de 10 segundos. De formasemelhante, a resistência de fel de 10 minutos é medida após ligar oviscosímetro a 600 rpm até que um estado de equilíbrio seja obtido. Oviscosímetro é então parado por 10 minutos e, então, ligado a 3 rpm. A leituramáxima dá a resistência de gel de 10 minutos. O leste de filíraçãc paradeterminar a perda de fluido da API foi conduzido como segue: um filtro-prensa de baixa pressão, baixa temperatura (equipamento de testes de perdade fluido Baroid) foi usado para determinar as capacidades de controle dafiltração dos aditivos, pela medição da perda total de fluido em 25 minutos,quando uma pressão de 100 psi (6,9 χ IO5 Pa) é aplicada à amostra a 35°C.

Uma lama de água doce de base contendo 30 kg/m debentonita e 4% em peso de sólidos perfurados, foi preparada e umaquantidade apropriada de soda cáustica foi adicionada para ajustar o pH em10. Depois, a lama de base foi envelhecida por 24 horas. Então, as váriasquantidades de CMC, PAC ou CMC anfótero (QN-CMC), como sãoapresentadas na Tabela 3, foram adicionadas e a mistura em altocisalhamento foi realizada por 20 minutos. As amostras foram entãoenvelhecidas por 16 horas antes que as propriedades da lama fossem medidas.

Os resultados, bem como as características do material, são apresentadas naTabela 3 abaixo.

Os resultados da Tabela 3 mostram que, em um nível deviscosidade comparativa do CMC ou CMC modificado (QN-CMC), pontosde resistência mais elevados podem ser obtidos pelo aumento do nível deMS(QN). A tabela também mostra que o valor de gel de 10 segundos podeser aumentado pela incorporação de grupos de amônio quaternário emcomparação com os tipos padrão de CMC (amostras de PAC e CMC).<table>table see original document page 35</column></row><table>

Claims (23)

1. Composição de fluido de perfuração à base de água,caracterizada pelo fato de compreender água, pelo menos um reforçador daviscosidade de argila e pelo menos um agente de controle reológico, em quedito agente de controle reológico é um polímero anfótero da fórmula:<formula>formula see original document page 36</formula>em que R1 é H ou OH, R2, R3 e R4 são os mesmos ou diferentes e sãoselecionados de grupos alquila C1-C24, arila C6-C24, aralquila C7-C24, alcarilaC7-C24, cicloalquila C3-C24, alcoxialquila C2-C24 e alcoxiarila C7-C24, ou R ,R3, R4 e o átomo de nitrogênio quaternário formam um anel heterocíclico alifáticoou aromático; η é um número inteiro de 1 a 4, B é selecionado de O, OC(O),C(O)O, C(O)-NH, NHC(O), S, OSO3, OPO3, NH ou NR5, em que R5 é uma acilaC2-C6, ou um radical alquila C1-C4, [A]m é um polissacarídeo ou derivado depolissacarídeo aniônico solúvel em água, m é maior do que 10 e X" é um ânion.

2. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que [A]m é selecionado do grupo consistindo de carboximetil celulose,sulfoetil carboximetil celulose, carboximetil celulose em que a celulose ésubstituída por um ou mais substituintes não iônicos, carboximetil amido,carboximetil amido em que o amido é substituído por um ou mais substituintes nãoiônicos, carboximetil guar, carboximetil guar em que a guar é substituída por umou mais substituintes não iônicos, goma xantana, e misturas destes.

3. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que dito reforçador da viscosidade é uma argila do tipo esmectita.

4. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que dito reforçador da viscosidade é selecionado do grupo,consistindo de bentonita, um hidróxido de camada de metal misto, atapulgita,sepiolita e misturas destes.

5. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que X" é um ânion selecionado do grupo consistindo de cloreto,brometo, iodeto, sulfato, metilsulfato, nitrato, fosfato, acetato, e misturas destes.

6. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que R2, R3, R4 e o nitrogênio quaternário formam um anel piridínio.

7. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que dito polímero anfótero é selecionado do grupo consistindode carboximetil celulose de amônio quaternário, sulfoetil carboximetilcelulose de amônio quaternário, hidroxietil carboximetil celulose de amônioquaternário, carboximetil amido de amônio quaternário, carboximetil guar deamônio quaternário, e misturas destes.

8. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que dito polímero anfótero é substituído por pelo menos umsubstituinte não iônico selecionado do grupo consistindo de metila, etila,hidroxietila, hidroxipropila, diidroxipropila, benzila, 3-(alcóxi Ci-C24)-2-hidroxipropila, 3-(arilóxi C6-C24)-2-hidroxipropila, 3-(aralcóxi CrC24)-2-hidroxipropila, 3-(alcarilóxi C7-C24)-2-hidroxipropila, e misturas destes.

9. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que dito reforçador da viscosidade compreende bentonita, e ditopolímero anfótero é carboximetil celulose de amônio quaternário.

10. Composição de fluido de perfuração à base de água,caracterizada pelo fato de que compreende água, pelo menos um reforçadorde viscosidade de argila e pelo menos um agente de controle reológico, emque o agente de controle reológico é um polímero sintético anfótero derivadoda copolimerização de um monômero sintético aniônico, um monômerocatiônico contendo átomo de nitrogênio quaternário, e, opcionalmente, pelomenos um monômero não iônico.

11. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito monômero sintético aniônico contém umgrupo aniônico selecionado do grupo consistindo de grupos carboxilato,fosfato, sulfonato e fosfonato.

12. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito monômero sintético aniônico éselecionado do grupo consistindo de ésteres de ácido acrílico, ésteres deácido metacrílico, acrilamida, metacrilamida e anidrido de ácido maleico, emque ditos monômeros sintéticos produzem um grupo aniônico em uma etapapós-polimerização, ácido acrílico, acrilatos, ácido metacrílico, ácido 2-acrilamido-2-metil-propano sulfônico, vinilsulfonato, ácido vinilsulfônico,estirenossulfonato, ácido estireno sulfônico, e misturas destes.

13. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito monômero catiônico contendo átomo denitrogênio quaternário é cloreto de dialil dimetil amônio.

14. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito monômero catiônico contendo átomo denitrogênio quaternário é um composto da fórmula II:<formula>formula see original document page 38</formula>em que R6 é selecionado de H, OH ou um grupo alquila C1-C4, ou um grupohidroxietila; Z é NH ou O e R7 é um composto de fórmula III:<formula>formula see original document page 38</formula>em que Y é uma alquila C1C6 linear ou ramificada, R8, R9 e R10 são osmesmos ou diferentes e são selecionados dos grupos alquila C1C24, arila C6-C24, aralquila C7-C24, alcarila C7-C24, cicloalquila C3-C24, alcoxialquila C2-C24e alcoxiarila C7-C24, ou R85 R93 R10 e o átomo de nitrogênio quaternárioformam um anel heterocíclico alifático ou aromático, η é um número inteirode 1 a 4 e X" é um ânion.

15. Composição de acordo com a reivindicação 14,caracterizada pelo fato de que dito monômero catiônico contendo átomo denitrogênio quaternário é selecionado do grupo consistindo de cloreto deacriloiloxietil-trimetil amônio (AETAC), cloreto de metacrilamido propiltrimetil amônio (MAPTAC), cloreto de 3-acrilamido-3-metil-butil-trimetilamônio, e misturas destes.

16. Composição de acordo com a reivindicação 14,caracterizada pelo fato de que X" é um ânion selecionado do grupoconsistindo de cloreto, brometo, iodeto, sulfato, metilsulfato, nitrato, fosfatoe acetato.

17. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito reforçador da viscosidade é selecionadodo grupo consistindo de bentonita, hidróxido em camadas de metal misto,atapulgita, sepiolita e misturas destes.

18. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito polímero anfótero é selecionado do grupoconsistindo de poliacrilamida (parcialmente) hidrolisada de amônioquaternário, poliacrilato de amônio quaternário, poliacrilamida(parcialmente) hidrolisada de amônio quaternário copolimerizada commonômeros de acrilato, e misturas destes.

19. Composição de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de que dito pelo menos um monômero não iônico éselecionado do grupo consistindo de anidrido de ácido maleico, acrilamida,acrilato de metila, metacrilato de metila, acrilato de etila, metacrilato de etila,acrilato de hidroxietila, metacrilato de hidroxietila, acrilato de hidroxipropila,metacrilato de hidroxipropila, acrilato de butila, metacrilato de butila, acetatode vinila, estireno, e misturas destes.

20. Composição de acordo com a reivindicação 19,caracterizada pelo fato de que dito pelo menos um monômero não iônico éum monômero vinílico opcionalmente substituído por um grupo hidrofóbicoselecionado do grupo consistindo de alquila CrC2^ arila C6-C24, aralquila C7-C24, alcarila C7-C24, e misturas destes.

21. Composição de fluido de perfuração à base de água,caracterizada pelo fato de que compreende água, pelo menos um reforçadorda viscosidade de argila e pelo menos um agente de controle reológico, emque dito agente de controle reológico compreende uma combinação de pelomenos um polímero catiônico tendo grupos catiônicos que são grupos deamônio quaternário, e um polímero aniônico.

22. Composição de acordo com a reivindicação 21,caracterizada pelo fato de que dito polímero catiônico é selecionado do grupoconsistindo de hidroxietil celulose de amônio quaternário, guar de amônioquaternário, amido de amônio quaternário, poliacrilamida de amônioquaternário, poliacrilamida de amônio quaternário copolimerizada commonômeros de acrilato não iônicos, poliaminas de amônio quaternáriò,polietilenoiminas de amônio quaternário, e misturas destes.

23. Composição de acordo com a reivindicação 21,caracterizada pelo fato de que dito polímero aniônico é selecionado do grupoconsistindo de carboximetil celulose, sulfoetil carboximetil celulose,hidroxietil carboximetil celulose, carboximetil amido, carboximetil guar,goma xantana, ácido poliacrílico, ácido polimetacrílico, poliacrilato,polimetacrilato, poliacrilamida (parcialmente) hidrolisada, poli(ácido 2-acrilamido-2-metil-propano sulfônico), polivinilsulfonato, poliestireno-sulfonato, anidrido polimaleico (parcialmente) hidrolisado, e/ou seus sais esuas misturas.