BR102017026139B1 - Argilas organofílicas, seu método de preparação e uso e fluidos de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás - Google Patents
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Abstract
ARGILAS ORGANOFÍLICAS, SEU MÉTODO DE PREPARAÇÃO E USO E FLUIDOS DE PERFURAÇÃO PARA PERFURAR POÇOS DE PETRÓLEO OU GÁS. A presente invenção se refere à argila organofílica que compreende uma argila do tipo esmectita que sofreu troca iônica com íons de amônio quaternário, em que pelo menos 75% em mol dos ditos íons de amônio quaternário são ésteres de ácido graxo de bis (2 hidroxipropil)-dimetilamônio e pelo menos 90% das porções químicas de ácido graxo dos ésteres de ácido graxo de bis (2 hidroxipropil)-dimetilamônio têm uma estrutura RC(O), em que o grupo R é um grupo alquila ou alquenila linear que contém de 9 a 21 átomos de carbono. A argila organofílica é útil para o espessamento de composições à base de óleo, em particular, fluidos de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás, que compreendem uma fase oleosa.
Description
[001] A presente invenção refere-se a argilas organofílicas que podem ser usadas para espessamento de composições à base de óleo em temperaturas altas e para fluidos de perfuração que contêm as argilas organofílicas.
[002] Argilas organofílicas, em que uma argila do tipo esmectita sofreu troca iônica com um sal de tetra-alquilamônio quaternário, tal como cloreto de dimetil- di(alquil C14-C18)amônio, são conhecidas e encontraram uso como espessantes para composições à base de óleo. As mesmas são particularmente úteis como aditivos para fluidos de perfuração à base de óleo para impedir a decantação de partículas, tais como cascalhos de perfuração ou agentes de ponderação de barita. No entanto, sais de tetra-alquilamônio são pouco biodegradáveis e muitas vezes bactericidas. Portanto, o uso de argilas organofílicas que contêm íons de tetra-alquilamônio pode causar problemas ambientais e é proibido em algumas regiões por meio de regulamentos ambientais. Portanto, há uma necessidade de argilas organofílicas que não contêm componentes orgânicos pouco biodegradáveis.
[003] O documento US 5.718.841 revela argilas organofílicas, em que uma argila do tipo esmectita sofreu troca iônica com um sal de amônio quaternário que contém grupos éster alquílico ou aralquílico. São especificamente reveladas argilas organofílicas que contêm ésteres de ácido graxo de dicoco de bis-(2-hidroxietil)-dimetilamônio, ésteres de ácido graxo de sebo di-hidrogenado de bis-(2-hidroxietil)-dimetilamônio e os ésteres de ácido graxo correspondentes do íon de tris-(2-hidroxietil)-metilamônio. O documento revela ainda o uso dessas argilas organofílicas em fluidos de perfuração não aquosos.
[004] As argilas organofílicas preparadas no documento US 5.718.841 contêm íons de amônio quaternário com ligações éster que são suscetíveis à hidrólise com água. Isso limita seu uso em composições à base de óleo que contêm água a temperaturas altas, tais como fluidos de perfuração de emulsão de água em óleo usados a temperaturas altas.
[005] O documento WO 2006/079775 revela fluidos de perfuração que contêm uma argila organofílica que compreende um sal de amônio quaternário que transporta substituintes com ligações amida. Argilas organofílicas que contêm íons de benzil-dimetil-(3-octadecilamidopropil)amônio são especificamente reveladas. Essas argilas organofílicas mostraram espessar um fluido de perfuração de emulsão de água em óleo por 16 h a cerca de 65 °C. No entanto, essas argilas organofílicas devem ser usadas em quantidades maiores do que argilas organofílicas que contêm íons de dimetil-di(alquil C14- C18)amônio. O sal de amônio quaternário que transporta substituintes com ligações amida usadas no documento WO 2006/079775 também é menos biodegradável do que os sais de amônio quaternário que transportam substituintes com ligações éster.
[006] O documento WO 01/28924 revela argilas organofílicas, em que uma argila do tipo esmectita sofreu troca iônica com um sal de amônio quaternário que é um diéster de uma trialcanolamina quaternizada. As argilas organofílicas são usadas para preparar nanocompósitos com um polímero.
[007] Portanto, ainda há uma necessidade de argilas organofílicas que contêm íons de amônio quaternário biodegradáveis, cujas argilas organofílicas têm uma eficiência de espessamento comparável a argilas organofílicas convencionais que contêm íons de tetra-alquilamônio e que são suficientemente estáveis em emulsões de água em óleo a temperaturas elevadas a serem usadas em fluidos de perfuração de emulsão de água em óleo.
[008] Constatou-se agora que argilas organofílicas que contêm ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio inovadoras são surpreendentemente mais eficientes no espessamento de um fluido de perfuração de emulsão de água em óleo do que os ésteres de ácido graxo de sebo de bis-(2-hidroxietil)-dimetilamônio conhecidos a partir da técnica anterior e fornecem melhor estabilidade de emulsão para o fluido de perfuração.
[009] O objeto da invenção é, portanto, uma argila organofílica que compreende uma argila do tipo esmectita que sofreu troca iônica com íons de amônio quaternário, em que pelo menos 75% em mol dos ditos íons de amônio quaternário são ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio e pelo menos 90% das porções químicas de ácido graxo dos ditos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio têm uma estrutura RC(O), em que o grupo R é um grupo alquila ou alquenila linear que contém de 9 a 21 átomos de carbono.
[010] Um objeto adicional da invenção é um fluido de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás, que compreendem uma fase oleosa e uma argila organofílica da invenção.
[011] O objeto da invenção é também um primeiro método para preparar uma argila organofílica da invenção, em que uma mistura que compreende uma argila do tipo esmectita, de 0 a 15% em peso de água e/ou solvente polar e um sal de amônio quaternário que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio, é homogeneizada a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, e a mistura homogeneizada resultante é seca.
[012] Um objeto adicional da invenção é um segundo método para preparar uma argila organofílica da invenção, em que uma suspensão aquosa de uma argila do tipo esmectita é misturada com um sal de amônio quaternário, que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio, a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, os sólidos são separados da suspensão resultante e os sólidos separados são secos.
[013] A argila organofílica da invenção compreende uma argila do tipo esmectita. O termo argila do tipo esmectita designa um filossilicato que compreende cátions permutáveis, isto é, cátions que podem ser trocados por cátions de um sal que é colocado em contato com a argila esmectita na presença de um solvente polar, tal como água ou um álcool. As argilas do tipo esmectita têm tipicamente uma estrutura de três camadas, em que cada folha do filossilicato compreende duas camadas de tetraedro de silicato e uma cada de íons de metal octaedricamente coordenados, tipicamente alumínio ou magnésio, entre as duas camadas de tetraedro.
[014] A argila do tipo esmectita pode ser uma argila natural mineral ou uma argila sintética. Argilas do tipo esmectita naturais adequadas são minerais de bentonita, montmorilonita, hectorita, beidelita, estevensita ou saponita que são conhecidas na técnica anterior. As argilas do tipo esmectita preferenciais são argilas bentonita, de preferência argilas bentonita que contêm pelo menos 60% em peso de montmorilonita, de preferência, montmorilonita da composição (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2. Argilas do tipo esmectita adequadas estão comercialmente disponíveis, por exemplo, hectorita junto à Elementis Specialties sob o nome comercial BENTONE® DS e bentonita junto à Bentonite Performance Minerals sob os nomes comerciais NATIONAL® STANDARD e NATIONAL® PREMIUM.
[015] A argila do tipo esmectita tem, de preferência, uma capacidade de troca de cátion de pelo menos 75 miliequivalentes de cátions permutáveis por 100 g de argila. O termo capacidade de troca de cátion neste contexto se refere à quantidade dos cátions que podem sofrer troca iônica com uma solução a 1 N de acetato de amônio a pH 7. Um método adequado para determinar a capacidade de troca de cátion de argilas do tipo esmectita é conhecido a partir de M. B. Rollins, D. L. Pool, Clays and Clay Minerals 16 (1968) 165 a 172. A capacidade de troca de cátion também pode ser determinada com o método fotométrico de L. P. Meier, P. Kahr, Clays and Clay Minerals 47 (1999) 386 a 388.
[016] Na argila organofílica da invenção, a argila do tipo esmectita sofre troca iônica com íons de amônio quaternário. O termo íon de amônio quaternário aqui se refere a um cátion que contém pelo menos um átomo de nitrogênio que transporta uma carga elétrica positiva, cujo átomo de nitrogênio está ligado apenas a átomos de carbono. De preferência, pelo menos 75% em mol e até 100% em mol dos cátions permutáveis da argila do tipo esmectita sofrem troca iônica com íons de amônio quaternário.
[017] Pelo menos 75% em mol e até 100% em mol dos íons de amônio quaternário são ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio. Os ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio podem ser monoésteres de estrutura (CH3)2N+(CH2CH(CH3)OH)(CH2CH(CH3)OC(=O)R), diésteres de estrutura (CH3)2N+(CH2CH(CH3)OC(=O)R)2 ou misturas de monoésteres e diésteres, em que R é o grupo hidrocarboneto de uma porção química de ácido graxo RCOO. De preferência, os ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio em média têm uma razão molar de porções químicas de ácido graxo para nitrogênio de amônio de 1,2 a 2,0. Pelo menos 90% das porções químicas de ácido graxo dos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio têm uma estrutura RC(O) em que o grupo R é um grupo alquenila ou alquila linear que contém de 9 a 21 átomos de carbono.
[018] As porções químicas de ácido graxo dos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio podem ser derivadas de uma única espécie de ácido graxo, tal como ácido palmítico (ácido hexadecanoico), ácido esteárico (ácido octadecanoico) ou ácido oleico, ou de uma mistura de ácido graxo. De preferência, as porções químicas de ácido graxo dos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio são derivadas de misturas de ácido graxo de origem natural, mais particularmente ácidos graxos de óleos e gorduras naturais. Misturas de ácido graxo adequadas podem ser derivadas de óleo de canola, óleo de coco, óleo de semente de algodão, óleo de palma, óleo de feijão de soja, óleo de girassol ou sebo.
[019] Os grupos de hidrocarboneto R da porção química de ácido graxo têm, de preferência, um comprimento de cadeia médio de 16 a 18 átomos de carbono e, com mais preferência, de 16,5 a 17,8 átomos de carbono. O comprimento de cadeia médio é calculado com base na fração de peso de ácidos graxos individuais na mistura de ácidos graxos. O comprimento de cadeia médio pode ser ajustado escolhendo-se um ácido graxo a partir de uma fonte natural que tem o comprimento de cadeia médio de ácido graxo desejado ou misturando- se ácidos graxos de fonte natural diferente que têm diferentes comprimentos de cadeia médio. As argilas organofílicas da invenção que compreendem porções químicas de ácido graxo com tal comprimento de cadeia médio fornecem viscosidade mais alta para um fluido de perfuração que compreende a argila organofílica bem como menos perda de viscosidade ao longo do tempo a altas temperaturas. As mesmas também fornecem melhor estabilidade de emulsão quando usadas em fluidos de perfuração de emulsão de água em óleo.
[020] Os grupos de hidrocarboneto R da porção química de ácido graxo podem ser saturados ou insaturados e podem ter um índice de iodo de 0 a 120, calculado para o ácido graxo RCOOH. O índice de iodo é a quantidade de iodo em g consumido pela reação das ligações duplas de 100 g de ácido graxo, determinado pelo método de ISO 3961. O índice de iodo pode ser ajustado escolhendo-se um ácido graxo a partir de uma fonte natural que tem o índice de iodo desejado, misturando-se ácidos graxos de fonte natural diferente que têm diferentes índices de iodo ou hidrogenando-se parcialmente um ácido graxo ou mistura de ácido graxo que tem um índice de iodo mais alto. Os ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio compreendem, de preferência, menos do que 6% em peso de múltiplas porções químicas de ácido graxo insaturado. A fração de múltiplas porções químicas de ácido graxo insaturado pode ser reduzida por hidrogenação de toque seletivo, que é uma hidrogenação que hidrogena seletivamente uma ligação dupla em uma subestrutura CH=CH- CH2-CH=CH-, mas não ligações duplas de grupos de hidrocarboneto monoinsaturados.
[021] Além dos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio, a argila organofílica da invenção pode compreender também ésteres de ácido graxo de (2-hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)-dimetilamônio. Os ésteres de ácido graxo de (2-hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)- dimetilamônio podem ser monoésteres de estrutura (CH3)2N+(CH2CH(CH3)OH)(CH(CH3)CH2OC(=O)R), monoésteres de estrutura (CH3)2N+(CH2CH(CH3)OC(=O)R)(CH(CH3)CH2OH), diésteres de estrutura (CH3)2N+(CH2CH(CH3)OC(=O)R)(CH(CH3)CH2OC(=O)R), ou misturas de monoésteres e diésteres, em que R é o grupo de hidrocarboneto de uma porção química de ácido graxo RCOO. Os ésteres de ácido graxo de (2-hidroxipropil)- (1-metil-2-hidroxietil)-dimetilamônio compreendem, de preferência, as mesmas porções químicas de ácido graxo que os ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio. A argila organofílica da invenção compreende, de preferência, ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio e ésteres de ácido graxo de (2-hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)- dimetilamônio em uma razão molar de 4:1 a 20:1.
[022] A argila organofílica da invenção também pode compreender quantidades menores de íons de amônio quaternário que não contêm porções químicas de éster, tais como íons de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio, íons de (2-hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)-dimetilamônio, íons de metil-tris-(2- hidroxietil)-amônio ou íons de tetra-alquil amônio.
[023] A argila organofílica da invenção pode ser preparada por troca de íon entre uma argila do tipo esmectita que contém cátions de amônio ou metal permutáveis e um sal de amônio quaternário que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de sal de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio. A troca de íon é realizada, de preferência, com uma argila do tipo esmectita que contém íons de sódio permutáveis. De preferência, é usada uma argila do tipo esmectita que sofreu troca iônica com sódio. Tais argilas do tipo esmectita trocadas por sódio podem ser produzidas por processos conhecidos a partir da técnica anterior, tal como a partir de B. Isaac, Soil Sci. 107 (1969) 337 a 342, e estão comercialmente disponíveis, por exemplo, bentonita trocada por sódio junto à Bentonite Performance Minerals sob o nome comercial NATIONAL® PREMIUM.
[024] O sal de amônio quaternário é, de preferência, um sal de metilsulfato e o éster de ácido graxo de sal de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio é, de preferência, um éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio. A troca de íon pode ser realizada em um assim denominado processo úmido misturando-se uma suspensão aquosa de uma argila do tipo esmectita com uma fundição ou uma dispersão aquosa do sal de amônio quaternário. A troca de íon pode ser alternativamente realizada em um assim denominado processo seco misturando-se uma argila do tipo esmectita com uma fundição do sal de amônio quaternário. A mistura da argila do tipo esmectita com a fundição do sal de amônio quaternário é realizada, de preferência, na presença de uma pequena quantidade de água, um solvente polar ou uma mistura de ambos. A quantidade de água e/ou solvente polar pode ser pequena o suficiente para manter a argila do tipo esmectita na forma de pó ou pode ser escolhida grande o suficiente para converter a argila do tipo esmectita em uma massa moldável.
[025] O sal de amônio quaternário tem, de preferência, um ponto de fusão de -10 a 80 °C. Uma vez que o sal de amônio quaternário é tipicamente uma mistura de diferentes espécies que não têm um ponto de fusão preciso, o termo ponto de fusão neste contexto se refere ao máximo na curva de fusão determinada por calorimetria de varredura diferencial.
[026] Os ésteres de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio úteis para troca de íon com uma argila do tipo esmectita podem ser preparados reagindo-se bis-(2-hidroxipropil)-metilamina ou uma mistura de amina, que contém (2-hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)-metilamina e bis- (2-hidroxipropil)-metilamina, com um ácido graxo e quaternizando-se o produto resultante com sulfato de dimetila. As misturas de amina que contêm (2-hidroxipropil)-(1-metil-2 hidroxietil)-metilamina e bis-(2-hidroxipropil)- metilamina em uma razão molar adequada podem ser preparadas reagindo-se metilamina com óxido de propileno em condições de reação apropriadas e estão comercialmente disponíveis junto à BASF e junto à Lanxess.
[027] Na primeira etapa, bis-(2-hidroxipropil)-metilamina ou a mistura de aminas é reagida com o ácido graxo, de preferência, em uma razão molar de ácido graxo para amina de 1,2 a 2,0. A reação é realizada, de preferência, em uma temperatura de 160 a 220 °C. A água é removida, de preferência, através de destilação a partir da mistura de reação. Durante o curso da reação, a pressão é reduzida, de preferência, da pressão ambiente para uma pressão na faixa de 10 a 0,5 kPa (100 a 5 mbar) para intensificar a remoção de água. A primeira etapa pode ser realizada na presença de um catalisador ácido, que é, de preferência, usado em uma quantidade de 0,05 a 0,2% em peso. Catalisadores ácidos adequados são ácido metanossulfônico, ácido p-toluenossulfônico e ácido hipofosforoso. A reação é, de preferência, realizada até que o valor da mistura de reação esteja na faixa de 1 a 10 mg de KOH/g. O valor de ácido é determinado através de titulação com uma solução alcalina padronizada de acordo com a ISO 660 e é calculado como mg de KOH por g de amostra.
[028] Na segunda etapa, a mistura de reação obtida na primeira etapa é reagida com sulfato de dimetila, de preferência, em uma razão molar de sulfato de dimetila para amina de 0,90 a 0,97. A reação é realizada, de preferência, a uma temperatura de 60 a 100 °C. A reação é realizada, de preferência, até que o valor de amina total da mistura de reação esteja na faixa de 1 a 8 mg de KOH/g. O valor de amina total é determinado através de titulação não-aquosa com ácido perclórico de acordo com o método Tf 2a-64 da American Oil Chemists Society e é calculado como mg de KOH por g da amostra.
[029] Em um primeiro método da invenção para preparar uma argila organofílica da invenção, uma mistura que compreende uma argila do tipo esmectita, de 0 a 15% em peso de água e/ou solvente polar e um sal de amônio quaternário, que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio, é homogeneizada a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, e a mistura homogeneizada resultante é seca. O termo solvente polar representa um solvente que tem uma constante dielétrica de mais do que 10 a 25 °C e, de preferência, tem uma constante dielétrica de mais do que 20 a 25 °C. A constante dielétrica do solvente polar é, em geral, menor do que a constante dielétrica de água. Solventes polares preferenciais são álcoois mono-hídricos, di-hídricos ou poli-hídricos que têm de 1 a 4 átomos de carbono, tal como etanol, 1-propanol, 2-propanol, etileno glicol, propileno glicol e glicerol. O solvente polar pode ser usado misturado com água ou com um ou mais outros solventes polares. Neste caso, a faixa de 0 a 15% em peso aplica-se à quantidade combinada de água e solventes polares. A mistura preparar a argila organofílica compreende, de preferência, água, solvente polar ou ambos em uma quantidade combinada de água e solventes polares de 0,1 a 15% em peso e, com mais preferência, de 8 a 12% em peso.
[030] A argila do tipo esmectita é, de preferência, usada como um pó seco ou úmido com água. Água ou misturas de água e um álcool podem ser adicionados separadamente ou podem ser carregados com a argila do tipo esmectita. Um solvente de álcool pode ser adicionado separadamente, com a argila do tipo esmectita ou com o sal de amônio quaternário.
[031] O sal de amônio quaternário é adicionado, de preferência, como uma fundição e pode compreender até 15% em peso de um álcool, tal como etanol, 2-propanol ou 1,2-propano diol como um diluente. O sal de amônio quaternário tem, de preferência, um ponto de fusão de -10 a 80 °C, conforme definido acima. O sal de amônio quaternário é, de preferência, usado em uma quantidade que fornece uma razão molar de nitrogênio de amônio para cátions permutáveis da argila do tipo esmectita de 0,9:1 a 1,1:1, de preferência, 0,95:1 a 1,05:1. A razão molar aqui se refere à capacidade de troca de cátion, conforme definido acima.
[032] A mistura de argila do tipo esmectita, água e/ou solvente polar, e sal de amônio quaternário pode ser homogeneizada com um misturador de sólidos convencional e é, de preferência, homogeneizada com um misturador ou uma extrusora. A mistura é homogeneizada a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário e é, de preferência, homogeneizada por 15 a 30 minutos.
[033] A mistura resultante é, então, seca para remover toda ou uma parte da água e do solvente polar. A secagem é realizada, de preferência, a 60 a 70 °C. A mistura homogeneizada pode ser submetida à moagem antes da mesma ser seca, após a mesma ter sido seca ou tanto antes quanto após a mesma ter sido seca. A moagem pode ser realizada com moedores ou moinhos, tal como um moinho de martelo, moinho de bolas ou um moinho de rotor.
[034] A mistura homogeneizada é, de preferência, submetida à moagem após a mesma ter sido seca. Após a moagem, as partículas maiores do que 75 μm são removidas, de preferência, através de peneiração.
[035] Em um segundo método da invenção para preparar uma argila organofílica da invenção, uma suspensão aquosa de uma argila do tipo esmectita é misturada com um sal de amônio quaternário, que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio, a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, os sólidos são separados da suspensão resultante e os sólidos separados são secos.
[036] A suspensão aquosa da argila do tipo esmectita compreende, de preferência, de 2 a 20% em peso de argila e é preparada, de preferência, dispersando-se a argila do tipo esmectita em água ou uma solução aquosa com o uso de um misturador de alto cisalhamento convencional tal como um misturador Waring®.
[037] O sal de amônio quaternário é adicionado, de preferência, como uma fundição e pode compreender até 15% em peso de um álcool, tal como etanol, 2-propanol ou 1,2-propano diol como um diluente. O sal de amônio quaternário tem, de preferência, um ponto de fusão de -10 a 80 °C, conforme definido acima. O sal de amônio quaternário é, de preferência, usado em uma quantidade que fornece uma razão molar de nitrogênio de amônio para cátions permutáveis da argila do tipo esmectita de 0,9:1 a 1,1:1, de preferência, 0,95:1 a 1,05:1. A razão molar aqui se refere à capacidade de troca de cátion, conforme definido acima.
[038] A mistura da suspensão aquosa e do sal de amônio quaternário pode ser realizada com misturadores convencionais e é realizada, de preferência, com o uso do mesmo dispositivo, conforme usado para preparar a suspensão aquosa da argila do tipo esmectita. A mistura é realizada, de preferência, durante 30 a 60 minutos antes dos sólidos serem separados da suspensão resultante.
[039] Os sólidos podem ser separados da suspensão resultante por qualquer técnica adequada, tal como filtração ou centrifugação.
[040] Os sólidos separados são, em seguida, secos. A secagem pode ser realizada, conforme descrito acima para o primeiro método da invenção.
[041] O sólido seco é submetido, de preferência, à moagem após ter sido seco. A moagem dos sólidos secos pode ser realizada, conforme descrito adicionalmente acima. Após a moagem, as partículas maiores do que 75 μm são removidas, de preferência, através de peneiração.
[042] A argila organofílica da invenção é útil para o espessamento de composições à base de óleo, tais como fluidos de perfuração à base de óleo, tintas ou selantes. Os ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio contidos na argila organofílica da invenção são totalmente biodegradáveis e a argila organofílica da invenção é, portanto, útil para formular composições à base de óleo biodegradáveis. A biodegradação dos íons de amônio quaternário contidos na argila organofílica da invenção regenera a argila inorgânica usada para produzir a argila organofílica da invenção. A lixiviação de sal de amônio quaternário a partir da argila organofílica da invenção não representa um perigo para o ambiente devido à rápida biodegradação dos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio.
[043] A argila organofílica da invenção tem melhor estabilidade para hidrólise em comparação com argilas organofílicas da técnica anterior que contêm íons de amônio quaternário com ligações éster e, portanto, podem ser usadas em composições à base de óleo que compreendem água, mesmo a temperaturas elevadas, fornecendo estabilidade em tais composições comparáveis a argilas organofílicas que contêm íons de tetra-alquilamônio. A argila organofílica da invenção é, portanto, de preferência, usada em composição à base de óleo que compreende de 5 a 40% em peso de água e é útil para o espessamento de emulsões de água em óleo.
[044] A argila organofílica da invenção é particularmente útil para espessar fluidos de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás, conforme pode ser usado para formular fluidos de perfuração biodegradáveis que podem ser usados para perfuração off-shore em áreas ambientalmente sensíveis e fornece estabilidade de hidrólise suficiente a uma temperatura de 120 °C e presumivelmente, mesmo em temperaturas mais altas.
[045] Portanto, a invenção se refere ainda a um fluido de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás, que compreendem uma fase oleosa e uma argila organofílica da invenção.
[046] A fase oleosa pode compreender qualquer óleo conhecido a partir da técnica anterior a ser útil para formular um fluido de perfuração e é, de preferência, uma mistura de ésteres metílicos de ácido graxo. Tais misturas são conhecidas como biodiesel e estão comercialmente disponíveis.
[047] O fluido de perfuração da invenção compreende, de preferência, de 10 a 50 g/l da argila organofílica da invenção.
[048] O fluido de perfuração da invenção compreende ainda uma fase aquosa dispersa, de preferência, com uma razão em peso de fase oleosa para fase aquosa dispersa, excluindo sólidos dispersos nas fases, na faixa de 95:5 a 50:50, com mais preferência na faixa de 90:10 a 70:30. A fase aquosa pode ser água ou uma solução salina, tal como uma solução de cloreto de sódio ou cloreto de cálcio, e é, de preferência, uma solução de cloreto de cálcio concentrada que contém cerca de 30% em peso de cloreto de cálcio.
[049] O fluido de perfuração da invenção pode compreender adicionalmente um ou mais emulsificantes para dispersar a fase aquosa na fase oleosa e estabilizar a dispersão.
[050] O fluido de perfuração da invenção pode compreender adicionalmente um agente de ponderação, de preferência, barita.
[051] A bentonita de sódio NATIONAL® PREMIUM S (50 g) da Bentonite Performance Minerals foi colocada na argamassa de um moedor de argamassa Retsch® RM 200 em operação com um pilão de porcelana rígida aquecido a 60 °C. A água deionizada (5 g) foi adicionada gota a gota para inchar a argila e a mistura resultante foi moída por mais três minutos. O diéster de ácido oleico de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio fundido (38,8 g) foi adicionado e a mistura foi moída durante 20 minutos. A argila organofílica resultante foi seca em um forno a 60 °C durante 16 h, moída com um moedor de moinho ultracentrífugo de bancada de laboratório Brinkmann Retsch® ZM-1 e peneirada através de uma tela de 200 mesh para fornecer um pó de argila organofílica com um tamanho de partícula de menos do que 75 μm.
[052] O fluido de hidrocarboneto Exxon EscaidTM 110 (280 ml), 30% em peso de solução aquosa de cloreto de cálcio (72,4 ml), pó de argila organofílica (8,0 g), ácido esteárico (6,0 g) e hidróxido de cálcio (0,8 g) foram colocados em um misturador Hamilton Beach® HMD200 e misturados durante 30 min na decantação II para preparar um fluido de perfuração de base. As propriedades reológicas e a estabilidade da emulsão foram determinadas a 48,9 °C (120 °F) para o fluido de perfuração de base preparado recentemente e para amostras envelhecidas girando-se as mesmas em 25 min-1 durante 16 h a 121 °C (250 °F) em um forno de rolo OFITE® a partir do equipamento de teste de OFI. As propriedades reológicas foram determinadas de acordo com a Prática Recomendada pelo Instituto de Petróleo Americano 13D com o uso de um modelo de viscosímetro rotacional de cilindro coaxial Couette 800 do equipamento de teste de OFI. A estabilidade foi determinada como tensão de ruptura dielétrica com um aparelho de estabilidade a partir do equipamento de teste de OFI.
[053] A Tabela 1 lista os dados reológicos médios para três preparações do fluido de perfuração de base, conforme preparado e após envelhecimento dinâmico a 121 ° C(250 °F). A estabilidade da emulsão foi determinada quatro vezes para cada amostra e a tabela 1 fornece os valores médios com 95% de intervalos de confiança.
[054] Um fluido de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás pode ser preparado misturando-se 350 g do fluido de perfuração de base com 236 g de Barita e 6 g de um emulsificante secundário, tal como uma amidoamina graxa ou imidazolina graxa.TABELA 1 PROPRIEDADES REOLÓGICAS E ESTABILIDADE DE EMULSÃO DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO DE BASE DO EXEMPLO 1
[055] O Exemplo 1 foi repetido utilizando-se 38,0 g de diéster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio de ácido graxo de sebo parcialmente hidrogenado com um índice de iodo de 20.
[056] A Tabela 2 lista os dados reológicos médios para as três preparações do fluido de perfuração de base, conforme preparado e após o envelhecimento a 121 °C. A estabilidade da emulsão foi determinada quatro vezes para cada amostra e a tabela 2 fornece os valores médios com 95% de intervalos de confiança.TABELA 2 PROPRIEDADES REOLÓGICAS E ESTABILIDADE DE EMULSÃO DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO DE BASE DO EXEMPLO 2
[057] O Exemplo 1 foi repetido com moagem durante 15 minutos, utilizando- se 37,8 g de diéster de ácido graxo de cloreto de bis-(2-hidroxietil)-dimetilamônio de ácido graxo de sebo parcialmente hidrogenado com um índice de iodo de 20.
[058] A Tabela 3 lista os dados reológicos médios para as três preparações do fluido de perfuração de base, conforme preparado e após o envelhecimento a 121 °C. A estabilidade da emulsão foi determinada quatro vezes para cada amostra e a tabela 3 fornece os valores médios com 95% de intervalos de confiança.TABELA 3 PROPRIEDADES REOLÓGICAS E ESTABILIDADE DE EMULSÃO DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO DE BASE DO EXEMPLO 3
[059] O Exemplo 1 foi repetido com o uso de 33,4 g de cloreto de di(alquil-C14-C18)dimetilamônio.
[060] A Tabela 4 lista os dados reológicos médios para as três preparações do fluido de perfuração de base, conforme preparado e após o envelhecimento a 121 °C. A estabilidade da emulsão foi determinada quatro vezes para cada amostra e a tabela 4 fornece os valores médios com 95% de intervalos de confiança.TABELA 4 PROPRIEDADES REOLÓGICAS E ESTABILIDADE DE EMULSÃO DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO DE BASE DO EXEMPLO 4
[061] A água deionizada (700 ml) foi colocada em um misturador de duas velocidades Waring®. O misturador foi configurado para alta velocidade, bentonita de sódio NATIONAL® PREMIUM E (30 g) da Bentonite Performance Minerals foi adicionada e a mistura foi misturada durante 30 s. A suspensão resultante foi derramada em um recipiente de 3 l que contém 1,5 l de água e aquecida a 80 °C em uma placa quente durante a agitação a 100 min-1 com um agitador superaquecido. A taxa de agitação foi, então, aumentada para 500 min- 1, diéster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio fundido de um ácido graxo de sebo parcialmente hidrogenado (22,8 g) com um índice de iodo de 20 foi adicionado lentamente com agitação e a mistura resultante foi agitada por mais 30 min em 500 min-1 sem aquecimento. A argila organofílica foi, então, separada, por filtração a vácuo sobre o papel filtro Fisherbrand® Q8, seca em um forno a 60 °C durante 16 h, moída com um moedor de moinho ultracentrífugo de bancada de laboratório Brinkmann Retsch® ZM-1, e peneirada através de uma tela de 200 mesh para fornecer um pó de argila organofílica com um tamanho de partícula de menos do que 75 μm.
[062] Um fluido de perfuração de base foi preparado pelo procedimento do exemplo 1.
[063] A Tabela 5 lista os dados reológicos para o fluido de perfuração de base, conforme preparado e após o envelhecimento a 121 °C. A estabilidade da emulsão foi determinada cinco vezes para cada amostra e a tabela 5 fornece os valores médios com intervalos de confiança de 95%.TABELA 5 PROPRIEDADES REOLÓGICAS E ESTABILIDADE DE EMULSÃO DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO DE BASE DO EXEMPLO 5
[064] Os Exemplos 1 a 3 demonstram que as argilas organofílicas da invenção são mais eficientes no espessamento de um fluido de perfuração do que as argilas organofílicas da técnica anterior preparadas com sais de éster de ácido graxo de bis-(2-hidroxietil)-dimetilamônio e fornecem melhor estabilidade de emulsão do fluido de perfuração a temperaturas altas. Uma comparação com o exemplo 4 mostra que as argilas organofílicas da invenção fornecem espessamento e estabilidade de emulsão a um nível que permite a substituição de uma argila organofílica convencional, produzida a partir de um sal de tetra- alquilamônio não biodegradável, em um fluido de perfuração.
Claims (19)
1. Argila organofílica caracterizada por compreender uma argila do tipo esmectita que sofreu troca iônica com íons de amônio quaternário, em que pelo menos 75% em mol dos ditos íons de amônio quaternário são ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio e pelo menos 90% das porções químicas de ácido graxo dos ditos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio têm uma estrutura RC(O) em que o grupo R é um grupo alquila ou alquenila linear que contém de 9 a 21 átomos de carbono.
2. Argila organofílica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente ésteres de ácido graxo de (2-hidroxipropil)-(1- metil-2-hidroxietil)-dimetilamônio, em que a razão molar de ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio para ésteres de ácido graxo de (2- hidroxipropil)-(1-metil-2-hidroxietil)-dimetilamônio é de 4:1 a 20:1.
3. Argila organofílica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por pelo menos 75% em mol dos cátions permutáveis da dita argila do tipo esmectita sofrerem troca iônica com íons de amônio quaternário.
4. Argila organofílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por a argila do tipo esmectita compreender bentonita.
5. Argila organofílica, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a bentonita compreender pelo menos 60% em peso de montmorilonita.
6. Argila organofílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por os grupos R terem um comprimento de cadeia médio de 16 a 18 átomos de carbono.
7. Argila organofílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por os grupos R terem um índice de iodo de 0 a 120, calculado para o ácido graxo livre RCOOH.
8. Argila organofílica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada por os ditos ésteres de ácido graxo de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio em média terem uma razão molar de porções químicas de ácido graxo para nitrogênio de amônio de 1,2 a 2,0.
9. Método para preparar uma argila organofílica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por uma mistura que compreende uma argila do tipo esmectita, de 0 a 15% em peso de água e/ou solvente polar, e um sal de amônio quaternário que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)- dimetilamônio, ser homogeneizada a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, e a mistura homogeneizada resultante ser seca.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a mistura homogeneizada ser submetida à moagem após ter sido seca.
11. Método para preparar uma argila organofílica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por uma suspensão aquosa de uma argila do tipo esmectita ser misturada com um sal de amônio quaternário, que compreende pelo menos 75% em mol de éster de ácido graxo de metilsulfato de bis-(2-hidroxipropil)-dimetilamônio, a uma temperatura acima do ponto de fusão do sal de amônio quaternário, os sólidos serem separados da suspensão resultante e os sólidos separados serem secos.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o sólido seco ser submetido à moagem.
13. Método, de acordo com a reivindicação 10 ou 12, caracterizado por, após a moagem, as partículas maiores do que 75 μm serem removidas através de peneiração.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado por o sal de amônio quaternário ter um ponto de fusão de -10 a 80 °C.
15. Uso de uma argila organofílica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por ser para o espessamento de uma composição à base de óleo.
16. Uso, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a composição à base de óleo compreender de 5 a 40% em peso de água.
17. Fluido de perfuração para perfurar poços de petróleo ou gás caracterizado por compreender uma fase oleosa e uma argila organofílica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
18. Fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por compreender adicionalmente uma fase aquosa dispersa.
19. Fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por a razão em peso de fase oleosa para fase aquosa dispersa, excluindo sólidos dispersos nas fases, estar na faixa de 95:5 a 50:50.
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