BR102019027694A2 - método para preparar um hidrogel, hidrogeis e composições de vedação - Google Patents

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Abstract

“método para preparar um hidrogel, hidrogeis e composições de vedação” a hidrogeis derivados de acrilamida e métodos de fabricação dos mesmos a partir de um monômero acrílico, um agente de reticulação que compreende um composto organossilício, um iniciador de polimerização, um solvente e um acelerador de polimerização, bem como a sua utilização no controle de perdas de circulação. os hidrogeis obtidos interagem com as paredes do reservatório e exibem um aumento de viscosidade, quer em momentos tardios ou em resposta a um estímulo, tal como alterações de temperatura, pressão, ph, salinidade, usando uma metodologia simples facilmente escalável.

Description

MÉTODO PARA PREPARAR UM HIDROGEL, HIDROGEIS E COMPOSIÇÕES DE VEDAÇÃO ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção está relacionada ao campo técnico de materiais utilizados para controle de perdas em operações de perfuração de petróleo. Especificamente, a presente invenção refere-se a hidrogéis derivados de acrilamida e seu uso como agentes de controle para perdas de circulação.
[002] Os hidrogéis são géis poliméricos macromoleculares constituídos por redes poliméricas reticuladas e capazes de absorver reversivelmente grandes quantidades de água, o que permite seu uso em diversas aplicações. As características físico-químicas de um hidrogel, bem como suas possíveis aplicações, dependem de sua estrutura molecular, em particular a presença de grupos funcionais e o grau de reticulação, entre outros.
[003] Várias aplicações de hidrogéis são descritas na literatura de patentes, particularmente na biomedicina e na agricultura. Por exemplo, US 6,066,172 A e EP 2 523 982 A1 descrevem o uso de um hidrogel para a fabricação de uma lente de contato. Por sua vez, são conhecidas aplicações na liberação controlada de fármacos, bem como na liberação controlada de água e na estruturação do solo.
[004] Os hidrogéis também são utilizados no tratamento de formações subterrâneas, particularmente em operações de perfuração e/ ou recuperação de petróleo. Os hidrogéis modificam as propriedades reológicas dos fluidos de perfuração e reduzem as desvantagens associadas com a diminuição da viscosidade aparente destes fluidos, em particular devido a elevadas temperaturas de funcionamento. Além disso, o aumento na viscosidade aparente fornecida por hidrogéis pode ser vantajoso em operações de fratura, uma vez que os fluidos com viscosidades mais elevadas irão permitir a obtenção de fraturas com características melhoradas.
[005] O pedido de patente EP 0 583 814 A1 descreve hidrogeis termoviscosificantes para a indústria petrolífera, cujas estruturas compreendem um esqueleto polimérico com unidades de ácido acrílico, bem como enxertos de polietileno glicol termossensíveis. O pedido de patente dos EUA 2015/027710 A1 descreve hidrogeis de poli (alcenil amida)-polisossacarídeos para uso no tratamento de uma formação subterrânea. O pedido de patente WO 2016/171683 A1 descreve hidrogeis obtidos a partir de celulose, com a incorporação de enxertos de ácidos acrílicos e de acrilamida ou mistura s dos mesmos para tal uso. Os hidrogeis descritos nesses documentos apresentam certas desvantagens, como excesso de água para lavar o material (20 L por 25 g de produto), longos tempos de reação, bem como a possibilidade de degradação microbiana dos polissacarídeos.
[006] Há, portanto, uma necessidade de fornecer um método para a obtenção de hidrogeis que é facilmente reprodutível e escalonável, bem como hidrogeis para uso como agentes de controle para perdas de circulação em perfuração de petróleo que tenham melhores propriedades de sensibilidade térmica.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO
[007] O presente pedido de patente tem como objetivo obter um hidrogel capaz de interagir com as paredes de um reservatório e gerar um aumento na viscosidade, seja em tempos atrasados (o inchaço do hidrogel ocorre após 15 minutos) ou em resposta a estímulos dados, como como mudanças de temperatura, pressão, pH, salinidade, usando uma metodologia simples.
[008] Ao contrário dos polímeros do estado da técnica, os polímeros divulgados aqui são híbridos orgânicos-inorgânicos, em que os componentes orgânicos compreendem, pelo menos, um monômero acrílico que concede a capacidade de formar um hidrogel por reticulação, e os componentes inorgânicos compreendem pelo menos um composto sililado, que proporciona maiores interações com uma rocha.
[009] Em um primeiro aspecto, um objeto da presente invenção é um método para preparar um hidrogel, em que o método compreende as etapas de:
  • i. fornecer uma solução compreendendo um monômero acrílico selecionado a partir de acrilamida, metacrilamida, N-isopropilacrilamida, N-[tris(hidroximetil)metil] acrilamida, N,N-dietilacrilamida, N,N-dimetilacrilamida, cloreto de metacrilamidopropiltrimetilamônio e misturas dos mesmos, um agente reticulante compreendendo um composto de organossilício selecionado a partir de diviniltetrametildisiloxano, viniltrimetoxissilano, metacriloxipropiltrimetoxissilano, acrilato de trimetilsilila, triclorovinilsilano, metacrilato de trimetilsilila e misturas dos mesmos, um iniciador de polimerização e um solvente,
  • ii. adicionar um acelerador de polimerização à solução, obtendo assim uma mistura de reação; e
  • iii. polimerizar a mistura de reação.
[0010] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero acrílico é selecionado a partir de acrilamida, N-isopropilacrilamida e misturas dos mesmos.
[0011] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o agente de reticulação compreende diviniltetrametildisiloxano. Ainda mais preferencialmente, o agente de reticulação compreende ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
[0012] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero é acrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0013] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero é N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0014] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero é acrilamida e o agente de reticulação é N,N’-metilenobisacrilamida.
[0015] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero é N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é N,N’-metilenobisacrilamida.
[0016] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, a solução compreende uma mistura de acrilamida e N-isopropilacrilamida. Preferencial mente, a razão molar de acrilamida para N-isopropilacrilamida na solução está entre 1: 4 e 4: 1. Ainda mais preferencialmente, a razão molar é 2: 3.
[0017] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, a solução compreende uma mistura de acrilamida e N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0018] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, a solução compreende uma mistura de acrilamida e N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é uma mistura de diviniltetrametildisiloxano e N,N’-metilenobisacrilamida.
[0019] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, a solução compreende uma mistura de acrilamida e N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação compreende N,N’- metilenobisacrilamida.
[0020] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o monômero é N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é uma mistura de diviniltetrametildisiloxano e N,N’- metilenobisacrilamida.
[0021] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, o solvente é selecionado a partir de água destilada, metanol, etanol, propanol, butanol e combinações dos mesmos. De preferência, o solvente é metanol.
[0022] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o iniciador de polimerização é selecionado a partir de persulfato de amônio e persulfato de sódio. De um modo preferido, o iniciador de polimerização é um persulfato de amônio.
[0023] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, o acelerador de polimerização é N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina.
[0024] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, pelo menos uma das etapas é realizada à temperatura ambiente.
[0025] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, pelo menos uma das etapas é realizada sob atmosfera de nitrogênio.
[0026] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, a etapa iii) de polimerizar a mistura de reação é realizado durante um tempo entre 200 e 300 min.
[0027] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, pelo menos uma das etapas é realizada sob agitação a 300 rpm.
[0028] Em uma forma de realização preferida do método da presente invenção, o método compreende ainda as etapas de purificação do hidrogel obtido a partir da polimerização da mistura de reação.
[0029] Em outra forma de realização preferida do método da presente invenção, o método compreende ainda a etapa de reação do hidrogel com uma solução compreendendo um segundo agente de reticulação selecionado a partir de bórax, acetato de cromo (III), nanopartículas de sílica e combinações dos mesmos. De preferência, a razão de massa entre o hidrogel e o segundo agente de reticulação está na faixa entre 1: 10 e 10:1.
[0030] Em um segundo aspecto, um objetivo da presente invenção é um hidrogel obtido de acordo com o método do primeiro aspecto para uso como um agente de controle de perda de circulação.
[0031] Em um terceiro aspecto, um objetivo da presente invenção é uma composição de vedação compreendendo um hidrogel obtido de acordo com o método do primeiro aspecto e um material granular ou escamoso. De preferência, o referido material granular ou escamoso compreende escamas de peixe.
[0032] Em um quarto aspecto, um objetivo da presente invenção é um hidrogel compreendendo um polímero de um monômero acrílico selecionado a partir de acrilamida, metacrilamida, N-isopropilacrilamida, N-[tris(hidroximetil)metil] acrilamida, N,N-dietilacrilamida, N,N-dimetilacrilamida, cloreto de metacrilamidopropiltrimetilamônio e misturas dos mesmos, reticulados com um agente de reticulação que compreende um composto organossilício selecionado a partir de diviniltetrametildisiloxano, viniltrimetoxissilano, metacriloxipropiltrimetoxisilano, acrilato de trimetilsilila, triclorovinilsilano, metacrilato de trimetilsilila e misturas dos mesmos.
[0033] De preferência, o hidrogel compreende um polímero de acrilamida ou um polímero de N-isopropilacrilamida ou um copolímero do mesmo.
[0034] De um modo preferido, o agente de reticulação compreende diviniltetrametildisiloxano. Ainda mais preferencialmente, o agente de reticulação compreende ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
[0035] Em uma forma de realização preferida, o polímero é um polímero de acrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0036] Em um outro modo de realização preferido, o polímero é um polímero de N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0037] Em ainda outra forma de realização preferida, o polímero é um polímero de acrilamida e o agente de reticulação compreende N,N’-metilenobisacrilamida.
[0038] Em uma outra forma de realização preferida, o polímero é um polímero de N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação compreende N,N’-metilenobisacrilamida.
[0039] Em uma forma de realização preferida, o polímero é um copolímero de N-isopropilacrilamida e acrilamida e o agente de reticulação é diviniltetrametildisiloxano.
[0040] Em uma outra forma de realização preferida, o polímero é um copolímero de N-isopropilacrilamida e acrilamida e o agente de reticulação compreende N,N’-metilenobisacrilamida.
[0041] Em ainda outra forma de realização preferida, o polímero é um copolímero de N-isopropilacrilamida e acrilamida e o agente de reticulação é uma mistura de diviniltetrametildissiloxano e de N,N’-metilenobisacrilamida.
[0042] Em uma forma de realização preferida, o hidrogel é ainda reticulado com um segundo agente de reticulação selecionado a partir de bórax, acetato de cromo (III), nanopartículas de sílica e combinações dos mesmos.
[0043] Em um quinto aspecto, um objetivo da presente invenção é a composição de vedação que compreende o hidrogel do quarto aspecto e um material granular ou escamoso. De preferência, o referido material granular ou escamoso compreende escamas de peixe.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0044] A Figura 1 mostra os tempos de eluição registrados para três alturas diferentes da coluna de água, para um hidrogel de acordo com a presente invenção. Os marcadores preenchidos correspondem à mistura de NIPA:AAM + DVTMDSi 60:40, a 6% p/ p + 2% p/ p de bórax a 66 °C. Os marcadores não preenchidos correspondem aos tempos registrados para a coluna sem a mistura, apenas com H2O a 70 °C.
[0045] A Figura 2 mostra os tempos de eluição registrados para três alturas diferentes da coluna de água, para um hidrogel de acordo com a presente invenção. Os marcadores preenchidos correspondem à mistura de NIPA:AAM + DVTMDSi 60:40, a 4% p/ p + 2% p/ p de bórax a 77 °C. Os marcadores não preenchidos correspondem aos tempos registrados para a coluna sem a mistura, apenas com H2O a 70 °C.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0046] A invenção será descrita em mais detalhes abaixo com referência aos desenhos anexos.
[0047] Como usado aqui, o termo "temperatura ambiente" refere-se a uma temperatura geralmente compreendida entre 15 °C e 28 °C.
[0048] O mecanismo de polimerização de um ou vários monômeros e a sua conversão em um polímero geralmente compreende as fases de iniciação, propagação (crescimento da cadeia de polímero) e terminação. No contexto da presente invenção, o mecanismo de polimerização é um mecanismo de radicais livres.
[0049] Como aqui utilizado, o termo "radical livre" refere-se a uma espécie química que possui pelo menos um elétron não emparelhado. Os radicais livres podem ser gerados dentro do sistema de polimerização por decomposição térmica do monômero (iniciação térmica) ou usando um iniciador de polimerização (iniciação química).
[0050] O termo "iniciador de polimerização" refere-se a uma espécie química cuja decomposição gera um radical livre. Em geral, os iniciadores possuem grupos funcionais termolábeis, por exemplo, grupos peróxido ou grupos azo.
[0051] Como aqui utilizado, o termo "agente de reticulação" refere-se a uma espécie química capaz de ligar cadeias poliméricas por ligações covalentes ou iônicas por meio de reações de reticulação.
[0052] O termo "capacidade de vedação" é usado para especificar uma característica de hidrogeis e composições que permitem a vedação de fissuras ou estruturas similares na formação e que impedem ou dificultam a passagem de fluidos em sua direção, reduzindo assim as perdas de circulação.
[0053] O método da presente invenção permite obter hidrogeis fortes, com capacidade de vedação e capazes de gerar uma vedação eficaz em formações que apresentam vazamentos fortes ou totais. Esses hidrogeis são sensíveis a mudanças no pH, temperatura, salinidade, mudanças na pressão ou no tempo e são ideais para uso como agentes de controle para perdas graves de fluidos de circulação durante operações de perfuração.
[0054] A sensibilidade da temperatura está relacionada ao parâmetro de temperatura crítica Lower Critical Solution Temperature (LCST). Os hidrogeis da presente invenção têm valores de LCST próximos das temperaturas de trabalho usuais em uma perfuração, tornando-os vantajosos para tais aplicações.
[0055] Os hidrogeis do presente invento podem ser colocados na formação subterrânea na forma de uma pílula, a sua hidratação e inchaço é produzido por contato com a água. Alternativamente, os hidrogeis podem ser incluídos como parte do fluido de perfuração e seu inchaço pode ser controlado. Os gatilhos do processo de dilatação podem ser mudanças de temperatura, tempo, pH ou salinidade do meio.
[0056] Além disso, os hidrogeis são compatíveis com ambos as pastas à base de água e à base de óleo, bem como com diferentes materiais de vedação disponíveis comercialmente.
EXEMPLOS
[0057] Sistema 1: Acrilamida (AAM) + diviniltetrametildisiloxano (DVTMDSi):
A síntese consistiu na polimerização de acrilamida (AAM), na presença de um agente de reticulação sililado, diviniltetrametildisiloxano (DVTMDSi) em um razão molar de 27:1. A reação foi realizada em um recipiente de plástico para evitar a adesão do componente sililado ao vidro, sob atmosfera de nitrogênio e agitação mecânica. O iniciador foi persulfato de amônio (APS), e N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina (TEMED) foi usado como acelerador.
[0058] O monômero, agente de reticulação e iniciador juntamente com metanol foram adicionados ao reator sob agitação. Após dissolução, o acelerador foi adicionado, desse modo, iniciando a reação. Após 2 h 30 min de reação à temperatura ambiente em um banho de glicerina, o solvente da reação foi filtrado e o sólido foi lavado com o mesmo solvente. O sólido foi colocado para evaporação sob pressão reduzida para remover o solvente restante. O sólido branco resultante foi colocado em banho-maria por 48 h e o material hidratado foi subsequentemente liofilizado até a extração completa da água.
[0059] Sistema 2: N-isopropilacrilamida (NIPA) + diviniltetrametildisiloxano (DVTMDSi):
Em um recipiente de plástico, para evitar a adesão do componente sililado ao vidro, foram colocados o monômero (NIPA) e o reticulador (DVTMDSi) em metanol (MeOH), em uma razão molar NIPA: DVTMDSi 28,2: 1. O sistema foi aquecido a 40 °C, sob agitação mecânica a 300 rpm e circulação de nitrogênio. Paralelamente, uma quantidade adequada do iniciador da reação, persulfato de amônio (APS; razão molar NIPA: APS de 126: 1), foi dissolvida por aquecimento e sonicação da solução nas quantidades mínimas necessárias de metanol e água destilada (3 e 0,5 mL respectivamente). A solução iniciadora foi adicionada com seringa ao sistema. As razões molares finais de MeOH: NIPA e NIPA: H2O foram de 17,4: 1 e 1,4: 1, respectivamente. A reação foi iniciada pela adição de uma quantidade adequada do acelerador, N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina (TEMED), com uma razão molar NIPA: TEMED de 8,5: 1. A reação prosseguiu a 40 °C por 2 horas e 40 minutos, sob uma corrente de nitrogênio e agitação. Após a conclusão da reação, o meio foi seco por evaporação do solvente sob pressão reduzida. O resíduo sólido resultante foi purificado por dissolução em água à temperatura ambiente e aquecimento da solução para precipitação total do produto, que foi separado por filtração a quente. O sólido obtido foi seco em estufa a vácuo a 40 °C.
[0060] Sistema 3: N-isopropilacrilamida (NIPA) + acrilamida (AAM) + diviniltetrametildisiloxano (DVTMDSi):
Em um recipiente de plástico, para evitar a adesão do componente sililado ao vidro, os monômeros NIPA e AAM e o reticulador DVTMDSi foram pesados e dissolvidos em metanol (MeOH), que foi previamente purgado por bolhas de nitrogênio. As razões molares entre os monômeros e a quantidade total de monômero (Mtotal = NIPA + AAM) e DVTMDSi que foram usadas nas formas de realização do Sistema 3 da presente invenção são mostradas na Tabela 1. O sistema foi aquecido a 40 °C, sob agitação mecânica a 300 rpm e circulação de nitrogênio. Paralelamente, uma quantidade correspondente de iniciador de reação, persuasão de amônio (APS; proporções molares Mtotal : APS, como mostrado na Tabela 1), foi dissolvida por aquecimento e sonicação da solução nas quantidades mínimas necessárias de metanol e água destilada (3 e 0,5 mL respectivamente). A solução do iniciador foi adicionada com uma seringa para o sistema (razões molares finais MeOH: Mtotal e Mtotal: H2O como mostrado na tabela 1). A reação foi iniciada adicionando uma quantidade adequada de acelerador, N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina (TEMED; razão molar Mtotal: TEMED, como mostrado na tabela 1). A reação prosseguiu a 40 °C sob uma corrente de nitrogênio e agitação. Os tempos de reação são mostrados na Tabela 1. Dependendo da razão NIPA:AAM, uma solução homogênea foi obtida ou um gel foi formado no meio de reação. Após a conclusão da reação, o meio foi seco por evaporação do solvente sob pressão reduzida. O resíduo sólido resultante foi purificado em água por recristalização a quente (isto é, dissolvendo o sólido à temperatura ambiente, aquecendo a solução para precipitação total do produto, seguido de filtração a quente), para a razão NIPA:AAM de 80:20 ou por lavagem por solvente tal como acetona para as razões de NIPA:AAM de 60:40 e 40:60, ou etanol para a razão de NIPA:AAM de 20:80. Os sólidos obtidos foram secos em um forno a vácuo a 40 °C. Nos casos em que os polímeros obtidos gelificaram em H2O, foram imersos em água durante 24 horas. Os geis resultantes foram congelados e liofilizados para obter os xerogeis correspondentes.
Tabela 1 - Razões molares e tempos de reação utilizados nos exemplos para o sistema NIPA:AAM + DVTMDSi.
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[0061] Sistema 4: N-isopropilacrilamida (NIPA) + acrilamida (AAM) + diviniltetrametildisiloxano (DVTMDSi) + N,N’-metileno N,N’-metilenobisacrilamida (BIS):
Em um recipiente de plástico, para evitar a adesão do componente sililado ao vidro, os monômeros NIPA e AAM e os agentes de reticulação DVTMDSi e BIS foram pesados e dissolvidos em metanol (MeOH), o qual foi previamente purgado por nitrogênio ou argônio borbulhando, dependendo do caso. As razões molares entre os monômeros e a quantidade total de monômero (Mtotal = NIPA + AAM) e a quantidade total de agente de reticulação (Etotal = DVTMDSi + BIS) que foram utilizadas nas formas de realização do Sistema 4 da presente invenção são mostradas na Tabela 2. O sistema foi aquecido a 40 °C, sob agitação mecânica a 300 rpm e circulação de nitrogênio. Paralelamente, uma quantidade correspondente de iniciador de reação, persufato de amônio (APS; razões molares Mtotal: APS, como mostrado na Tabela 2), foi dissolvida por aquecimento e sonicação da solução nas quantidades mínimas necessárias de metanol e água destilada (3 e 0,5 mL respectivamente). A solução do iniciador foi adicionada com uma seringa para o sistema (razões molares finais de MeOH: Mtotal e Mtotal: H2O como mostrado na Tabela 2). A reação foi iniciada pela adição de uma quantidade adequada de acelerador, N,N,N’N’-tetrametiletilenodiamina (TEMED; razão molar de Mtotal: TEMED tal como mostrado na Tabela 2). A reação prosseguiu a 40 °C sob uma corrente de nitrogênio e agitação. Os tempos de reação são mostrados na Tabela 2. Após a conclusão da reação, o meio foi seco por evaporação do solvente sob pressão reduzida. O resíduo sólido resultante foi purificado em água por recristalização a quente (isto é, dissolvendo o sólido à temperatura ambiente, aquecendo a solução para precipitação total do produto, seguido de filtração a quente), para a razão NIPA:AAM de 80:20 ou por lavagem por solvente tal como acetona para a razão NIPA:AAM 60:40. Os sólidos obtidos foram secos em estufa a vácuo a 40 °C.
Tabela 2 - Razões molares e tempos de reação utilizados nos exemplos para o sistema NIPA:AAM + DVTMDSi:BIS.
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[0062] Sistema 5: Sistemas 1-4 + Borax/ acetato de cromo (III)/ nanopartículas de Sílica:
Vários materiais foram preparadas a partir dos polímeros obtidos nos Sistemas 1 para 4 e usando bórax, acetato de cromo (III) ou sílica coloidal nanométrica Ludox® como um segundo agente de reticulação. Em particular, os polímeros que, em vez de gelificar, eram solúveis em H2O em temperatura ambiente, foram usados nesta preparação. A soluções aquosas dos polímeros e agentes de reticulação foram preparados, os quais foram, em seguida, misturados na seguinte ordem: solução de polímero, H2O destilada, solução de agente de reticulação. Uma vez preparada a mistura, o sistema foi homogeneizado por agitação com um agitador de vórtice por aproximadamente 10 segundos. A Tabela 3 mostra as razões em massa usadas nas formas de realização preferidas de misturas correspondentes ao Sistema 5.
Tabela 2 - Razões de massa usadas nos exemplos para o polímero + segundo agente de reticulação do Sistema 5
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Resultados
[0063] Testes de desempenho:
A Tabela 4 resume os resultados obtidos nos testes de desempenho para o Sistema 1 (AAM + DVTMDSi). Em todos os casos, um disco com um slot de 6 mm foi usado em uma célula de filtragem. O sistema a ser avaliado é carregado na célula e uma certa pressão é aplicada por um certo tempo. Em seguida, a válvula inferior da célula é aberta e o volume de líquido filtrado é registrado. Finalmente, 350 mL de pasta são carregados e os volumes de filtrados para 30 minutos para diferentes pressões aplicadas são registrados. O sistema 1 foi avaliado em pequenas escamas mistas de pescada ou tilápia, com tamanho médio de 2 a 7 mm, como agente para melhorar a vedação.
[0064] No primeiro teste do Sistema 1 com pequenas escamas de peixe, 300 PSI foram aplicados por 15 minutos antes da abertura da válvula, após o que 45 mL foram filtrados nos primeiros 2 segundos. Após a adição da pasta, os volumes coletados para cada pressão aplicada, mostrada na Tabela 3, foram obtidos durante os primeiros segundos. Para o restante dos 30 minutos, a pasta não filtrou em qualquer caso. Para pressões de 500 PSI, o volume filtrado consistia em água. Ao abrir a célula, foram observadas escamas na malha com cristais de gel. Gel também foi observado na ranhura e no espaço compreendido entre a ranhura e o invólucro. Os cristais estavam inchados (hidratados).
[0065] No segundo teste do Sistema 1 com pequenas escamas de peixe, foi aplicado 1 PSI por 15 minutos antes da abertura da válvula, após o que 50 mL foram filtrados nos primeiros 2 segundos. Uma vez adicionada a pasta, os volumes coletados para cada pressão aplicada, mostrada na Tabela 4, foram obtidos durante os primeiros segundos. Para o restante dos 30 minutos, a pasta não filtrou em qualquer caso. Ao abrir a célula, foram observadas escamas na malha com cristais de gel. Gel também foi observado na ranhura e no espaço compreendido entre a ranhura e o invólucro. Os cristais estavam inchados (hidratados).
[0066] O desempenho das pequenas escamas de peixe também foi testado na ausência do hidrogel, ou seja, sem o Sistema 1. Nesse caso, as escamas passaram pela fissura da fenda, cobrindo a malha. Resultados semelhantes foram obtidos com escamas de anchova, com tamanho médio de 5 a 7 mm. A única diferença era que elas eram retidas na fenda e na fissura.
Tabela 4 - Volumes filtrados registrados durante testes de desempenho
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[0067] Testes de vedação:
Sistema 4 (NIPA.AAM + DVTMDSi + Borax)
Para determinar a capacidade de vedação das misturas do polímero NIPA:AAM 60:40 + DVTMDSi com bórax, foram realizados testes de circulação de água através de uma coluna de areia, tanto na ausência quanto na presença da mistura a ser testada. Como as misturas de bórax gelificam acima da temperatura crítica (LCST), esses testes tiveram que ser realizados em temperaturas controladas e acima da temperatura ambiente. Portanto, foi utilizada uma coluna com camisa, alcançando a termostatização do sistema por meio de água quente recirculada através da coluna usando uma bomba. O controle da temperatura da água recirculada foi obtido usando uma manta de aquecimento com um termopar. Em todos os casos, o diâmetro interno da coluna era de 1 cm e a altura da coluna de areia era de 3 cm. Para determinar se a mistura testada veda o sistema, é registrado o tempo de eluição de 10 gotas ou de 1 mL de volume, em três alturas diferentes da coluna de água h1, h2 e h3. Os resultados obtidos para alguns desses testes são mostrados nas Tabelas 5 e 6 e nas Figuras 1 e 2, onde thn corresponde ao tempo de eluição de 10 gotas para cada altura da coluna d’água, hn com n = 1, 2 ou 3.
Tabela 5-Tempos de eluição requeridos para 10 gotas da configuração experimental, carregados com 1,3 mL de mistura e para a água, sem mistura. P = NIPA:AAM + DVTMDSi 60:40; B = Bórax
Figure img0007
[0068] As concentrações na Tabela 5 são indicadas em % em p/ p. Para a mesma altura da coluna de água, um tempo maior corresponde a um maior grau de vedação. Nos dois casos, a mistura foi deixada gelificar dentro da coluna por 10 minutos, antes de abri-la para iniciar a eluição. No caso da mistura 6: 2, a temperatura de trabalho foi 66 °C, enquanto com a mistura 4: 2 a temperatura de trabalho foi de 77 °C. As branco corresponde ao sistema carregado apenas com água a 70 °C, que é, sem a mistura polímero + bórax. Os tempos de eluição registrados ao longo da medição para diferentes conjuntos de 10 gotas são indicados usando números de 1 a 8, de acordo com sua ordem cronológica.
Tabela 6 - Tempo de eluição para 1 mL
Figure img0008
[0069] A Tabela 6 mostra os tempos necessários para a eluição de um volume de 1 mL da configuração experimental, carregado com 5 mL de mistura, para uma altura de coluna de água h1. P = NIPA:AAM + DVTMDSi 60:40; B = bórax. As concentrações são indicadas em % em p/ p. Um tempo mais longo corresponde a um maior grau de vedação. O teste foi realizado a 77 °C, e a mistura foi deixada gelificar dentro da coluna por 1 hora, antes de abri-la para iniciar a eluição.
[0070] Com base nos resultados obtidos, as misturas do polímero NIPA:AAM 60:40 + DVTMDSi com bórax têm uma boa capacidade de vedação acima da LCST. Essa capacidade depende das condições testadas, aumentando significativamente empregando uma quantidade maior de mistura e permitindo que o gel se desenvolva por uma hora. Além disso, esses sistemas são reversíveis ao calor, recuperando a circulação através da coluna, resfriando o sistema abaixo do LCST.
[0071] Resposta à temperatura:
Sistema 3 (NIPA.AAM + DVTMDSi)
Os polímeros obtidos neste sistema exibem uma resposta às mudanças de temperatura. A partir do LCST, eles apresentam uma mudança conformacional que resulta, nos casos em que os polímeros eram solúveis em água, em sua precipitação. Nestes casos, a sua LCST foi determinada através da dissolução de uma pequena quantidade de polímero em aproximadamente 1 mL de H2O (d) dentro de um tubo de ensaio. O tubo com solução foi aquecido em um banho-maria, aumentando a temperatura de uma forma controlada um grau centígrado de cada vez, usando um cobertor de aquecimento com um termopar, até observar o aparecimento de turbidez no tubo. Os valores LCST determinados são mostrados na Tabela 7.
Tabela 7 - Temperaturas críticas para os polímeros correspondentes ao sistema NIPA:AAM + DVTMDSi. NM: não medido
Figure img0009
[0072] A partir desses resultados, observa-se que a resposta à temperatura depende da razão NIPA:AAM na composição do polímero. Quanto maior o teor do AAM (ou menor o teor do NIPA), a LCST aumenta.
[0073] Sistema 5 (NIPA.AAM + DVTMDSi + Borax/ acetato de cromo (III) / Ludox®):
Nessas formas de realização, para misturas com bórax ou acetato de cromo (III), a resposta àtemperatura resulta em gelificação quando o sistema é aquecido acima da LCST. Para misturas com Ludox®, o sistema gelifica abaixo e acima da LCST, mas sua consistência e propriedades mudam.
[0074] I Nestes casos, a sua LCST foi determinada pela carga de 1 a 5 ml de mistura em um tubo de ensaio ou um frasco. Os tubos/ frascos contendo as misturas foram aquecidos em banho-maria, aumentando a temperatura de maneira controlada em um grau centígrado de cada vez, usando uma manta de aquecimento com um termopar, até que uma alteração na consistência da mistura fosse observada. As tabelas 8 e 9 mostram os valores para as LCSTs determinadas em cada caso. Como essas mudanças não foram tão drásticas quanto no Sistema 3, foi possível determinar as faixas de temperatura usando essa metodologia. Também deve ser esclarecido que os testes reológicos não mostraram diferenças observáveis entre as LCSTs dos polímeros do Sistema 3 e as de misturas dos mesmos (Sistema 5), para os casos testados (por exemplo, para a mistura do polímero NIPA:AAM 60:40 + 6% p/ p DVTMDSi com 2% p/ p de bórax, o aparecimento de turbidez foi observado de 57 a 59 °C; no entanto, a alteração na viscosidade da mistura em testes reológicos foi produzida apenas a 65 a 69 °C C, o que significa na LCST do polímero NIPA NIPA:AAM 60:40 polímero + DVTMDSi puro.
[0075] Tempos de hidratação:
Um teste visual para a hidratação do Sistema 1 foi realizado, com uma mistura de 5% w/ w de sólido em água. Em t = 0 são observadas partículas em suspensão. Após 15 minutos, não é observada água livre se separando da massa sólida. Portanto, o tempo necessário para atingir um grau de intumescimento adequado para a finalidade desejada é de aproximadamente 15 min.
[0076] Os resultados experimentais permitem concluir que os hidrogeis da presente invenção podem ser obtidos com um método de síntese simples e facilmente escalável. Os hidrogeis têm uma capacidade de vedação que permite a sua utilização como agente de controle para perdas de circulação em perfurações, por exemplo, como ingrediente de uma composição vedante que compreende outros agentes com capacidade de aumentar a vedação, como escamas de peixe.
Tabela 8 - LCSTs determinadas através de inspeção visual das misturas correspondentes para o sistema NIPA:AAM 60:40 + DVTMDSi com
Figure img0010
Tabela 9 - LCSTs determinadas através de inspeção visual das misturas correspondentes para o sistema NIPA:AAM 60:40 + DVTMDSi com bórax ou acetato de cromo (III)
Figure img0011

Claims (23)

  1. MÉTODO PARA PREPARAR UM HIDROGEL, caracterizado pelo método compreender as etapas de:
    • i. fornecer uma solução que compreende um monômero acrílico selecionado a partir de acrilamida, metacrilamida, N-isopropilacrilamida, N-[tris(hidroximetil)metil] acrilamida, N,N-dietilacrilamida, N,N-dimetilacrilamida, cloreto de metacrilamidopropiltrimetilamônio e misturas dos mesmos, um agente de reticulação que compreende um composto organossilício selecionado a partir de diviniltetrametildisiloxano, viniltrimetoxissilano, metacriloxipropiltrimetoxisilano, acrilato de trimetilsilila, triclorovinilsilano, metacrilato de trimetilsilila e misturas dos mesmos, um iniciador de polimerização e um solvente,
    • ii. adicionar um acelerador de polimerização à solução, obtendo assim uma mistura de reação; e
    • iii. polimerizar a mistura de reação.
  2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo agente de reticulação compreender diviniltetrametildisiloxano.
  3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo monômero ser acrilamida e o agente de reticulação ser diviniltetrametildisiloxano.
  4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo monômero ser N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação ser diviniltetrametildisiloxano.
  5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo monômero ser acrilamida e o agente de reticulação compreender ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
  6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo monômero ser N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação compreender ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
  7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo solvente ser selecionado a partir de água destilada, metanol, etanol, propanol, butanol e combinações dos mesmos.
  8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo iniciador de polimerização ser selecionado a partir de persulfato de amônio e persulfato de sódio.
  9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo acelerador de polimerização ser N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina.
  10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma das etapas ser realizada à temperatura ambiente.
  11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma das etapas ser realizada sob atmosfera de nitrogênio.
  12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos uma das etapas ser realizada sob agitação a 300 rpm.
  13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo método compreender ainda as etapas de purificação do hidrogel obtido a partir da polimerização da mistura de reação.
  14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo método compreender ainda a etapa de reação do hidrogel com uma solução compreendendo um segundo agente de reticulação selecionado a partir de borax, acetato de cromo (III), nanopartículas de sílica e combinações dos mesmos.
  15. HIDROGEL, caracterizado por ser obtido de acordo com o método, conforme definido na reivindicação 1, para uso como agente de controle de perda de circulação.
  16. COMPOSIÇÃO DE VEDAÇÃO, caracterizada por compreender um hidrogel obtido de acordo com o método, conforme definido na reivindicação 1 e um material granular ou escamoso.
  17. HIDROGEL, caracterizado por compreender um polímero de um monômero acrílico selecionado a partir de acrilamida, metacrilamida, N-isopropilacrilamida, N-[tris(hidroximetil)metil] acrilamida, N,N-dietilacrilamida, N,N-dimetilacrilamida, cloreto de metacrilamidopropiltrimetilamônio e misturas dos mesmos, reticulado com um agente de reticulação que compreende um composto de organossilício selecionado a partir de diviniltetrametildissiloxano, viniltrimetoxissilano, metacriloxipropiltrimetoxisilano, acrilato de trimetilsilila, triclorovinilsilano, metacrilato de trimetilsilila e misturas dos mesmos.
  18. HIDROGEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo polímero ser um polímero de acrilamida e agente de reticulação ser diviniltetrametildisiloxano.
  19. HIDROGEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo polímero ser um polímero de N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação ser diviniltetrametildisiloxano.
  20. HIDROGEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo polímero ser um polímero de acrilamida e o agente de reticulação compreender ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
  21. HIDROGEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo polímero ser um polímero de N-isopropilacrilamida e o agente de reticulação compreender ainda N,N’-metilenobisacrilamida.
  22. HIDROGEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo hidrogel ser ainda reticulado com um segundo agente de reticulação selecionado a partir de borax, acetato de cromo (III), nanopartículas de sílica e combinações dos mesmos.
  23. COMPOSIÇÃO DE VEDAÇÃO, caracterizada por compreender o hidrogel, conforme definido na reivindicação 17, e um material granular ou escamoso.
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