ES2907688T3

ES2907688T3 - Aditivo para cemento para pozos de petróleo, y composición de cemento y lechada de cemento que incluyen ambas dicho aditivo para cemento para pozos de petróleo

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Publication number: ES2907688T3
Application number: ES17796213T
Authority: ES
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Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2022-04-26
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Abstract

Un aditivo para cemento para pozos de petróleo que contiene alcohol polivinílico que tienen un valor de saponificación del 78 al 82% en moles y un grado de polimerización medio de viscosidad de 3000 a 4500.

Description

DESCRIPCIÓN

Aditivo para cemento para pozos de petróleo, y composición de cemento y lechada de cemento que incluyen ambas dicho aditivo para cemento para pozos de petróleo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un aditivo para cemento para pozos de petróleo que contiene alcohol polivinílico.

Antecedentes de la técnica

Los cementos para pozos de petróleo que se usan para cementar pozos de petróleo, pozos de gas y pozos de agua se inyectan en el espacio entre una tubería de acero y un orificio del pozo para proteger la tubería de acero (revestimiento). La reducción de la cantidad de fluido en la lechada de cemento por la alta presión y el calor subterráneo durante la inyección lleva al deterioro de la fluidez de la lechada de cemento y de la intensidad del cemento después del endurecimiento y, por lo tanto, se añade un agente reductor de pérdida de fluido.

El alcohol polivinílico (en lo sucesivo denominado PVA) se ha usado normalmente como agente reductor de la pérdida de fluido. Recientemente, se han construido pozos de gas más profundos particularmente para la producción de gas de esquisto y, por tanto, los requisitos de presión y temperatura se están volviendo más estrictos y la cantidad de agente reductor de pérdida de fluido añadido también está aumentando. Sin embargo, el aumento de la cantidad de agente reductor de pérdida de fluido añadido puede llevar a un problema de deterioro de la fluidez de la lechada de cemento por espesamiento y el aumento de la cantidad de agente reductor de pérdida de fluido añadido también lleva a un aumento del coste. Por consiguiente, hay una necesidad de mejorar la propiedad reductora de pérdida de fluido del aditivo..

Aunque hay una descripción sobre el PVA usado como agente reductor de pérdida de fluido en la WO 2007/146348 A y la JP 2015-196733 A, la propiedad de reducción de pérdida de fluido exigida para las lechadas de cemento inyectadas a alta temperatura y alta presión se describe solamente de manera insuficiente.

La JP 2002-104853 A divulga una mezcla de cemento de alta resistencia que comprende un alcohol polivinílico que tiene un grado de saponificación del 80 al 95% en moles. La US 6.350.808 B1 se refiere a polvos en dispersión que comprenden PVA parcialmente acetalizado usado en materiales que contienen cemento que tienen una adhesión mejorada a sustratos hidrófobos. En los ejemplos, el valor de saponificación es del 88 o del 98% en moles y no se divulga ningún grado de polimerización. La JP H09285287 A divulga una mezcla de materias primas para la fabricación de un portador para la inmovilización de microorganismos. La mezcla de materias primas comprende un cemento y un PVA. En un ejemplo, el PVA tiene un grado de polimerización de 2.000 y un grado de saponificación del 80%. La JP 3 310428 B2 se dirige a un cemento que comprende PVA que tiene una buena capacidad de liberación de un rodillo mezclador. El PVA tiene un grado de polimerización de por lo menos 4.000, preferiblemente de por lo menos 6.000 o más y un grado de saponificación de por lo menos el 50% en moles, preferiblemente del 70 al 90% en moles.

Sumario de la invención

Problema técnico

Aunque hay varias mejoras para el agente reductor de pérdida de fluido que contiene PVA, la propiedad reductora de pérdida de fluido de esos cementos para pozos de petróleo, que se inyectan a alta temperatura y alta presión, sigue siendo insuficiente, como se ha descrito anteriormente.

Un objeto principal de la presente invención es proporcionar un aditivo que contiene PVA para cemento para pozos de petróleo que sea superior en cuanto a propiedades de reducción de pérdida de fluido. Solución al problema

Después de estudios intensivos para un PVA de este tipo para su uso como aditivo para cemento para pozos de petróleo, los presentes inventores han descubierto que el valor de saponificación y el grado de polimerización medio de viscosidad del PVA influyen significativamente sobre la propiedad de reducción de pérdida de fluido del aditivo que contiene PVA y han hecho la presente invención.

Específicamente, la presente invención proporciona primero un aditivo para cemento para pozos de petróleo, el aditivo conteniendo alcohol polivinílico que tiene un valor de saponificación del 78 al 82% en moles y un grado de polimerización medio de viscosidad de 3.000 a 4.500. El contenido de las partículas de alcohol polivinílico puede tener un diámetro de partícula de 75 pm o menos contenido en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención puede establecerse en el 30% en masa o menos y el contenido de las partículas de alcohol polivinílico que tienen un diámetro de partícula de 500 |jm o más en el 10% en masa o menos. La presente invención proporciona adicionalmente una composición de cemento que contiene el aditivo para cemento para pozos de petróleo descrito anteriormente en una cantidad del 0,01 al 30% bwoc y una lechada de cemento que contiene un cemento, el aditivo para cemento para pozos de petróleo descrito anteriormente en una cantidad del 0,01 al 30% bwoc y agua. Otro aspecto de la invención se refiere al uso de dicho aditivo para la cementación de pozos de petróleo.

Efectos ventajosos de la invención

Es posible, de acuerdo con la presente invención, mejorar la propiedad de reducción de pérdida de fluido del aditivo que contiene PVA para cemento para pozos de petróleo.

Descripción de realizaciones

En lo sucesivo, se describirán realizaciones favorables de la presente invención. Las realizaciones descritas a continuación son solo algunos de los ejemplos de realizaciones típicas de la presente invención y debe entenderse que el alcance de la presente invención no estará restringido por estas realizaciones.

La presente invención proporciona un alcohol polivinílico (en lo sucesivo denominado "PVA") que es controlado en el valor de saponificación y el grado de polimerización medio de viscosidad y puede usarse favorablemente como aditivo para cementos de pozos de petróleo que se usan para cementar pozos de petróleo, pozos de gas y pozos de agua.

Para inyectar cemento en el espacio entre una tubería de acero y un orificio de pozo se usa ampliamente un método de mezclar cemento, agua y varios aditivos en la lechada e inyectar con bomba la lechada preparada de este modo. Cuando se usa PVA como agente reductor de pérdida de fluido, uno de los aditivos, la resina se hincha en la lechada, inhibiendo la pérdida de fluido de la lechada de cemento provocada por la alta presión y el calor subterráneo durante la inyección.

Entonces, controlando el valor de saponificación y el grado de polimerización medio de viscosidad del PVA, es posible mejorar la propiedad de reducción de pérdida de fluido del aditivo para cemento para pozos de petróleo. También es posible mejorar adicionalmente la propiedad de reducción de pérdida de fluido del aditivo para cemento para pozos de petróleo controlando el valor de saponificación, el grado de polimerización medio de viscosidad y, adicionalmente, el diámetro de partícula del PVA.

El aditivo para cemento de pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención se caracteriza por contener un PVA que tiene un valor de saponificación particular y un grado de polimerización medio de viscosidad particular.

El PVA contenido en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención tiene un valor de saponificación del 78 al 82% en moles. Es posible hacer que el valor de saponificación sea del 85% en moles o menos para evitar un aumento excesivo de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de PVA e inhibir el deterioro del hinchamiento, evitando de este modo el deterioro de la propiedad de reducción de pérdida de fluido. También es posible hacer que el valor de saponificación sea del 75% en moles o más para evitar un aumento excesivo de la solubilidad en agua del PVA e inhibir la solubilización del PVA en la lechada de cemento, evitando de este modo el deterioro de la propiedad de reducción de pérdida de fluido. El "valor de saponificación", como se usa en la presente memoria descriptiva, es un valor determinado y calculado de acuerdo con "3.5 Valor de saponificación" de JIS K6726.

El PVA contenido en el aditivo para cemento de pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención tiene un grado de polimerización medio de viscosidad de 3.000 a 4.500, más preferiblemente de 3.000 a 3.800 y particularmente preferiblemente de 3.300 a 3.700. Es posible hacer que el grado de polimerización medio de viscosidad sea de 4.500 o menos para facilitar la producción del PVA y mejorar su productividad. Es posible hacer que el grado de polimerización medio de viscosidad sea de 2.800 o más para evitar un aumento excesivo de la solubilidad en agua del PVA e inhibir su solubilización en la lechada de cemento, evitando de este modo el deterioro de la propiedad de reducción de pérdida de fluido.

El "grado de polimerización medio de viscosidad", como se usa en la presente memoria descriptiva, se calcula a partir de la viscosidad limitante [r|] (g/dl), determinada a 30° C usando agua de intercambio iónico como solvente con un viscosímetro Ostwald, de acuerdo con la siguiente fórmula (1):

En la fórmula, P representa el grado de polimerización medio de viscosidad.

El contenido de partículas de PVA que tienen un diámetro de partícula de 75 |jm o menos en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención es preferiblemente del 30% en masa o menos, más preferiblemente del 25% en masa o menos, y aún más preferiblemente del 15% en masa o menos. Cuando las partículas de PVA tienen un diámetro de partícula excesivamente pequeño, el PVA se disuelve en la lechada de cemento, provocando posiblemente un problema de deterioro en la propiedad de reducción de pérdida de fluido. Es posible controlar el contenido de partículas que tienen un diámetro de partícula de 75 jm o menos al 30% en masa o menos para evitar la solubilización del PVA en la lechada de cemento y mejorar la propiedad de reducción de pérdida de fluido.

El contenido de partículas de PVA que tienen un diámetro de partícula de 500 jm o más en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención es preferiblemente del 10% en masa o menos, más preferiblemente del 8% en masa o menos, y más preferiblemente del 5% en masa o menos. Cuando las partículas de PVA tienen un diámetro de partícula excesivamente grande, pueden provocar un problema de uniformidad en el mezclado y dispersabilidad en el cemento. Es posible controlar el contenido de partículas que tienen un diámetro de partícula de 500 jm o más al 10% en masa o menos para mezclar y dispersar las partículas de PVA uniformemente en el cemento.

En la presente memoria descriptiva, el PVA puede ser, por ejemplo, un polímero obtenido por saponificación total o parcial de un éster de polivinilo obtenido por polimerización de un éster de vinilo como acetato de vinilo. El "polímero" es un polímero de acuerdo con la definición de la Comisión de Nomenclatura Macromolecular de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). De acuerdo con la Comisión de Nomenclatura Macromolecular de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), una macromolécula se define como "una molécula de alta masa molecular relativa, cuya estructura comprende esencialmente la repetición múltiple de unidades derivadas, real o conceptualmente, de moléculas de baja masa molecular relativa".

El PVA puede ser un homopolímero de un éster vinílico o un copolímero de un éster vinílico y un monómero que no es un éster vinílico copolimerizable con el éster vinílico. Se trata preferiblemente de un homopolímero de éster vinílico desde el punto de vista de la estabilidad del PVA obtenido.

Los ejemplos de ésteres de vinilo incluyen acetato de vinilo, propionato de vinilo, valerato de vinilo, caprato de vinilo, laurato de vinilo, estearato de vinilo, benzoato de vinilo y pivalato de vinilo. El acetato de vinilo es preferible desde el punto de vista de la facilidad de polimerización.

Los ejemplos de monómeros de éster no de vinilo copolimerizables con el éster de vinilo incluyen monómeros de a-olefina como etileno y propileno; monómeros de éster de (met)acrilato de alquilo como (met)acrilato de metilo, (met)acrilato de etilo, (met)acrilato de butilo y (met)acrilato de 2-etilhexilo; monómeros de amida insaturada como (met)acrilamida y N-metilol acrilamida; monómeros de ácido carboxílico insaturados como ácido (met)acrílico, ácido crotónico, ácido maleico, ácido itacónico y ácido fumárico; monómeros de éster de alquil(metilo, etilo, propilo, etc.) de ácidos carboxílicos insaturados; anhídridos carboxílicos insaturados como anhídrido maleico; sales (como sodio, potasio y amonio) de ácidos carboxílicos insaturados; monómeros que contienen grupos glicidilo como alil glicidil éter y (met)acrilato de glicidilo; monómeros que contienen grupos de ácido sulfónico como ácido 2-acrilamida-2-metilpropanosulfónico o sales de los mismos, monómeros que contienen grupos de ácido fosfórico como metacrilato de fosfoxietilo de ácido y metacrilato de fosoxipropilo de ácido; y monómeros de alquil vinil éter.

El método de polimerización del éster de polivinilo no está particularmente limitado, si no altera los efectos ventajosos de la presente invención y puede usarse un método de polimerización conocido, como polimerización en solución, polimerización en suspensión o polimerización en masa. El uso de un método de polimerización en solución en alcohol es preferible desde el punto de vista de la facilidad de operación y el posible uso de un solvente común a la reacción de saponificación en el paso siguiente.

El éster de polivinilo obtenido se disuelve en alcohol y se saponifica en presencia de un catalizador alcalino o de un catalizador de ácido. Los ejemplos de alcoholes incluyen metanol, etanol y butanol. La concentración del éster de polivinilo en el alcohol no está particularmente limitada, pero preferiblemente es del 5 al 80% en masa como concentración de materia sólida. Los ejemplos de catalizadores alcalinos que pueden usarse incluyen hidróxidos y alcoholatos de metales alcalinos como hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, metilato de sodio, etilato de sodio y metilato de potasio. Ejemplos de catalizadores de ácidos que pueden usarse incluyen soluciones acuosas de ácidos inorgánicos como ácido clorhídrico y ácido sulfúrico y ácidos orgánicos como ácido p-toluenosulfónico. La cantidad de estos catalizadores usada no está particularmente limitada, pero preferiblemente es de 0,1 a 100 de equivalencia milimolar con respecto al acetato de vinilo. La temperatura de reacción durante la saponificación tampoco está particularmente limitada, pero preferiblemente está en el intervalo de 10 a 70° C, más preferiblemente en el intervalo de 30 a 50° C. El tiempo de reacción no está particularmente limitado y puede ser, por ejemplo, de 1 a 10 horas. <Composición del cemento y lechada de cemento>

La composición de cemento y la lechada de cemento de acuerdo con la presente invención se caracterizan por contener el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención descrito anteriormente en una cantidad particular.

El método de añadir el PVA a la lechada de cemento no está particularmente limitado, si no altera los efectos ventajosos de la presente invención, y se usa un método común como un método de mezclarlo previamente con una composición de cemento seco o un método de mezclarlo durante la preparación de la lechada de cemento.

La cantidad de PVA añadida tampoco está particularmente limitada, si no altera los efectos ventajosos de la presente invención, y es preferiblemente del 0,01 al 30% bwoc, más preferiblemente del 0,05 al 10% bwoc, y más preferiblemente del 0,1 al 5% bwoc. El término "en peso de cemento" (bwoc), se define como el peso de un aditivo seco añadido a una composición de cemento con respecto a la materia sólida de cemento.

Ejemplos

En lo sucesivo, se describirá con más detalle la presente invención con referencia a los ejemplos. Los Ejemplos descritos a continuación son solo algunos ejemplos de los Ejemplos típicos de la presente invención y debe entenderse que el alcance de la presente invención no estará restringido por estos Ejemplos. La "parte" y el "%" a continuación significan respectivamente "parte en masa" y "% en masa", a menos que se especifique lo contrario. Cabe señalar que los Ejemplos 2, 3, 5 y 7 no se encuentran dentro del alcance de protección de la invención. Los Ejemplos 1, 4 y 6 son de acuerdo con la invención.

<Preparación de PVA>

[Ejemplo 1]

Se colocaron 100 partes en masa de acetato de vinilo, 5,3 partes en masa de metanol y 0,02% en moles de azobisisobutironitrilo en un tanque de polimerización equipado con un condensador de reflujo, un embudo de goteo y un agitador y se dejó polimerizar la mezcla, a medida que se agitaba a su temperatura de ebullición durante 4,0 horas bajo una corriente de gas de nitrógeno. Luego, se descargó el monómero de acetato de vinilo sin reaccionar del sistema de polimerización para dar una solución en metanol de un acetato de polivinilo que tenía un grado de polimerización de 3.500.

Se añadió una solución metanólica de hidróxido de sodio (0,004 mol de hidróxido de sodio a acetato de vinilo) a la solución metanólica de acetato de polivinilo obtenida de este modo y la mezcla se sometió a una reacción de saponificación a 40° C durante 150 minutos. La solución de reacción obtenida se secó con calor, para dar un PVA del Ejemplo 1 que tenía un valor de saponificación del 80% en moles.

Después del secado, las partículas de PVA se tamizaron con un tamiz que tenía una abertura de 500 pm. Las partículas de PVA que quedaban en el tamiz se pulverizaron en un pulverizador y se mezclaron concienzudamente con las partículas de PVA tamizadas anteriormente, para dar un PVA que contenía partículas de un diámetro de partícula de 75 pm o menos en una cantidad del 22%.

[Ejemplos 2 a 6 y Ejemplos Comparativos 1 a 7]

Los PVA de los Ejemplos 2 a 6 y los Ejemplos Comparativos 1 a 7 se obtuvieron de manera similar al Ejemplo 1, excepto que la cantidad de metanol durante la polimerización, la cantidad de hidróxido de sodio durante la saponificación y la abertura del tamiz usados durante el ajuste del diámetro de las partículas se cambiaron a los que se muestran en la Tabla 1 a continuación.

<Cálculo del grado de polimerización medio de viscosidad de PVA>

Se determinó la viscosidad limitante [r|] (g/dl) de los PVA obtenidos en los Ejemplos 1 a 6 y los Ejemplos Comparativos 1 a 7, y se calculó el grado de polimerización medio de acuerdo con la Fórmula (1) anterior.

<Evaluación de la propiedad de reducción de pérdida de fluido>

La propiedad de reducción de pérdida de fluido del PVA se determinó de acuerdo con el método de prueba de pérdida de fluido de una especificación del Instituto Americano del Petróleo (API) 10B-2 (abril de 2013) y la pérdida de fluido obtenida se expresó en cc. En los siguientes Ejemplos, se determinó a una densidad de lechada de 1.900 kg/m3. La cantidad de pVa añadido se determinó en una condición del 0,25% bwoc a una temperatura de evaluación de 20° C, 0,4% bwoc a 40° C o 0,6% bwoc a 60° C. <Resultados>

Los resultados se resumen en la siguiente Tabla 1.

Como se muestra en la Tabla 1, las lechadas de cemento de los Ejemplos 1 a 7 (Ejemplos 2, 3, 5, 7 no de acuerdo con la invención), que contienen un PVA que tiene un valor de saponificación de 75 a 85% en moles y un grado de polimerización medio de viscosidad de 2.800 a 4.500, dieron una pérdida de fluido menor que la de los Ejemplos Comparativos 1 a 6 que contienen un PVA que tiene un valor de saponificación y/o un grado de polimerización medio de viscosidad fuera del alcance de la presente invención. Más específicamente, por ejemplo, cuando se comparan el Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo 3, en donde se usó un PVA que tiene un valor de saponificación del 80% en moles, la lechada de cemento que contenía un PVA que tiene un grado de polimerización medio de viscosidad de menos de 2.800 del Ejemplo Comparativo 3 dio una mayor pérdida de líquido, en comparación con la lechada de cemento del Ejemplo 1 que contiene un PVA que tiene un grado de polimerización medio de viscosidad en el intervalo de 2.800 a 4.500. Alternativamente, cuando se comparan el Ejemplo 5 (no de acuerdo con la invención) y el Ejemplo Comparativo 6, en donde se usó un PVA que tiene un grado de polimerización medio de viscosidad de 2.800, la lechada de cemento del Ejemplo Comparativo 6 que contiene un PVA que tiene un valor de saponificación de más del 85% en moles dio una pérdida de fluido significativamente mayor a 60° C, en comparación con la lechada de cemento del Ejemplo 5 que contiene un PVA con un valor de saponificación en el intervalo del 75 al 85% en moles.

Estos resultados sugieren que el uso de un PVA que tiene un valor de saponificación del 78 al 82% en moles y un grado de polimerización medio de viscosidad de 3000 a 4500 lleva a una mejora en la propiedad de reducción de pérdida de fluido.

Cuando se comparan las lechadas de cemento de los Ejemplos, la lechada de cemento del Ejemplo 1 que contiene un PVA que tiene un valor de saponificación en el intervalo del 78 al 82% en moles dio una menor pérdida de fluido, en comparación con las lechadas de cemento de los Ejemplos 2 y 3 (no de acuerdo con la invención) que contienen respectivamente un PVA que tiene un valor de saponificación fuera del intervalo anterior. El resultado sugiere que el valor de saponificación del PVA contenido en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención se controla a del 78 al 82% en moles.

Además, la lechada de cemento del Ejemplo 1 que contiene un PVA que tiene un grado de polimerización medio de viscosidad de 3.000 o más dio una menor pérdida de fluido, en comparación con la lechada de cemento del Ejemplo 5 (no de acuerdo con la invención) que contiene un PVA que tiene un grado de polimerización medio de viscosidad de menos de 3.000. El resultado sugiere que el grado de polimerización medio de viscosidad del PVA contenido en el aditivo para cemento de pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención se controla a 3.000 o más.

Además, cuando se comparan las lechadas de cemento de los Ejemplos 5 y 7 (no de acuerdo con la invención), que contienen un PVA que tiene el mismo valor de saponificación y el mismo grado de polimerización medio de viscosidad, la lechada de cemento del Ejemplo 5 que contiene partículas de PVA que tienen un diámetro de partícula de PVA de 75 pm o menos en una cantidad del 30% o menos dio una menor pérdida de fluido. Alternativamente, cuando se comparan las lechadas de cemento de los Ejemplos 1 y 6, que contienen un PVA que tiene el mismo valor de saponificación y el mismo grado de polimerización medio de viscosidad, la lechada de cemento del Ejemplo 6 que contiene partículas de PVA que tienen un diámetro de partícula de 75 pm o menos en una cantidad del 15% o menos dio una menor pérdida de fluido. El resultado sugiere que el contenido de partículas de PVA que tienen un diámetro de partícula de 75 pm en el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la presente invención es preferiblemente del 30% o menos, más preferiblemente del 15% o menos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aditivo para cemento para pozos de petróleo que contiene alcohol polivinílico que tienen un valor de saponificación del 78 al 82% en moles y un grado de polimerización medio de viscosidad de 3000 a 4500.

2. El aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el alcohol polivinílico contiene partículas que tienen un diámetro de partícula de 75 pm o menos en una cantidad del 30% en masa o menos y aquellas que tienen un diámetro de partícula de 500 pm o más en una cantidad del 10% en masa o menos.

3. Una composición de cemento que contiene el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la Reivindicación 1 o 2 en una cantidad del 0,01 al 30% bwoc.

4. Una lechada de cemento que contiene un cemento, el aditivo para cemento para pozos de petróleo de acuerdo con la Reivindicación 1 o 2 en una cantidad del 0,01 al 30% bwoc y agua.

5. El uso de un aditivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2 para la cementación de pozos de petróleo.