ITVA20080030A1 - Additivi anti-aggreganti per fluidi di perforazione - Google Patents

Additivi anti-aggreganti per fluidi di perforazione Download PDF

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ITVA20080030A1
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Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:
ADDITIVI ANTI-AGGREGANTI PER FLUIDI DI PERFORAZIONE
SETTORE DELL'INVENZIONE
La presente invenzione riguarda additivi che riducono l’aggregazione di materiali solidi sulle apparecchiature di perforazione (additivi antiaggreganti) da utilizzarsi nei fanghi di perforazione durante la trivellazione e il completamento di pozzi destinati all’estrazione di petrolio e gas.
STATO DELL'ARTE
I fluidi di perforazione, che sono chiamati anche fanghi di perforazione, sono miscele complesse di prodotti chimici utilizzati nelle operazioni di trivellazione per l’estrazione di idrocarburi e gas naturali da riserve sotterranee.
Tipicamente, i pozzi per l’estrazione di gas e petrolio sono trivellati utilizzando apparecchiature di perforazione che operano in presenza di un fluido di perforazione.
I fluidi di perforazione, che generalmente comprendono una emulsione o una sospensione di solidi in una fase disperdente liquida, vengono pompati nella batteria di aste di perforazione ed escono dallo scalpello attraverso degli ugelli.
I fluidi di perforazione tornano in superficie attraverso una stretta intercapedine a forma di corona circolare che si trova tra la parte esterna della batteria di aste di perforazione e le pareti del pozzo.
I fluidi di perforazione compiono diverse funzioni.
Esempi di queste funzioni sono: il raffreddamento della trivella il mantenimento della pressione idrostatica, per evitare fuoriuscite incontrollate di materiali e per aiutare a sostenere le pareti del pozzo; la lubrificazione tra la batteria di aste, lo scalpello e le pareti del pozzo; il trasporto del materiale di scavo in superficie e la sua sospensione nei momenti in cui la circolazione del fluido viene interrotta,
I fluidi di perforazione, inoltre, creano un pannello di filtrazione a bassa permeabilità sulle pareti del pozzo ed eventualmente sulle superfici di formazioni geologiche porose.
I materiali di perforazione possono avere la tendenza ad aggregarsi nel fango di perforazione e ad aderire alla batteria di aste e al rivestimento del pozzo; questo fenomeno viene indicato come “aggregazione" ("accretion’' in inglese).
L’aggregazione dei materiali di perforazione sulla batteria di aste e sul rivestimento del pozzo ostacola le operazioni di trivellazione e nel caso peggiore può persino portare al blocco della batteria di perforazione e della sonda di perforazione.
E' pertanto di grandissima importanza trovare metodi per prevenire l’aggregazione.
Sono stati proposti trattamenti per risolvere questi problemi, quali l'aggiunta al fango di tensioattivi, di sali inorganici o lubrificanti, ma nessuno di questi additivi ha dimostrato piena efficacia.
Esempi di additivi anti-aggreganti possono essere trovati in :
US 5,605,879, che descrive l’utilizzo di polialfaolefine sintetiche;
- US 5,639,715, che descrive additivi a base di derivati solfo succinici; US 6,803,346, che descrive additivi a base di fosfonati;
US 7,081 ,438 che riporta l’uso di fosfonati o di esteri fosforici di leganti organici.
Un problema che si manifesta comunemente con gli additivi anti-aggreganti dello stato dell’arte è la toro possibile tossicità per gli organismi marini e la toro scarsa biodegradabilità.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Gli acidi grassi utili per preparare gli esteri di alcanolammine della presente invenzione sono acidi grassi CB-CM monocarbossilici insaturi, poiinsaturi o saturi.
In particolare, gli esteri di alcanolammine con acidi grassi che sono utili come additivi anti-aggreganti nei fluidi di perforazione sono di- o tri-esteri di di- o tri-alcanolammine terziarie, eventualmente etossilate e/o propossilate. Alcanolammine terziarie utilizzabili includono, tra le altre, trietanolammìna, npropanol dietanolammina, isopropanol dietanolammina, etanol diisopropanolammina, triisopropanolammina, metil dietanolammina, etil dietanolammina, i loro corrispondenti derivati etossilati e/o propossilati, e loro miscele.
Le di- e tri-alcanolammine terziarie preferite per la preparatone degli esteri dell’invenzione hanno formula
N(R<,>)n(R<2>)m(R<3>)o[R<4>)t
(l)
in cui R' è un gruppo alchilico lineare o ramificato C1-C36,
n=0-l
R<2>, R<3>, R,<4>sono indipendentemente (CH2CH(R<5>)0)s-H, con R<5>^ H, CH3 s =1-10
m+o+t=3-n
m,o,t=0-3.
Tri-alcanolammine terziarie di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)S-H, in cui R<5>è H e s=l-5, che corrispondono alla trietanolammìna e alla trietanolammìna etossilata, sono particolarmente preferite.
Esempi di acidi grassi Ce-Cas, insaturi, poiinsaturi o saturi utili per la preparazione degli esteri di alcanolammine sono gli acidi oleico, erucico, eicosenico, stearico, finoleico, linolenico, paimitico, miristico, laurico, arachico, behenico, arachidonico, e loro miscele.
Gli acidi grassi preferiti sono miscele di acidi grassi che derivano da materie prime di origine naturale, quali le miscele di acidi grassi derivanti dal sego, dall'olio d’oliva, di soia, dal tali oil (tallolio), dall’olio di girasole, di semi di cotone e di lino, di palma, di colza, di cocco, di granoturco, di riso, di crusca di riso, dall’olio di pesce, di arachidi.
Le miscele di acidi grassi più preferite sono quelle contenenti almeno il 60% in peso di acido oleico.
Gli esteri di alcanolammine con acidi grassi possono essere facilmente preparati mediante esterificazione di alcanolammine terziarie, eventualmente etossilate e/o propossilate, con acidi grassi.
L'esterificazione viene condotta a temperatura compresa tra 100 e 300°C. La reazione può essere catalizzata da acidi, quali, ad esempio, l’acido solforico, solfonico, fosforoso, l’acido p-toluensolfonico, metansolfonico, alchiibenzensolfonico, ossalico, ipofosforoso o da acidi di Lewis adatti; tipicamente in questo caso, nella preparazione dell’estere si utilizza dallo 0,02 all' 1 % in peso, e più preferibilmente dallo 0, 1 allo 0,5% in peso, di catalizzatore acido, la percentuale essendo riferita al peso di acido grasso. Gli additivi anti-incrostazione dell’invenzione sono generalmente utilizzati nei fluidi di perforazione in quantità compresa tra lo 0,05 e il 10% in peso, più preferibilmente in quantità compresa tra lo 0,5 e il 5% in peso.
In una forma di realizzazione preferita, gli esteri sono esteri di una trialcanolammina di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)s-H, in cui R<5>è H e s=l , con una miscela di acidi grassi contenente almeno il 60% in peso di acido oleico(trioleato di trietanolammina).
Secondo un'ulteriore forma di realizzazione preferita, gli esteri sono esteri di tri-alcanolammine di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)S-H, in cui R<5>è H e s-3-7 con una miscela di acidi grassi contenente almeno il 60% in peso di acido oleico.
Un altro esempio di additivo anti-aggregante utile secondo l'invenzione sono gli esteri di una di-alcanolammina di formula (I) in cui n=l , R' è metile, m=2, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)s-H con s=l e R<5>= H con una miscela di acidi grassi contenente almeno il 60% in peso di acido oleico.
Gli additivi anti-aggreganti della presente invenzione sono generalmente facilmente disperdibili nei fanghi a base acqua; nel caso la loro viscosità sia eccessiva per permettere l’aggiunta diretta nel fango a base acqua, possono essere preventivamente diluiti, per esempio in un solvente idrocarburico o in oli vegetali, o emulsionati in acqua.
I fluidi di perforazione della presente invenzione possono essere formulati con salamoie.
Sali utili per la preparazione delle salamoie sono, ad esempio, cloruri, carbonati, bromuri, ioduri, clorati, bromati, nitrati, formiati, fosfati, solfati di sodio, calcio, alluminio, magnesio, stronzio, potassio, litio.
Le salamoie possono anche comprendere acqua di mare.
La densità dei fluidi di perforazione è generalmente regolata aumentando la concentrazione di sale della salamoia e/o con l’aggiunta di specifici agenti appesantenti.
Agenti appesantenti adatti sono barite, siderite, galena, dolomite, ilmenite, ematite, ossidi di ferro, carbonati di calcio e prodotti similari.
I fluidi di perforazione normalmente contengono anche uno o più modificatori di reologia. Modificatori d reologia adatti sono agenti gemicanti e viscosizzanti, quali polimeri naturali e loro derivati, biopolimeri, polimeri sintetici ad alto peso molecolare, e prodotti similari.
Altri additivi convenzionali che possono essere presenti nel fluido di perforazione sono i riduttori di filtrato (quali la cellulosa polianionica) e i fluidificanti o disperdenti (quali i lignosolfonati, i tannini, i poliacrilati, e similli). E‘ stato trovato che gli additivi anti-aggreganti dell'invenzione non modificano la reologia del fluido di perforazione, quando utilizzati nel dosaggio che ne garantisce l’efficacia.
Inoltre essi sono generalmente non tossici per gli organismi marini.
II trioleato di trietanolammina, in particolare, combina un positivo profilo ambientale con proprietà anti-aggregantieccellenti.
Sorprendentemente inoltre, gli additivi anti-aggreganti dell'invenzione hanno anche dimostrato di avere un effetto come inibitori di argille.
Gli esempi che seguono sono riportati per illustrare l’invenzione. Gli esempi non hanno b scopo di limitare l'invenzione e non devono essere così interpretati.
Esempio 1
Preparatone di trioleato di trietanolammina.
In un reattore fornito di agitatore, riscaldamento, termometro, sistema di introduzione dei reagenti e connesso a un sistema di raffreddamento per raccogliere l'acqua di reazione e a una pompa da vuoto, sono stati aggiunti sotto agitazione 2547 g di oleina (al 70% di acido oleico) e 453 g di trietanolammina.
Si è applicato il vuoto (60-80 mm Hg) e la temperatura è stata portata a 150° e mantenuta per 3 ore; la temperatura viene portata a 170°C fino a quando il numero di acidità è inferiore a 15 mg/g di KOH. La miscela di reazione è raffreddata a 50-60°C e si ottiene il prodotto in forma di liquido con numero di acidità pari a 14,6 mg/g di KOH (Additivo 1).
Esempio 2
Preparazione di trioleato di trietanolammina 9 moli etossilata.
In un’autoclave per alcossilazioni sono stati aggiunti, sotto agitazione, 1900 g di trietanolammina e 22 g di una soluzione al 35% in peso di idrossido di potassio. E’ stato applicato il vuoto (100 mm Hg circa) e la temperatura è stata portata a 120°C. La miscela è mantenuta a 120° e 100 mm Hg per 30 minuti e quindi si è iniziata l'aggiunta di 5060 g di ossido di etilene; durante l'aggiunta la pressione è stata mantenuta a circa 3 bar. Alla fine dell'aggiunta la miscela e mantenuta a 120°C per altri 30 minuti e quindi raffreddata a 50-60°C, ottenendo la trietanolammina 9 moli etossilata in forma di liquido con numero di ammina 103 mg/g KOH.
In un reattore fornito di agitatore, riscaldamento, termometro, sistema di introduzione dei reagenti e connesso a un sistema di raffreddamento per raccogliere l'acqua di reazione e a una pompa da vuoto, sono stati aggiunti sotto agitazione 1333,2 g di oleina (al 70% di acido oleico) e 866,8 g di trietanolammina 9 moli etossilata. La temperatura è portata e mantenuta a 220 °C finché il numero di acidità non è sceso sotto 15 mg/g KOH. La miscela di reazione è raffreddata a 50-60°C ottenendo così il prodotto in forma di liquido con numero di acidità 14,2 mg/g di KOH (Additivo 2).
Esempio 3
a) Preparazione di un fluido di perforazione base (bianco)
E' sfato preparato con un miscelatore Silverson a 6000 rpm un fluido base contenente 50% in peso di acqua, 2% in peso di Bentonite API, 1 % in peso di inibitore di argilla, 0,5% in peso di polimero idrosolubile e 45% in peso di barite (densità media del fluido 1,65 Kg/l).
Il fluido base è stato diviso in campioni da 350 mi.
Un campione viene utilizzato come bianco nelle prove applicative.
b) Preparazione di un fluido di perforazione comparativo (Comparativo 1 ) Ad un campione di fluido base sono stato aggiunti e miscelati per 10 minuti 10 g/350 mi di PHPA (poliacrilammide parzialmente idrolizzata).
c) Preparazione di un fluido di perforazione comparativo (Comparativo 2) Ad un campione di fluido base sono stato aggiunti e miscelati per 10 minuti 30 g/350 mi di cloruro di potassio
d) Preparatone di un fluido di perforazione contenente l’additivo dell’Esempio 1 (Fluido 1 )
Ad un campione di fluido base sono stato aggiunti e miscelati per 10 minuti 3 g/350 mi di trioleato di trietanolammina (Additivo 1 )
e) Preparazione di un fluido di perforazione contenente l’additivo dell’Esempio 2 (Fluido 2)
Ad un campione di fluido base sono sfato aggiunti e miscelati per 10 minuti 3 g/350 mi di trioleato di trietanolammina 9 moli etossilata (Additivo 2) Esempio 4
Test di efficacia deali additivi anti-aaareaanti.
Per valutare l’efficacia degli additivi anti-aggreganti è stata condotta la prova qui di seguito riportata.
Un’argilla reattiva (Arne clay) è stata posta ad asciugare per una notte a 1 10°C. Dopo raffreddamento, l'argilla è stata sminuzzata e setacciata tra i 2 mm (10 mesh) e 4 mm (5 mesh).
Sono state preparate delle celle perii test di rotolamento a caldo (conformi al metodo API RP 131 - VII edizione - febbraio 2004, § 20.6), contenenti barre cilindriche di acciaio preventivamente tarate, della dimensione di 90 mm per 30 mm di diametro e peso di circa 400 g.
Ogni fluido da testare è stato posto in una cella, in quantità tale da lambire la base superiore della barra. Ad ogni cella sono stati aggiunti e dispersi uniformemente 50 g di argilla sminuzzata. Le celle sono state chiuse e fatte rotolare per 30 minuti a temperatura ambiente in una stufa dotata di un sistema a rulli in grado di mantenere le celle stesse in costante rotazione. In seguito le celle sono state aperte e le barre rimosse con cautela e lasciate a scolare per dieci minuti; quindi le barre sono state pesate.
Più alto il peso della barra, minore l’efficacia anti-aggregante dell'additivo. I risultati sono riportati in % in peso di materiale argilloso incrostato presente sulla superficie metallica (% aggregazione).
Esempio 5
Test di biodeardabilità
Il test è stato condotto in accordo con il metodo descritto in OECD Guideline for thè testing of Chemicals n° 306: Biodegradability in seawater" (1992).
E’ stata misurata la biodegradabilità di un campione di trioleato di trietanolammina (Additivo 1 ) esponendolo a microorganismi in acqua di mare naturale.
Prima dell'esposizione è stata misurato il COD (Chemical oxygen demand) dell’ Additivo 1 .
Un quantitativo di Additivo 1 è stato aggiunto ad acqua di mare in bottiglie chiuse, misurando il contenuto di ossigeno una volta a settimana per 4 settimane.
La biodegradabilità è data come il rapporto tra BOD (biological oxygen demand) e COD.
Dopo 28 giorni l'Additivo 1 era degradato al 52,6%.
Esempio 6
Test di inibizione di crescita delle alghe ( Skeletonema costatemi
il test è stato condotto in accordo con il metodo descritto in “ISO protocol ISO/DP 10253 - Water quality - Marine algal growth inhibition test with Skeletonema costatum and Phaeodacfylum trìcornutum
Una coltura di alghe (Skeletonema costatum) è stata esposta a una serie di concentrazioni crescenti di Additivo 1. Sono state testate, oltre al bianco, concentrazioni da 0,1 a 100 mg/l (acqua marina).
La prova è durata per 72 ore, e ha fatto registrare un risultato di ECso (72 ore) ma ggiore di 10,0 mg /I

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1 . Fluido di perforatone che contiene dallo 0.05 al 10 % in peso di esteri di alcanolammine con acidi grassi Ce-C3é monocarbossilici insaturi, poiinsaturi o saturi .
  2. 2. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 1. in cui gli esteri sono esteri di di- o tri-alca noia mmi ne terziarie.
  3. 3. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 2. in cui gli esteri sono esteri di di- o tri- alcanolammine terziarie di formula N(R')n(R<2>)m(R<3>)o(R<4>}t (I) in cui R' è un gruppo alchilico lineare o ramificato C1-C36, n=0-l R<2>, R<3>, R,<4>sono indipendentemente (CH2CH(R<5>)0)S-H, con R^ H, CH3 s =l-10 m+o+t=3-n m,o,t=0-3.
  4. 4. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 3. in cui gli esteri sono esteri di tri-alcanotammine terziarie di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)3-H, in cui R<5>è H e s=l-5.
  5. 5. Fluido di perforazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 . a 4., in cui gli esteri sono esteri di alcanolammine con miscele di acidi grassi derivanti dal sego, dall’olio d’oliva, di soia, dal tali oil (tallolio), dall’olio di girasole, di semi di cotone e di lino, di palma, di colza, di cocco, di granoturco, di riso, di crusca di riso, dall'olio di pesce, di arachidi.
  6. 6. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 5. in cui gli esteri sono esteri di alca noia mmine con miscele di acidi grassi contenenti almeno il 60% in peso di acido oleico.
  7. 7. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 6. in cui gli esteri sono esteri di una tri-alcanolammina di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è {CH2CH(R<5>)0)S-H, in cui R<5>è H e s=l .
  8. 8. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 6. in cui gli esteri sono esteri di tri-alca noia mmine di formula (I) in cui n=0, m=3, R<2>è (CH2CH(R<5>)0)S-H, in cui R<5>è H e s=3-7.
  9. 9. Fluido di perforatone secondo la rivendicazione 6-, in cui gli esteri sono esteri di una di-alcanolammina di formula (I) in cui n=l , R<1>è metile, m=2, R<2>è (CFl2CH(R<5>)0)s-FI con s=1 e R<5>= H.
  10. 10. Fluido di perforazione secondo la rivendicazione 1. che contiene dallo 0.5 al 5 % in peso di esteri. 1 1. Metodo per ridurre l’aggregazione durante le operazioni di perforazione per l’estrazione di petrolio e gas, o durante le operazioni di completamento o cementazione di pozzi per l’estrazione di petrolio e gas, che comprende l'uso un fluido di perforazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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