MX2014009251A - Uso de terpolimeros como aditivos para perdida de fluido en cementacion de pozos. - Google Patents
Uso de terpolimeros como aditivos para perdida de fluido en cementacion de pozos.Info
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Abstract
Lo que se propone es el uso de un terpolímero que comprende 5 - 95% en mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, 5 - 95% en mol de N,N-dimetilacrilamida y 5 - 12% en mol de ácido acrílico como un aditivo para pérdida de fluido en cementación de pozos.
Description
USO DE TERPOLIMEROS COMO ADITIVOS PARA PÉRDIDA DE FLUIDO EN
CEMENTACIÓN DE POZOS
Descripción de la Invención
La presente invención se relaciona al uso de terpolimeros de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, ácido acrilico y N, N-dimetilacrilamida como aditivos para pérdida de fluido en cementaciones de pozos .
En el sector químico de la construcción, varios copolímeros se utilizan frecuentemente como auxiliares de retención de agua, que también son referidos como "aditivos para pérdida de fluido". Un campo específico para el uso en este contexto es la cementación de pozos en el desarrollo, explotación y completación de depósitos de aceite mineral y gas natural subterráneos, y en pozos profundos.
Los auxiliares de retención de agua o aditivos para pérdida de fluido tienen la tarea de reducir la liberación de agua de una lechada de cemento. Esto es de gran importancia especialmente en el campo de exploración de aceite mineral y gas natural, puesto que las lechadas de cemento que consisten esencialmente de cemento y agua, en el curso de la cementación de los pozos, se bombean a través del espacio del anillo entre el entubado y la pared del pozo. En el curso de esto, cantidades de agua se pueden liberar de la lechada de cemento a la formación subterránea. Este es el caso especialmente cuando la lechada de cemento fluye más allá de
los estratos de roca porosos en el curso de la cementación de pozos. El agua alcalinizada que se origina de la lechada de cemento luego puede causar que las arcillas en las formaciones se hinchen y, con el dióxido de carbono del gas natural o el aceite mineral, formen depósitos de carbonato de calcio. Estos efectos reducen la permeabilidad de los depósitos, y como resultado también se afectan adversamente las velocidades de producción.
Por otra parte, las lechadas de cemento, como un resultado de la liberación de agua a las formaciones subterráneas porosas, no solidifican por más tiempo homogéneamente y como resultado llegan a ser permeables a los gases y a los hidrocarburos líquidos y al agua. Esto puede conducir subsecuentemente al escape de los portadores de energía fósiles a través del espacio del anillo rellenado con el cemento poroso.
Por lo tanto han existido esfuerzos durante un período prolongado para disminuir tales pérdidas de agua de las lechadas de cemento utilizadas a un mínimo tolerable.
El documento EP 0 116 671 Al describe, por ejemplo, una lechada de cemento para pozos profundos, en donde el contenido de copolímeros se dice que recude la pérdida de agua. Un constituyente importante de los copolímeros utilizados se forma mediante acrilamidas, y especialmente ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico (A PS®) . De
acuerdo con este documento, las lechadas de cemento deben contener entre 0.1 y 3% en peso de los copolímeros adecuados.
La cementación de pozos y una composición adecuada para la misma también son dirigidos por el documento EP 1 375 818 Al. En este caso, para el control de pérdida de fluido, se utiliza un aditivo de polímero que comprende, así como AMPS®, ácido maleico adicional, N-vinilcaprolactama y éter 4-hidroxibutil vinílico.
Del mismo modo en base a AMPS® y la acrilamida parcialmente hidrolizada es un copolímero de acuerdo con el documento US 4,015,991. El copolímero descrito en esta patente del mismo modo se dice que mejora la capacidad de retención de agua en composiciones cementosas. El campo primario de uso mencionado es la cementación de pozos.
El uso de copolímeros de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico y N, N-dimetilacrilamida (DMAA) como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos también se describe en el documento US 4,515,635. Polímeros similares también se pueden encontrar en el documento US 4, 555,269.
Los copolímeros solubles en agua de acuerdo con el documento US 6,395,853 Bl comprenden, ínter alia, acrilamidas y AMPS®. En el primer plano de este derecho de propiedad está un proceso para reducir la pérdida de agua en una lechada que se utiliza para obtener aceite mineral. En este contexto, se
hace mención particular de la cementación y completación de pozos, y de la lechada para pozo que precede estas etapas del proceso .
En el aspecto central del documento US 4,700,780 está un proceso para reducir la pérdida de agua en composiciones cementosas que también comprenden concentraciones de sal definidas. El auxiliar de retención de agua es nuevamente un polímero, o sal de polímero de AMPS®, y en este caso también deben estar presentes las unidades de estireno y ácido acrílico.
Los terpolímeros de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, ácido acrílico y N, N-dimetilacrilamida también forman parte de la técnica previa. Por ejemplo, el documento US 4,554,081 discute estos terpolímeros, de preferencia en una composición de 16.8% en mol de AMPS®, 73.2% en mol de DMAA y 10% en mol de ácido acrílico, y el uso de los mismos como un aditivo para pérdida de f^ido en fluidos de completación, lodos de perforación y fluidos de trabajo con altas densidades en el campo de la producción de petróleo y gas.
Además, Plank y colaboradores (J. Appl . Polym. Sci. 106, 3889-3894, 2007 - DOI : 10.1002/app.26897) describen tales terpolímeros con bajas proporciones de ácido acrílico (aproximadamente 1% en peso o aproximadamente 3.6% en mol). En esta publicación, la eficacia de un copolímero de AMPS® y
DMAA como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos se compara con el terpolímero. Se encontró que la eficacia del copolimero no es diferente de aquella del terpolímero con bajas proporciones de ácido acrílico.
Estos co- y terpolímeros conocidos cada uno tiene un perfil diferente de propiedades con ventajas y desventajas específicas. Una debilidad general intrínseca a la mayoría de estos polímeros iónicos es que su acción de retención de agua declina en la presencia de altas concentraciones de sal como ocurre típicamente en el agua de mar, que frecuentemente se utiliza para constituir las lechadas de cemento en pozos de petróleo y gas de mar adentro. Esto también es verdadero especialmente de sales de cationes divalentes tales como Mg2+ y Ca2+.
Durante un período largo, por lo tanto se han realizado intentos para proporcionar moléculas o polímeros novedosos cuya capacidad de retención de agua sea estable, especialmente en altas concentraciones de sal, especialmente en el campo de la exploración de petróleo y gas y en pozos profundos .
Este objetivo se logra por las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes se relacionan a modalidades preferidas.
De manera sorprendente, se ha encontrado que los terpolímeros de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico,
N, N-dimetilacrilamida y ácido acrilico con un contenido de ácido acrilico de aproximadamente 5 a 12% en mol tienen ventajas distintas con respecto a la eficacia como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos.
La presente invención proporciona el uso de un terpolimero que comprende 5 - 95% en mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, 5 - 95% en mol de N,N-dimetilacrilamida y 5 - 12% en mol de ácido acrilico como un aditivo para pérdida de fluido en cementación dé pozos.
El terpolimero de preferencia comprende 8 - 12% en mol y más de preferencia de 10 a 11% en mol de ácido acrilico.
Aunque la relación molar de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico a N, N-dimetilacrilamida no es particularmente critica, se prefiere en el contexto de la presente invención que la relación molar de ácido 2-aceilamido-2-metilpropanosulfónico a N, N-dimetilacrilamida esté entre 50:50 y 80:20, especialmente entre 60:40 y 70:30.
El terpolimero inventivo se puede preparar de manera apropiada por medio de la copolimerización de radicales libres de los comonómeros mencionados en lo anterior. Debido al carácter iónico o hidrofilico de los comonómeros, la copolimerización se puede efectuar de manera apropiada en solución acuosa. Es posible que el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico y el ácido acrilico estén
presentes completa o parcialmente en la forma de sales de metales alcalinos, metales alcalinotérreos o mezclas de los mismos, especialmente en la forma de sales de Na, K, Mg y/o Ca. Estas sales se pueden utilizar directamente para la copolimerizació . Del mismo modo es posible que estas sales se formen únicamente en una neutralización subsecuente de los terpolimeros formados. Ambas rutas para la introducción de las sales en el terpolimero se pueden tomar independientemente entre si o en combinación entre si.
El terpolimero inventivo de preferencia tiene un peso molecular en el intervalo de 500 000 a 4 000 000 y especialmente de 1 000 000 a 2 000 000 g/mol.
En el campo de la exploración de aceite mineral y gas natural, y en pozos profundos, como ya se mencionó en el inicio, las lechadas de cemento que consisten esencialmente de cemento y agua, para cementación de los pozos, se bombean a través del espacio del anillo entre el entubado y la pared del pozo. Todavía es usual en estos días utilizar cementos portland para este propósito. Por consiguiente, el uso inventivo de preferencia se caracteriza en que el terpolimero se utiliza como un aditivo para pérdida de fluido en una lechada de cemento que comprende cemento portland.
Debido a la alta tolerancia a la sal de los terpolimeros inventivos, estos terpolimeros se pueden utilizar ventajosamente como aditivos para pérdida de fluido
en lechadas de cemento que comprenden agua de mar o se han constituido con agua de mar.
En el campo de la producción de aceite mineral, el uso de lo que son llamados fluidos de ponderación es usual, estos que consisten generalmente de soluciones de sal acuosas concentradas de metal alcalino y/o metales alcalinotérreos . En el curso de la cementación de pozos, por lo tanto puede haber por lo menos mezclado parcial de los fluidos de ponderación y las lechadas de cemento. Debido a la alta tolerancia a la sal de los terpolimeros inventivos, la acción de los mismos no se pierde en algún modo en tales lechadas de cemento .
En resumen, se puede establecer que el terpolimero inventivo se utiliza de manera apropiada y ventajosamente como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos en el desarrollo, explotación y completación de depósitos de aceite mineral y gas natural subterráneos, y en pozos profundos, y es notable especialmente para la tolerancia a las altas concentraciones de sal que es sorprendente en vista de la técnica previa.
La presente invención ahora se ilustra en detalle por los ejemplos que siguen.
Ejemplo 1:
Un reactor de vidrio con agitador de acero se cargó inicialmente con 2200 g de agua potable y 158 g de NaOH al
20% mientras que se agita. Subsecuentemente, 135 g de AMPS® se adicionaron mientras que se enfria, tal que la temperatura no excedió 30°C. Después, 95 g de DMAA y 13.5 g de ácido acrilico (que corresponde a aproximadamente 10.6% en mol) se mezclaron, y se lavaron con 100 mi de agua potable. En la siguiente etapa, el pH se ajustó a 7.6 con la ayuda de NaOH o de AMPS®. Dentro de una hora, la mezcla de reacción luego se calentó a 62 °C bajo un manto de nitrógeno. En el alcance de la temperatura constante, la polimerización se inició al adicionar 0.65 g de tetraetilenpentamina (TEPA) y 5 g de a2S208, disuelto en aproximadamente 10 mi de H20. Se observó una reacción exotérmica, en el curso de la cual la temperatura se elevó a 70 - 7 °C. Después de que ha iniciado la reacción, la mezcla se agitó durante una hora sin cualquier calentamiento externo adicional. El producto final fue una solución viscosa, amarillenta pálida con un pH de 7 -7.5, un contenido de sólidos de 10 - 12% en peso y una viscosidad de Brookfield de 6000 mPa*s.
Ejemplo 2:
La pérdida de liquido ("LL") y la reologia del terpolxmero del ejemplo 1 se determinaron en comparación con un copolímero de AMPS®/DMAA comercialmente disponible (Polytrol® FL 34 de BASF Construction Polymers GmbH) de acuerdo con la Práctica 10 B Recomendada por API a 88 °C (190°F) en las siguientes lechadas de cemento con o sin
adición de sal:
800 g de cemento clase G (de Dyckerhoff)
352 g de agua
0.6% bwoc de aditivo para pérdida de fluido
1.0 g de antiespumante ( triisobutilfosfato)
Los resultados se reproducen en las tablas 1 y 2, la tabla 1 se relaciona a Polytrol® FL 34 y la tabla 2 al terpolimero del ejemplo 1. La cantidad de sal se reporta en gramos y el por ciento en peso (en base al contenido de agua); "bwoc" significa el por ciento en peso de cemento.
Tabla KPolytrol® FL 34):
Tabla 2 (terpolimero) :
Es claramente evidente que el terpolimero de acuerdo con el ejemplo 1 con la misma dosificación permite mucho menos pérdidas de fluido que el Polytrol® FL 34 comercialmente disponible. Además, el terpolimero de acuerdo con el ejemplo 1 es mucho más tolerante a la sal que el Polytrol® FL 34, aún hacia la sal de mar.
Este resultado también es sorprendente ya que se establece en la técnica previa (Plank y colaboradores, J. Appl. Polym. Sci. 106, 3889-3894, 2007) que una adición de ácido acrilico no tiene influencia en la eficacia de los copolimeros de AMPS/DMAA como un aditivo para pérdida de fluido. Es evidente aquí que la proporción exacta de ácido acrilico es crucial.
Además, se encontró que el terpolimero de acuerdo con el ejemplo 1, comparado con el Polytrol® FL 34, ejerce
solamente un efecto retardante insignificante, si lo hay, en el tiempo de endurecimiento de las lechadas de cemento.
Claims (8)
1. Uso de un terpolimero que comprende: 5 - 95% en mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, 5 - 95% en mol de N, -dimetilacrilamida y 5 - 12% en mol de ácido acrilico, caracterizado porque es como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos.
2. El uso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el terpolimero comprende 8 - 12% en mol y de preferencia 10 a 11% en mol de ácido acrilico.
3. El uso de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la relación molar de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico a N, N-dimetilacrilamida está entre 50:50 y 80:20, de preferencia entre 60:40 y 70:30.
4. El uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico y el ácido acrilico están presentes completa o parcialmente en la forma de sales de metales alcalinos, de metales alcalinotérreos o mezclas de los mismos, especialmente en la forma de sales de Na, K, Mg y/o Ca.
5. El uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el terpolimero tiene un peso molecular en el intervalo de 500 000 a 4 000 000 y especialmente 1 000 000 a 2 000 000 g/mol.
6. El uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el terpolimero se utiliza como un aditivo para pérdida de fluido en una lechada de cemento que comprende cemento portland.
7. El uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el terpolimero se utiliza como un aditivo para pérdida de fluido en una lechada de cemento que comprende agua de mar.
8. El uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el terpolimero se utiliza como un aditivo para pérdida de fluido en la cementación de pozos en el desarrollo, explotación y completación de depósitos de aceite mineral y gas natural subterráneos, y en pozos profundos.
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