MXPA01010220A - Polimerosanfotericos solubles en agua que contienen nitrogeno cuaternario y su uso en fluidos de perforacion. - Google Patents

Abstract

En general, la presente invencion se refiere a composiciones de fluidos de perforacion a base de agua que contienen por lo menos un mejorador de viscosidad y por lo menos un agente de control reologico, en donde dicho agente de control reologico es un polimero anfoterico, los grupos cationicos de dicho polimero anfoterico siendo grupos de amonio cuaternario.

Description

POLÍMEROS ANFOTERICOS SOLUBLES EN AGUA QUE CONTIENEN NITRÓGENO CUATERNARIO Y SU USO EN FLUIDOS DE PERFORACIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a polímeros anfotéricos que contienen nitrógeno cuaternario y a su uso en fluidos de perforación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El éxito de una operación de perforación de pozo depende de muchos factores, ninguno de los cuales es más importante que el fluido o lodo de perforación. Los fluidos de perforación realizan una variedad de funciones las cuales influyen en la velocidad de perforación, el costo, la eficiencia y la seguridad de la operación. Más específicamente, los lodos de perforación evitan la afluencia de formación de fluidos al barreno de pozo, obturan las formaciones permeables expuestas para evitar el escurrimiento del fluido de perforación a la formación, mantener la estabilidad de formulaciones expuestas, enfriar y lubricar la broca y la punta de taladro, retener la presión y estabilizar la formación, por ejemplo la inhibición de esquisto. Qué tan bien cumpla el fluido de perforación con estos requisitos afecta grandemente el costo de la operación y la productividad del pozo.

Durante la operación, se bombean los fluidos de perforación hacia abajo a una punta hueca de taladro, a través de boquillas en una broca en el fondo del pozo y de vuelta hacia arriba al anillo formado por el orificio o envoltura y la punta de taladro a la superficie. En cuanto llega a la superficie, se hace pasar el fluido de perforación a través de una serie de tamices vibratorios, tanques de sedimentación, hidrociclones y centrífugas para eliminar el desecho de formación llevado a la superficie. Se le trata después de ello con aditivos para obtener el conjunto deseado de propiedades; se le bombea de vuelta al pozo y se repite el ciclo. Los fluidos de perforación están compuestos generalmente de líquidos, por ejemplo agua, aceites de petróleo, aceites sintéticos y otros líquidos orgánicos; aditivos inorgánicos y orgánicos disueltos; y sólidos suspendidos finamente divididos de varios tipos. Se clasifican los fluidos de perforación según la naturaleza de la fase continua; hay entonces cuatro divisiones principales: gaseoso (incluyendo en espuma), con base de agua, con base de aceite o sintético. El interés creciente entre el gobierno y las agencias ambientales en el impacto ambiental de los fluidos de perforación ha conducido al aumento significante de la confianza de la industria en los lodos con base de agua. En efecto, aproximadamente 85% de todos los fluidos de perforación usados hoy en día son sistemas con base de agua. Los tipos dependen de la composición de la fase de agua (pH, contenido iónico, etc.), formadores de viscosidad (arcillas, polímeros o una combinación), agentes para el control de la filtración (arcillas, polímeros o una combinación) y otros agentes reológicos de control (defloculantes o dispersantes (cuanto se desee)). Generalmente, hay seis categorías o tipos principales de lodos con base de agua: De agua dulce Los fluidos de agua dulce fluctúan de agua clara que no tienen aditivos a lodos de alta densidad que contienen arcillas, baritina y varios aditivos orgánicos. La composición del lodo está determinada por el tipo de formación que se ha de perforar. Cuando se requiere un fluido viscoso, se añaden arcillas y/o polímeros solubles en agua (cuanto se desee). El agua dulce es ideal para formular fluidos de perforación estables, ya que muchos aditivos de lodo son muy efectivos en un sistema de baja intensidad iónica. Los aditivos inorgánicos y/u orgánicos controlan el comportamiento reológico de las arcillas, particularmente a temperaturas elevadas. Se pueden usar polímeros dilatables en agua y solubles en agua para el control de filtración. El pH del lodo es generalmente alcalino y, en efecto, los agentes para el control de la filtración como las arcillas de montmorilonita son más eficientes a pH > 9. El hidróxido de sodio es con mucho es agente para el control de la alcalinidad que se usa más extensamente. A los lodos de agua dulce se les puede aumentar el peso con agentes ¡nsolubles a la densidad deseada que se requiere para controlar las presiones de formación.

De agua de mar Se perforan muchos pozos mar adentro, usando un sistema de agua de mar a causa de su disponibilidad inmediata. Se formulan y se mantienen los lodos de agua de mar generalmente de la misma manera que se usa un lodo de agua dulce. Sin embargo, a causa de la presencia de sales disueltas en el agua de mar, se necesitan más aditivos estables en electrólitos para lograr las propiedades deseadas de flujo y filtración (cuanto se desee).

De agua salada En muchas áreas de perforación tanto en tierra como mar adentro, se penetra en yacimientos de sal o bóvedas de sal. Se usan lodos de sal saturados para reducir el agrandamiento del orificio que resultaría de la disolución de la sal de las formaciones por el contacto con un líquido saturado insuficientemente. En Estados Unidos, las formaciones de sal están constituidas principalmente de cloruro de sodio. En otras áreas, por ejemplo Europa septentrional, la sal puede estar compuesta de sales mixtas, predominantemente cloruros de magnesio y de potasio. Se ha hecho muy común usar lodos con alto contenido de sal (20-23% de NaCI) en pozos que se perforan en regiones de agua profunda (profundidad del agua > 500 m) del Golfo de México. Las razones son dobles: estabilización de los esquistos sensibles al agua e inhibición de la formación de hidratos de gas. La alta salinidad de los lodos de agua salada puede requerir arcillas y aditivos orgánicos diferentes de los usados en los lodos de agua dulce o de mar. Las arcillas y los polímeros orgánicos de agua salada contribuyen a la viscosidad. Se ajustan las propiedades de filtración usando almidón (cuanto se desee) o polímeros de celulosa. El pH fluctúa de la salmuera constitutiva que puede ser un poco acida a 9-11 , mediante el uso de hidróxido de sodio o cal.

Tratados con calcio Se pueden tratar los lodos de agua dulce y de mar, con yeso o cal para aliviar los problemas de perforación que puedan surgir de perforar esquisto sensible al agua o formaciones que tienen arcilla. Se mantienen los lodos de yeso (de yeso añadido) generalmente a un pH de 9-10, mientras que los lodos de cal (de cal añadida) están en el intervalo de pH 12-13. Los lodos tratados con calcio requieren generalmente más aditivos para controlar las propiedades de flujo y filtración que aquéllos sin yeso o cal.

Tratados con potasio Los sistemas tratados con potasio combinan uno o más polímeros y una fuente de iones de potasio, principalmente cloruro de potasio, a fin de evitar problemas asociados con la perforación de ciertos esquistos sensibles al agua. Las propiedades de flujo y filtración pueden ser completamente diferentes de las de otros fluidos con base de agua. Se han aplicado lodos de potasio en las regiones de perforación más activas alrededor del mundo. La reglamentación ambiental de Estados Unidos ha limitado el uso de los lodos con alto contenido de potasio en la perforación de mar adentro, debido a la toxicidad evidente de los altos niveles de potasio en la prueba de ensayo biológico que se requiere para los permisos de descarga.

Con bajo contenido de sólidos El agua dulce, la arcilla y los polímeros para el realce de la viscosidad y el control de la filtración constituyen los llamados lodos de polímeros con bajo contenido de sólidos y no dispersados. Se mantienen los lodos con bajo contenido de sólidos, usando cantidades mínimas de arcilla y requieren la eliminación de tan sólo cantidades modestas de sólidos de perforación. Se les puede aumentar el peso a los lodos con bajo contenido de sólidos hasta altas densidades, pero se usan principalmente en el estado no aumentado de peso. La ventaja principal de estos sistemas es la alta velocidad de perforación que se puede lograr a causa del contenido más bajo de sólidos en suspensión coloidal. Se usan los polímeros en estos sistemas para proveer la reología deseada; especialmente el xantano ha comprobado ser un efectivo agente suspensor de sólidos. Se aplican normalmente estos lodos con bajo contenido de sólidos en formaciones duras en las cuales el aumento de la penetración puede reducir significantemente los costos de perforación y la tendencia a la producción de sólidos es mínima. La bentonita es en mucho la arcilla usada más comúnmente en los lodos de perforación porque provee al lodo excelentes propiedades reológicas y de filtración, especialmente en combinación con los polielectrólitos como CMC. La bentonita, la cual es principalmente montmorilonita (arcilla del tipo de la esmectita), consta de plaquetas (láminas) muy finas. Se han hecho varios intentos para determinar el tamaño de partícula de la montmorilonlta de sodio, pero esto es un poco difícil a causa de la forma irregular plan y delgada de las plaquetas y a causa del extenso intervalo de tamaños. Las plaquetas de arcilla exhiben una capacidad superior de dilatarse uniformemente en el agua dulce con la aplicación de esfuerzo cortante. La dilatación de la arcilla de bentonita aglomerada deshidratada cuando se pone en contacto con agua es causada por una penetración de moléculas de agua entre las plaquetas de arcilla. La presión de la dilatación es tan fuerte que las capas se separan en agregados más pequeños e incluso en capas unitarias individuales con un grosor de 10 A. Así, se pude obtener una suspención relativamente estable de la arcilla hidratada. En suspenciones acuosas los bordes de las plaquetas de las arcillas del tipo de esmectita, tales como la bentonita, están cargadas positivamente mientras que las caras están cargadas negativamente. A causa de estas cargas opuestas, hay una interacción con los bordes positivos y las caras negativas. Sin embargo, en una suspención de arcilla hidratada con agua dulce (sin electrólitos), estas interacciones electrostáticas son un poco débiles a causa de su capa de agua espesamente rodeada alrededor de las plaquetas de arcilla. Esta capa gruesa de agua mantiene las partículas así de lejos una de otra de manera que la arcilla se dispersa casi completamente, pero una floculación muy débil todavía permanece como se muestra con las propiedades de gel y el esfuerzo elástico.

Una extensa variedad de polímeros orgánicos sirve también para varios propósitos útiles en los fluidos de perforación, tales como aumentar la viscosidad y controlar las velocidades de filtración, las cuales se relacionan a menudo directamente con el grado de floculación y agregación de las partículas de arcilla en el lodo de perforación. La capacidad de reducir la pérdida de fluido es afectada también por estas propiedades, es decir a fin de formar una buena torta de filtración para reducir al mínimo la pérdida de material filtrado a la formación, la suspención de arcilla debe estar en condición desfloculada. Estos polímeros ya sea polisacáridos naturales, por ejemplo almidón, goma de guar, goma de xantano, y otros biopolímeros; o derivados de polímeros naturales, por ejemplo derivados de celulosa, almidón, guar, y otros biopolímeros; o lignosulfonato, lignito, y polímeros sintéticos, por ejemplo polímeros y copolímeros de ácido acrílico, acrilonitrilo, acrilamida, y ácido 2-acrilamido-2-metilpropansulfón¡co (AMPS). Los formadores de viscosidad poliméricos usados más comúnmente son los de celulosa, almidones, goma de xantano, y poliacrilamidas. La carboximetilcelulosa de sodio (CMC) y celulosa polianiónica (PAC), un CMC que tiene alto grado de sustitución (DS) usualmente mayor que 1.0, son dos de los polímeros aniónicos usados más extensamente en los fluidos de perforación a fin de controlar la viscosidad y las velocidades de filtración. La efectividad de la CMC, siendo un polielectrólito, como formador de viscosidad tiene sus limitaciones, sin embargo, ya que su efectividad disminuye con la concentración reciente de electrólito. Un CMC con DS más alto (por ejemplo PAC) ofrece buena reducción de pérdida de fluido en un sistema que contiene electrólito con una arcilla del tipo de la esmectita. En agua dulce, los CMC con bajo DS adsorben sobre arcillas del tipo de la esmectita. Tales como bentonita mientras que los CMC con DS más alto (por ejemplo PAC) muestran una cantidad disminuida de adsorción. Solamente una cantidad muy pequeña de CMC con bajo DS (DS - 0.7) es suficiente para realizar la dispersión completa de la arcilla, ya que adsorbe sobre los bordes positivos de las plaquetas. Esta dispersión completa da por resultado una reducción de la concentración de gel a casi cero. En general, una buena suspención de arcilla de esmectita dispersada/CMC da una buena formación de la torta de filtración y se obtiene un excelente rendimiento de reducción de pérdida de fluido. Tal sistema no demuestra, sin embargo, significante concentración de gel y punto crítico de elasticidad. Es evidente que las propiedades reológicas de un fluido de perforación determina en mucho el éxito de la operación general de perforación. Las propiedades reológicas de lodo determinan en mucho (1) la eficiencia de limpieza del orificio y la estabilidad del orificio (2) la eficiencia de la suspención de cortes (3) el rendimiento hidráulico de lodo, (4) la facilidad de las operaciones de manejo de lodo (5) la velocidad de penetración. Los requisitos reológicos de estos diversos propósitos pueden entrar a menudo en conflicto de manera que es necesario optimizar las propiedades del lodo a fin de obtener el mejor rendimiento general. Las propiedades reológicas óptimas son necesarias a fin de llevar los cortes perforados eficientemente a la superficie. Mientras se perfora, la viscosidad de alto esfuerzo cortante no debe ser demasiado alta para permitir una transmisión eficiente de la potencia hidráulica del fluido de perforación a la broca de taladro. Pero cuando la circulación es lenta o interrumpida, la viscosidad debe ser alta y la concentración de gel debe ser suficiente para evitar/reducir al mínimo la sedimentación de los cortes. Se puede obtener al perfil de reología usando un sistema tixotrópico, el cual en el caso de un sistema de arcilla del tipo de la esmectita se puede realizar con un sistema más o menos floculado en el cual los enlaces de partículas se rompen temporalmente por agitación, o durante esta y se restablecen solamente durante el reposo. Por otra parte, el fluido de perforación debe cubrir la pared del orificio barrenado con una torta delgada de filtración a fin de estabilizar el orificio barrenado y evitar la pérdida del fluido de recirculación a la formación porosa perforada. En general, se hace esto muy eficientemente con una suspención de arcilla bien dispersada. La reología y por lo tanto las propiedades de flujo de un lodo de perforación son influidas por: 1. el estado de hidratación y dispersión de las partículas en la fase acuosa y la cantidad de ellas. 2. la reología de la fase acuosa, ya que pudiera ser modificada por aditivos (viscosificadores), por ejemplo de los polímeros mencionados antes. 3. Las fuerzas entre las partículas de arcilla así por la interacción de los polímeros con la arcilla y/o de uno con otro.

Así, el contenido de sólidos se relaciona con la reología de lodo así como la densidad de lodo. Y en general, mientras más alto es el contenido de sólidos de un lodo (arcillas añadidas y cortes perforados que se podrían dispersar), más difícil y consumidor de tiempo será la limpieza de lodo. Con respecto a esto, los sistemas de lodo con bajo contenido de sólidos puede mejorar la velocidad de penetración. Para mantener el perfil reológico deseado para tales sistemas de lodo con bajo contenido de sólidos se añaden polímeros viscosificadores. Algunos ejemplos de tales polímeros son xantano, CMC de alto peso molecular y polímeros acrílicos. La invención reclamada se refiere al uso de polímeros anfotéricos solubles en agua que contienen nitrógeno cuaternario los cuales comprobaron ser modificadores muy eficientes de la reología de fluidos de perforación, especialmente para un sistema que contiene arcilla del tipo de la esmectita, a la vez que permite usos muy bajos de la arcilla y provee las características deseadas de los fluidos de perforación. Los aditivos de la invención mejoran el rendimiento general de lodo realzando las siguientes propiedades: • un comportamiento pseudoplástico de reología, • un punto crítico de elasticidad suficiente y concentración de gel un rápida formación de la concentración de gel en los 10 primeros segundos, • una viscosidad plástica (PV) de baja a moderada, • suficiente reducción de la pérdida de fluido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a una composición de fluido de perforación con base de agua que contiene agua por lo menos un formador de viscosidad y por lo menos un agente para el control reológico. El agente para el control reológico es preferiblemente un polímero anfotérico que contiene tanto grupos catiónicos como grupos aniónicos contienen grupos de amonio cuaternario. Los polímeros anfotéricos preferidos con polímeros solubles en agua que contienen nitrógeno cuaternario (QN-WSP) Tal como carboximetilcelulosa anfotérica que contiene nitrógeno cuaternario. El formador de viscosidad es preferiblemente una arcilla del tipo de la esmectita (por ejemplo bentonita). La invención contempla también un sistema de fluido de perforación con base de agua que comprende, como agente para el control reológico, una combinación de un polímero catiónico en que los grupos catiónicos comprenden grupos de amonio cuaternario y un polímero aniónico con o sin el polímero anfotérico mencionado anteriormente.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a una composición de fluido de perforación con base de agua que comprende agua, por lo menos un formador de viscosidad y por lo menos una agente para el control reológico. El agente para el control reológico es preferiblemente un polímero anfotérico que contiene tanto grupos catiónicos como grupos aniónicos en que dichos grupos catiónicos comprenden grupos de amonio cuaternario, es decir polímeros anfotéricos solubles en agua que contienen nitrógeno cuaternario (QN-WSP). En otra modalidad la invención contempla un sistema de fluido de perforación con base de agua el cual comprende, como agente para el control reológico, una combinación de un polímero catiónico en que los grupos catiónicos comprenden grupos de amonio cuaternario y un polímero aniónico, con o sin el polímero anfotérico mencionado anteriormente. Los fluidos de perforación de la presente invención pueden comprender QN-WS ya sea solo o en combinación con aditivos poliméricos convencionales. Como formador de viscosidad, las composiciones de fluido de perforación de la presente invención pueden contener cualquier arcilla comercial usada para aumentar la viscosidad de los fluidos de perforación. Preferiblemente, se emplea las arcillas del tipo de la esmectita, tales como montmorilonitas (por ejemplo bentonita) así como tipos de capa mixta y atapulgita y sepiolita. Sin desear a estar limitados por alguna teoría particular, se cree que a causa de la interacción fuerte de los grupos catiónicos de los QN-WSP de la presente invención con las partículas de la arcilla del tipo de la esmectita en el lodo de la perforación, los QN-WSP de la presente invención son muy eficientes para proveer suficiente concentración de gel y esfuerzo elástico aún lodo con base de arcilla del tipo de esmectita, de agua dulce. La bentonita, una arcilla del tipo de la esmectita es el formador de viscosidad más preferido ya sea solo o en combinación con otras arcillas comerciales. Se pueden dividir las QN-WSP de la presente Invención en dos grandes tipos: los que contienen polímeros solubles en agua derivados sintéticamente y los que contienen polímeros solubles en agua naturales o derivados semisintéticamente, por ejemplo, derivados de polisácaridos, los cuales son polisacáridos sustituidos con uno o más grupos funcionales como sustituyentes, por eterificación, esterificación, amidación, etc. Los QN-WSP anfotéricos de la presente invención que comprenden un derivado de polisácarido tienen la siguiente fórmula general: X" (O en la cual R1 es H u OH, R2, R3, R4, son iguales o diferentes y se seleccionan entre grupos alquilo de C1-C24, arilo de C6-C24. aralquilo de C -C24, alcarilo de 0^024, cicloalquilo de C3-C24, alcoxialquilo de C2-C24, y alcoxiarilo de C -C24, o R2, R3, R4, y el átomo de nitrógeno cuaternario forman un anillo heterocíclico alifático o aromático como un anillo de piridino y similares; n es un número entero de 1 a 4, B se selecciona entre O, OC(O), C(O)O, C(O)-NH, NHC(O), S, OSO3) OPO3, NH, o NR5 en que R5 es un acilo de C2-C6, o un radical alquilo de C?-C4, [A]m es polisácarido o derivado de polisacárido aniónico soluble en agua, m es mayor que 10 preferiblemente 10-50,000 y más preferiblemente aún 10-30,000, y X" es un anión. Los materiales de partida de polisácarido que se prefieren para el QN-WSP anfotérico incluyen, pero no se limitan a los mismos miembros de las familias del almidón y la celulosas gomas naturales tales como guar, gomas derivadas biológicamente tales como xantano y similares. Típicamente, los polisácaridos anfotéricos contienen o han sido provistos de un grupo aniónico y uno catiónico y pueden contener también un grupo no iónico o sustituyente. Los materiales de partida de polisacárido más preferidos incluyen, pero no se limitan a los mismos, éteres o esteres de celulosa aniónicos solubles o dilatables en agua, almidón o derivados de almidón, y/o guar aniónico o derivados de guar. Se debe entender también que los polisácaridos sustituidos (por ejemplos polisácaridos carboximetilados) están dentro del alcance y el significado de los materiales de partida de polisácaridos. El grupo aniónico del polisácarido anfóterico es preferiblemente un grupo carboxilato (por ejemplo carboximetilo), sulfonato (por ejemplo sulfoetilo), fosfato o fosfonato, aunque un experto en la técnica reconocerá que se pueden emplear adecuadamente otros grupos aniónicos. Los materiales de partida aniónicos de polisácarido más preferidos incluye, pero no se limitan a los mismos, el grupo aniónico que contiene polisácaridos o derivados de polisacáridos incluyendo, pero no limitándose a los mismos, carboximetilcelulosa, sulfoetilcarboxietilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa (CM-HEC), carboximetilcelulosa en que la celulosa es sustituido con uno o más sustituyentes no iónicos, carboximetilalmidón, carboximetilalmidón en que el almidón es sustituido con uno o más sustituyentes no iónicos, carboximetilguar, carboximetilguar en que el guar es sustituido con un o más sustituyentes no iónicos, gomas de xantano y mezclas de los mismos. Un material de partida aniónico de polisácarido particularmente preferido es carboximetilcelulosa. Los materiales de partida anfotéricos de polisacárido son provistos de un grupo que contiene nitrógeno cuaternario mediante varios métodos conocidos por los expertos en la materia. Por ejemplo, el material de partida de polisacárido puede ser cuaternizado con un agente de cuaternización que son sales para efectuar la sustitución de la cadena de polisacárido con un grupo que contiene nitrógeno cuaternario. Con respecto a esto, los solicitantes hacen referencia a la patente de E.U.A. No. 4,940,785, la cual se incorpora por en la presente por referencia. Las sales típicas de amonio cuaternario que se pueden utilizar incluyen halogenuros que contiene nitrógeno cuaternario, halohidrinas y epóxidos. La sal de amonio cuaternario puede contener hidrófobos. Las sales ejemplares de amonio incluyen una o más de las siguientes: Cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetildodecilamon¡o; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiloctadecilamonio; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiloctilamonio; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio; y similares.

Los agentes de cuaternización incluyen cloruro de 2,3-epoxipropiltrimetilamonio; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetildodecilamon¡o; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiltetradecilamonio; cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetil-hexadecilamonio y cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropildimetiloctadecilamonio. Se puede lograr también la cuaternización usando una síntesis de dos pasos para aminar el polisacárido por reacción con un agente de aminación, tal como un halogenuro de amina, halohidrina o epóxido, seguida por la cuaternización del producto por reacción con agentes de cuaternización o mezclas de los mismos, que contiene un grupo funcional que forma una sal con la amina. Los agentes de cuaternización preferidos incluyen, pero no se limitan a los mismos, alquilhalogenuros, tales como metil-, etil-, propil- y bencllhalogenuros. Se puede efectuar la alquilación con el agente de cuaternización para formar los éteres de polisacárido cuaternizados, en un paso separado de reacción o se puede combinar en la eterificación con los otros agentes de alquilación. Los polisacáridos pueden contener también grupos no iónicos como sustituyentes para auxiliar en la provisión de la naturaleza hidrófila y/o hidrófoba requeridas y/o la estabilidad requerida de los electrólitos. Para proveer el polisacárido con tal sustituyente no iónico, se puede alquilar el polisacárido con agentes de alquilación adecuados o mezclas adecuadas de los mismos, usando procedimientos que son bien conocidos por los expertos en la técnica. Los sustituyentes no iónicos preferidos incluyen, pero no se limitan a los mismos, grupos metilo, etilo, hidroxietilo, hidroxipropilo, dihidroxipropilo, bencilo e hidrófobos, tales como grupos 3-(alcoxi de C?-C24)-2-hidroxipropilo, 3-(ariloxi de C6-C24)-2-hidroxipropilo, 3-(aralcoxi de C7-C24)-2-hidroxipropilo, 3-(alcariloxi de C7-C24)-2-hidroxipropilo y halogenuros, epóxidos y/o glicidiléteres de alquilo de CrC24, alcoxi de CrC2 , ariloxi de C6-C24, aralcoxi de C7-C24, alcariloxi de C7-C24 y mezclas de los mismos. Se puede efectuar las sustitución con estos sustituyentes no iónicos en un paso separado de reacción o se puede combinar en la eterificación con otros agentes de alquilación. Los varios sustituyentes usados pueden estar provistos por lo tanto como sustituyentes conectados directamente a la cadena de polisacárido, el nitrógeno cuaternario o conectado a otros sustituyentes disponibles de éter. Se logra la alquilación haciendo reaccionar un agente de alquilación o mezclas de los mismos que contienen por lo menos un grupo funcional el cual es reactivo (1) con los grupos hidroxilo en la cadena de polisacárido o los sustituyentes de éter, o (2) con un átomo de nitrógeno terciario, produciendo un sustituyente cuaternario, o (3) ambos. Los QN-WSP anfotéricos más preferidos que comprenden un derivado de polisacárido incluyen, pero no se limitan a los mismos, cualquier grupo nitrógeno cuaternario (QN) que contiene derivados de polisacárido, tales como por ejemplo QN-CMC, QN-sulfonil-CMC, QN-CM-hidroxietilcelulosa, éter (mixto) de QN-CM-celulosa, QN-CM-almidón y derivados de QN-CM-almidón, QN-CM-guar y derivados de QN-CM-guar, fosfato o fosfonato de QN que contiene derivados de polisacárido y similares.

En otra modalidad, la presente invención contempla fluidos de perforación con base de agua los cuales utilizan, como agente para el control reológico, un QN-WSP que comprende un derivado de polímero sintético. Estos QN-WSP comprenden derivados de polímero sintético los cuales se preparan copolimerizando monómeros sintéticos aniónicos (por ejemplo acrilatos y/o acrilamidas) con monómeros catiónicos que contienen nitrógeno cuaternario (por ejemplo cloruro de dialildimetilamonio (DADMAC)) y los cuales se pueden copolimerizar también con monómeros no iónicos. En lugar de copolimerización con un monómero aniónico, se puede derivar el QN-WSP sintético anfotérico también por copolimerización de un monómero catiónico con un monómero no iónico el cual se hidroliza por lo menos parcialmente en un paso de pospolimerización que da por resultado un polímero anfotérico. En el QN-WSP, se pueden distribuir aleatoriamente los diferentes monómeros y se pueden usar las estructuras en bloque en el contexto de la invención. Se incorporan los grupos de amonio cuaternario en el polímero, usando los monómeros catiónicos en el procedimiento de polimerización o después por reacción de cationización. Los monómeros de partida catiónicos adecuados incluyen, pero no se limitan a los mismos, cloruro de dlalildimetllamonio (DADMAC) y sus derivados y los de la fórmula: R6 I CH^=C I C=O (H) I ? R7 en que R6 se selecciona entre H, OH o un grupo alquilo de d-C o un grupo hidroxietilo; Z es NH u O y R7 es una compuesto de la fórmula lll: en que Y es un alquilo de CrC6 lineal o ramificado, R8, R9 y R10 son ¡guales o diferentes y se seleccionan entre grupos alquilo de CrC24, arilo de C6-C 4, aralquilo de C -C24, alcarilo de C7-C24, cicloalquilo de C3-C24, alcoxialquilo de C2-C24 y alcoxiarilo de C7-C24, o R8, R9 y R10 y el átomo de nitrógeno cuaternario forman un anillo alifático o aromático, tal como un anillo de piridinio y similares, n es un número entero de 1 a 4 y X" es un anión como cloruro, bromuro, yoduro, sulfato, metiisulfato, nitrato, fostato, acetato y similares. Los monómeros preferidos que contienen amonio cuaternario incluyen cloruro de dialildimetilamonio (DADMAC), cloruro de acriloiloxietiltrimetilamonio (AETAC), cloruro de metacrilamidopropiltrimetil-amonio (MAPTAC), cloruro de 3-acrilamido-3-metilbut¡ltrimetilamonio y similares.

Los grupos aniónicos adecuados para el QN-WSP sintético anfotérico incluyen, pero no se limitan a los mismos, grupos carboxilato, sulfonato, fosfato y fosfonato. Una manera adecuada de Introducir estos grupos al polímero anfotérico es por copolimerización de estos monómeros aniónicos o monómeros que originen un grupo aniónico por hidrólisis parcial o completa en un paso de pospolimerización con monómeros catiónicos y posiblemente monómeros no iónicos. Los monómeros aniónicos preferidos incluyen, pero no se limitan a los mismos, esteres de ácido acrílico, esteres de ácidos metacrílicos, acrilamida, metacrilamida y anhídrido de ácido maleico, en que dichos monómeros sintéticos originan un grupo aniónico en un paso de pospolimerización, ácido acrílico, acrilatos, ácido metacrílico, ácido 2-acrilamido-2-metilpropansulfónico, vinilsulfonato, ácido vinilsulfónico, estirensulfonato, ácido estirensulfónico y mezclas de los mismos. Se pueden distribuir aleatoriamente los diferentes monómeros a la vez que se pueden usar estructuras en bloque en el contexto de la invención. Para regular la densidad de carga y el equilibrio hidrófilo/hidrófobo del polímero sintético anfotérico, se copolimerizan opcionalmente monómeros no iónicos con dichos monómeros catiónicos y monómeros aniónicos. Algunos monómeros no iónicos tales como acrilamida y anhídrido de ácido maleico pueden producir grupos aniónicos, ya que se pueden hidrolizar parcial o completamente durante la polimerización o después de ella. Los monómeros no ¡ónicos adecuados son acrilamida y sus derivados, acrilatos tales como esteres de ácido acrílico o esteres de ácido metacrílico, anhídrido de ácido maleico y sus derivados, y otros vinilmonómeros no ¡ónicos. Estos monómeros pueden contener también grupos hidrófobos tales como grupos alquilo, arilo, aralquilo y alcarilo que contienen 1-24 átomos de carbono. Los monómeros no iónicos preferidos son acrilamida, metilacrilato, metilmetacrilato, etilacrilato, etilmetacrilato, hidroxietilacrilato, hidroxietilmetacrilato, hiroxipropilacrilato, hidroxipropilmetacrilato, butilacrilato, butilmetacrilato, vinilacetato, estireno y mezclas de los mismos. El polímero sintético que contiene QN-WSP de la presente invención se puede preparar por varios medios que son fácilmente evidentes para un experto en la técnica. Por ejemplo, a fin de producir polímeros anfotéricos o catiónicos de alto peso molecular se copolimeriza acrilamida y/o ácido acrílico con proporciones variables de derivados amino de acrilamida, esteres de ácido acrílico o esteres de ácido metacrílico. La carga catiónica está presente en forma de ácido mineral o de sal de amonio cuaternario. Los comonómeros típicos que contiene amonio cuaternario incluyen cloruro de dialildimetilamonlo (DADMAC), cloruro de acriloiloxietilmetilamonio (AETAC), cloruro de metacrilamidopropiltrimetilamonio (MAPTAC), cloruro de 3-acrilamida-3-metilbutiltrimetilamonio, y similares. En una modalidad muy preferida de la invención, los QM-WSP anfotéricos que comprenden un derivado de polímero sintético contienen preferiblemente en promedio de 1 a 500 monómeros que contienen amonio cuaternario en cada 1000 unidades de monómero, o más preferiblemente de 10 a 300 en cada 1000 unidades de monómero y muy preferiblemente de 50 a 200 unidades de monómero que contienen amonio cuaternario por un total de 100 unidades de monómero, y contiene preferiblemente de 1 a 900 unidades de monómero que contienen grupos aniónicos en cada 1000 unidades de monómero y muy preferiblemente de 100 a 600 unidades de monómero que contienen grupos aniónícos en cada 1000 unidades de monómero, y el polímero tiene preferiblemente un peso molecular medio de > 50,000, más preferiblemente > 250,000 y muy preferiblemente > 500,000. En una modalidad muy preferida, la presente invención contempla una carboximetilcelulosa que contiene nitrógeno cuaternario (QN-CMC). La QN-CMC es un polímero anfotérico soluble en agua que contiene tanto cargas aniónicas como catiónicas. Pero se pueden usar también otros polímeros zwitteriónicos (polímeros con las cargas positiva y negativa en los mismos grupos pendientes, por ejemplo betaínas) o a la misma estructura de base (anfolitos). Las betaínas tiene necesariamente un equilibrio igual de grupos amónicos y catiónicos. Los polímeros anfotéricos, tales como QN-CMC que son realmente un polianfolito (que tiene la carga positiva y negativa e la misma estructura de base del polímero) puede ser de carga equilibrada o de carga no equilibrada. Se pueden usar también mezclas de polímeros catiónicos y aniónicos (por ejemplo QN-almidón, QN-HEC y QN-Poliacrilamidas con CMC o PAC) que forman una solución anfotérica y se pueden formar complejos interpoliméricos. Cuando la estequiometría de las cargas es de 1 :1 o próxima a la misma, se pueden formar una polisal insoluble en agua, dependiendo de la presencia y la concentración de otros electrólitos. En el contexto de la invención, se escogen las relaciones de carga y las concentraciones de electrólito de tal manera que se obtienen un sistema soluble. Los polímeros anfotéricos exhiben propiedades de solución poco usuales. Los polianfolitos de carga equilibrada son a menudo más solubles y exhiben viscosidades más altas en la sal que en una solución de agua pura. Por lo tanto, los polímeros anfotéricos han encontrado utilidad como viscosiflcadores de agua y salmuera y como agentes de producción del arrastre de salmuera. En todas estas aplicaciones, interacción poco usual de la cargas positivas y negativas en el mismo grupo o estructura de base, entre las cadenas y/o entre las cadenas y los electrólitos externos desempeñan un papel importante. Estas interacciones de carga en los diferentes medios ambientes (electrólito) tienen una gran parte en la determinación de la viscosidad resultante de las soluciones. Las arcillas comerciales más importantes usadas para aumentar la viscosidad de los fluidos de perforación son las arcillas del tipo de la esmectita tales como montmorilonitas (por ejemplo, bentonita), así como tipos de capa mixta y atapulgita y sepiolita. Aunque se puede emplear provechosamente los QN-WSP de la presente invención como modificadores de reología en la mayoría de los puntos de perforación con base de agua, son muy útiles en aquellos sistemas que contienen arcillas de tipo de la esmectita ya sea solas o en combinación por otras arcillas comerciales. Como se menciona previamente, el estado de floculación y e agregación son los factores más importantes en la determinación de la reología de un lodo de perforación. La capacidad de reducir la pérdida de fluido es determinada también por estas propiedades. La CMC es uno de los polímeros más populares el uso para dispersar las arcillas del tipo e la esmectita, tales como bentonita, en lodos de perforación, la cual mejora la reducción de la pérdida de fluido y a menor grado, para modificar la viscosidad de lodo. La CMC no provee, sin embargo, el punto crítico elástico y la concentración de gel deseados al lodo. A causa de la fuerte interacción de los grupos catiónicos de QN-CMC con las partículas de un lodo de arcilla del tipo de la esmectita, la QN-CMC es un material muy eficiente para proveer concentración de gel y esfuerzo elástico suficientes para un lodo con base de arcilla del tipo de la esmectita y de agua dulce. Más particularmente, la fuerte interacción de la QN-CMC con las partículas de la arcilla del tipo de la esmectita causa floculación de cuenteo que da la reología deseada. Adicionalmente, se puede regular el grado de floculación mediante el MS(QN), es decir mientras más enlazados estén los grupos catiónicos a la estructura de base de la celulosa, más pronunciada es la floculación. Sin embargo, mientras que la floculación aumentada es benéfica para la reología, no lo es para la capacidad traductora de la pérdida de fluido, porque más se flocula el sistema, menos provee suficiente reducción de la pérdida del fluido. Por ejemplo, una QN-CMC con un MS(QN) más o menos bajo que dé un sistema débilmente floculado que dé la concentración de gel y esfuerzo crítico elástico deseados y dé también suficiente reducción de la pérdida de fluido. Se ha descubierto que usando una QN-CMC de alto peso molecular se puede reducir la cantidad de arcilla del tipo de la esmectita. Otra ventaja de la QN-CMC es que es compatible con polímeros (aniónicos) usados comúnmente como CMC, PAC y almidón u otros polímeros viscosificadores y reductores de la pérdida de fluido que se usan generalmente, lo cual significa que en casos en los cuales se deba reducir aún más la pérdida de fluido, se pueden usar tales materiales junto con QN-CMC. Para preparar QN-CMC, se puede comenzar ya sea con celulosa o con la celulosa ya hecha reaccionar con ácido monocloroacético o su sal (sodio). Para proveer la celulosa por el grupo catiónico se realiza una reacción de eterificación en presencia de una pequeña cantidad de sosa caustica ya sea con CHPTAC o GTAC.

CH2 - CH - CH2 -N+ -(CH3)3 CP CH2 - CH - CH2 - N+ - (CH3)3 CI" \ / Cl OH O CHPTAC Cloruro de glicidiltrimetilamonio (GTAC) (Compuesto cío ro-hi droxi) (Compuesto epóxido) Usando CHPTAC, la reacción de eterificación se verifica también a través del epóxido. La diferencia con el GTAC es que se consumirá un equivalente de sosa caustica para formar el epóxido y se producirá un equivalente de NaCl. La reacción del GTAC con la CMC necesita solamente una cantidad catalítica de sosa caustica. En caso de que se realice la eterificación en la secuencia de hacer reaccionar primero la alcalicelulosa con ácido monocloroacético (MCA) después de lo cual se realiza la eterificación con CHPTAC o GTAC, sin purificación de la CMC, se debería hacer reaccionar también parte del CHPTAC o GTAC con los productos secundarios de la eterificación de MCA. Este es también el caso cuando se realiza al mismo tiempo la eterificación con MCA y CHPTAC o GTAC. Se pueden derivar otros QN-(CM)-polisacáridos de la misma manera que se prepara la QN-CMC y los procedimientos para hacerlo son conocidos en la técnica. Se hace en general la producción de éteres de polisacárido dilatables en agua y solubles en agua, suspendiendo el polisacárido en un diluyente. Cuando el polisacárido es una celulosa, se puede usar como hojas de celulosa molida o de celulosa corta. Los materiales de partida de celulosa adecuados y fácilmente obtenibles incluyen fibras de residuo de algodón esmotado y celulosas de pulpa de madera purificadas. Los diluyentes adecuados incluyen etanol, alcohol isopropílico, alcohol ter-butílico, acetona, agua, metiletilcetona y mezclas de los mismos. Se pueden efectuar las reacciones en una cantidad relativamente grande de diluyente o con una cantidad mínima de diluyente, según se desee, es decir usando ya sea una llamada mezcla aguada o un llamado procedimiento en seco. Típicamente, se hace reaccionar el polisacárido con un hldróxido de metal alcalino para preparar un polisacárido de metal alcalino. La cantidad de hidróxido de metal alcalino por unidad de repetición de sacárido puede variar, dependiendo del tipo y la cantidad de agentes de alquilación que usen. Típicamente, se usa una relación molar de entre 0.001 y 5, respectivamente. Si se desea, durante la alquilación se puede añadir hidróxido de metal alcalino adicional o se puede neutralizar en exceso del hidróxido de metal alcalino. Para evitar la degradación no controlada del polímero de polisacárido (alcalizado), se refiere escribir oxígeno de la vasija de reacción durante la alcalización y alquilación. Después de la reacción del polisacárido con una cantidad adecuada de hidróxido de metal alcalino, para la producción de un polisacárido anfotérico se puede hacer reaccionar primero el polisacárido de metal alcalino con el reactivo de alquilación aniónico, por ejemplo ácido monocloroacético o su sal de metal alcalino, seguido por la reacción con el reactivo de alquilación catiónico, por ejemplo CHPTAC o GTAC, a una temperatura adecuada y durante un tiempo suficiente para proveer ei nivel deseado de sustitución. Alternativamente, se puede añadir primero el reactivo de alquilación catiónico, después de lo cual se hace reaccionar el reactivo de alquilación, o se puede hacer reaccionar simultáneamente el polisacárido de metal alcalino con los diferentes reactivos de alquilación. Un camino de reacción alternativo adicional es purificar el poiisacárido alquilado aniónicamente antes de que se añada el reactivo de alquilación catiónico. Esto no aumenta generalmente la selectividad de reacción y/o la producción del reactivo de alquilación catiónico.

En otra modalidad preferida de la presente invención, se incorporan reactivos de alquilación no ¡ónicos en el paso de reacción ya sea añadido antes, después o junto con los reactivos de alquilación aniónicos y catiónicos. También aquí, se puede realizar la cationización después de que se ha purificado el polisacárido ya alquilado. En el contexto de la presente invención, se pueden aplicar derivados de polisacárido modificados con amonio cuaternario ya se como materiales purificados o no purificados. De los materiales purificados, se han extraído los productos secundarios, por ejemplo por extracción con una mezcla de alcohol/agua. Cuando el polisacárido modificado con amonio cuaternario es un éter de celulosa anfotérico o catiónico, el material útil para la presente invención tiene típicamente un grado medio de polimerización (PMpoiímero = PMunidad e monómero *DP) mayor que 30, preferiblemente mayor que 100 y típicamente en el intervalo de 30 a 6000, preferiblemente de 100 a 5000, un grado medio de sustitución (es decir DS) del sustituyente aniónico en el intervalo de 0.05 a 1.4, preferiblemente del 0.3 a 1.4 , y una sustitución molar (es decir MS) del sustituyente no iónico en el intervalo de 0.05 a 5, preferiblemente de 0.1 a 3.5, y una sustitución molar del grupo catiónico en el intervalo de 0.005 a 1.0, preferiblemente de 0.01 a 0.6. En una modalidad preferida de la presente invención, el QN-WSP es una carboximetilcelulosa anfotérica (QN-CMC). La QN-CMC tiene típicamente un grado medio de polimerización mayor que 30, preferiblemente mayor que 100 y típicamente en el intervalo de 30 a 6000, preferiblemente de 100 a 5000, más preferiblemente de 1000 a 5000, un grado medio de sustitución (es decir DS) del sustituyente carboximetilo aniónico en el inérvalo de 0.2 a 1.4, preferiblemente de 0.5 a 1.4, más preferiblemente de 0.7 a 1.3, y una sustitución molar del grupo catiónico en el intervalo de 0.005 a 1.0, preferiblemente de 0.01 a 0.6, más preferiblemente de 0.01 a 0.3. Finalmente, la invención reclamada contempla una formulación de lodo de perforación con base de agua que comprende, como agente para el control reológico, una combinación de un polímero catiónico en que los grupos catiónicos comprenden grupos de amonio cuaternario y un polímero aniónico, ya sea solo o en combinación con los polímeros anfotéricos mencionados anteriormente. Los polímeros catiónicos que se pueden emplear en el contexto de la presente invención incluyen, pero no se limitan a los mismos, polisacáridos o derivados de polisacáridos que contienen grupos catiónicos, polímeros sintéticos que contienen grupos catiónicos y mezclas de los mismos. Algunos ejemplos de polisacáridos o derivados de polisacáridos que contienen grupos catiónicos incluyen, pero no se limitan a los mismos, por ejemplo (QN)-HEC cuaternaria, éter (mixto) de QN-celulosa, QN-almidón, derivados de QN-almidón QN-guar, derivados de QN-guar, mezclas de los mismos y similares. Algunos ejemplos de polímeros sintéticos que contiene grupos catiónicos incluyen, pero no se limitan a los mismos, QN-poliacrilamida, homo- y copolímeros de poliacrilato que contienen grupos catiónicos, QN-poliacrilamida copolimerizada con monómeros de acrilato o inónicos, QN-poliaminas, QN-polietileniminas, mezclas de los mismos y similares. Se utilizan estos polímeros catiónicos en combinación con los polímeros aniónicos ejemplificados previamente en esta solicitud, incluyendo los polisacáridos que contienen grupos aniónicos y los polímeros sintéticos que contienen grupos aniónicos, los cuales son bloques de estructuración de los polímeros anfotéricos de la presente invención. Finalmente, los fluidos de perforación de la presente invención pueden contener opcionalmente otros varios ingredientes empleados convencionalmente en fluidos con base de agua. Por ejemplo, tales ingredientes adicionales pueden Incluir activos poliméricos orgánicos convencionales, tales como CMC, PAC, almidón, almidón modificado, xantano, etc. Adicionalmente, los fluidos de perforación de la presente invención pueden contener agentes para aumentar el peso, fluidificadores agentes de inhibición, electrólitos, agentes ajustadores de pH, etc. El pH de los fluidos de perforación de la presente invención se mantiene preferiblemente a un pH de 8-11 , preferiblemente de 87.5-10.5 y más preferiblemente aún 9-10. Aunque hay una extensa variedad de fluidos (lodos) de perforación con base de agua que se pueden emplear en el contexto de la presente invención, un lodo típico de acuerdo con la presente invención contiene los siguientes ingredientes: » Agua como el componente principal; • Formador de viscosidad en una cantidad de 5-100, más preferiblemente de 10-60 y más preferiblemente de 20-40 kg/m3, - Agente anfotérico para el control reológico en una cantidad de 0.01-10, más preferiblemente de 0.05-5, y más preferiblemente aún de 0.1-3 kg/m3, " Agentes alcalinos en una cantidad efectiva para ajustar el pH á aproximadamente 9-10; y • Otros varios aditivos /polímeros que incluyen, pero no se limitan a los mismos, CMC, PAC, almidón, almidón modificado, xantano, agentes para aumentar el peso, fluidificadores, agentes de inhibición tales como derivados de glicol y similares, electrólitos y similares. Para un fluido de perforación con base e QN-CMC, el fluido de perforación debería tener idealmente un punto crítico elástico de entre 5 y 15 pascales, no desarrollar concentraciones de gel progresivas con el tiempo, viscosidad plástica de 10-25 mPa.s y una pérdida de tiempo API RP42 de 5- 10 ml. Un fluido de perforación con base de QN-CMC que tiene estas propiedades estaría constituido típicamente de agua dulce, 0.2-0.6 de kg/m3 de QN-CMC, 20-40 de kg/m3 de bentonita de sodio no peptizada y suficiente sosa caustica para ajustar el pH del fluido de perforación a un pH de 8.5 a 10.5.

Cuando se usa una combinación de un polímero catiónico que contiene amonio cuaternario y un polímero aniónico, el QN-WSP tienen preferiblemente en promedio una baja densidad de carga catiónica de aproximadamente 1 a 300 grupos catiónicos por cada 1000 unidades de monómero o polisacárido, más preferiblemente alrededor de 1 a 100 grupos catiónicos por cada 1000 unidades de monómero o polisacárido. Las relaciones adecuadas en las cuales se puede usar el polímero catiónico con un polímero aníóníco y/o anfotérico son de 1 :20 a 1 :1 , preferiblemente de 1 :10 a 1 :5. Típicamente, la cantidad total del polímero catiónico, el polímero aniónico y/o el polímero anfotérico añadidos a un sistema de lodo está en el intervalo de 0.1 a 4 kg/m . Se ilustrará ahora la invención por medio de los siguientes ejemplos no limitantes.

EJEMPLO 1 Uso de QN-CMC en operaciones de perforación Lo siguiente provee ejemplos de la efectividad y las ventajas de la QN-CMC en situaciones reales de perforación hacia abajo. Se incluye en el ejemplo una descripción general de los pozos perforados con fluidos de QN-CMC, las comparaciones de uso/costo de los fluidos de QN-CMC en comparación con los fluidos químicos de gel, la comparación reológica de los fluidos de QN-CMC en comparación con los fluidos químicos de gel y las ventajas notadas para los materiales de QN-CMC. En la QN-CMC usada en la solución de fluido en los ejemplos, la DS(CM) es de 0.87, la MS(QN) es de 0.08 y el peso molecular del material es de aproximadamente 700,000 (DP media = 700,000/244 = 2869).

Descripción general de los pozos Se perforaron tres pozos usando el fluido de perforación de QN-CMC en Alberta, Canadá en las ubicaciones 08-33-39-20 W4, 11-09-40-19 W4 y 05-35-39-21 W4. Se perforaron todos los pozos a una profundidad final de entre 1407 m y 1422 m de la misma manera general. • Se comenzaron los pozos por perforación rotatoria de un orificio con una broca de taladro con diámetro de 311 mm desde la ubicación de la superficie de terreno a una profundidad de aproximadamente 200 m. Enseguida de alcanzar esta profundidad de aproximadamente 200 m, la envoltura de superficie de 219mm de tamaño se extendió al fondo del orificio y se adhirió subsecuentemente a su lugar de la manera usual. El fluido de perforación usado para ayudar a lograr el procedimiento de perforación fue una mezcla de bentonita de sodio y sosa caustica tal como se práctica comúnmente en la industria. • La perforación rotatoria del pozo continuó usando una broca con diámetro de 200 mm y procedió a una profundidad final y total de entre 1407 m y 1422 m. El fluido de perforación usado desde la profundidad de la envoltura de superficie entre 1225 m y 1269 m fuer tratado con agua y con calcio y una 'poliacrilamlda parcialmente hidrolizada, tal como se práctica a menudo en la industria. Se extrajeron los sólidos perforados contenidos dentro del agua de calcio, procedentes del fluido se perforación de la moneda usual usando tamices agitadores y centrífugas. Desde las profundidades de 1225 m a 1269 m y entre la 10 profundidad total final, se uso un fluido de perforación con base e QN-CMC. Se hace referencia al fluido de QN-CMC como el sistema de lodo principal del orificio. Los principales constituyentes en el lodo principal de QN-CMC del orificio fueron bentonita a una concentración de entre 20-35 kg/m3+? 15 QN-CMC a una concentración de entre 0.3-0.6 kg/m3, sosa caustica para proveer un pH en el intervalo de 8.5 a 10.0 de 0-0.2 kg/m3 de un polímero polianiónico de celulosa de baja viscosidad (PAC9. Se designo el sistema de lodo principal para el orificio de circulación total de entre 80-100 m3 para 20 proveer una pérdida de fluido API entre 7-8 ml en condiciones regulares de prueba API y viscosidad suficiente para extraer los cortes perforados generados en la perforación del pozo.

Comparaciones de uso/costo Se da en el cuadro 1 una comparación del uso de material y los costos de los pozos perforados con los fluidos de perforación de QN-CMC y un grupo de pozos cercanos perforados con un fluido químico de gel. Se perforaron los pozos químicos de gel de manera similar a los descritos previamente para los fluidos de QN-CMC, excepto por el uso del fluido de preparación químico de gel en lugar del fluido de QN-CMC. La composición general del fluido químico de gel es bentonita de sodio a una concentración de 30-60 kg/m3 polímero polianiónico de celulosa a una concentración de 0.5-2.0 kg/m3 y sosa caustica para proveer un pH de 8.0-10.0.

CUADRO 1 Uso de material y comparación de costos de pozos perforados con fluidos de perforación de gel químico y QN-CMC *PAC = celulosa polianiónica Los datos en el cuadro 1 claramente indican que en promedio, se está utilizando menos bentonita en los pozos perforados con QN-CMC en comparación con los pozos perforados con fluido de perforación de gel químico. El uso de QN-CMC y PAC también fue claramente inferior en promedio para los pozos con QN-CMC. El uso inferior de material en los pozos perforados con QN-CMC se refleja en los costos de material de barro de promedio inferior en el orificio principal en comparación con los pozos perforados con un fluido de gel químico.

Comparación reolóqica Las propiedades reológicas de un fluido de perforación son importantes para la operación de perforación con el fin de limpiar de manera eficiente los cortes perforados del pozo. En términos simples, el fluido de perforación ideal es de naturaleza tixotrópica o adelgazadora de esfuerzo cortante: que tiene viscosidad baja en altas velocidades de esfuerzo cortante (como se ve en la broca del taladro) y altas viscosidades en velocidades inferiores de esfuerzo cortante (como se ve en el espacio anular entre la cuerda del taladro y pared del pozo). El cuadro 2 provee comparaciones reológicas de los pozos antes descritos y en el cuadro 1. En todos los casos, las reologías reportadas en el cuadro 2 se encontraron en la sección del orificio principal en donde se utilizó fluido de QN-CMC o fluido de gel químico en la operación de perforación giratoria.

CUADRO 2 Comparación reológica de fluidos de QN-CMC contra fluidos de gel químico '- Relación YP/PV = relación de punto de rendimiento/viscosidad de plástico "* - ge = fluido de perforación de gel químico . Las viscosidades de plástico y puntos de rendimiento se derivan del modelo reológico de plástico Bingham, un modelo comúnmente utilizado para describir propiedades reológicas de fluido de perforación. Mientras más alta sea lá relación de YP/PV (punto de rendimiento/viscosidad de plástico) mayor será la naturaleza tixotrópica del fluido de perforación y mejor será el fluido de perforación para remover cortes perforados del pozo. La relación promedio YP/PV para los fluidos de perforación de QN-CMC es aproximadamente el doble que los fluidos de gel químico promedio. " Los valores "n" y "K", índice de flujo laminar y factor de consistencia de flujo laminar, respectivamente, son factores derivados del modelo reoíógico de la Ley de Potencia, otro modelo comúnmente utilizado para caracterizar propiedades reológicas de fluido de perforación. El comportamiento de adelgazamiento de esfuerzo cortante se describe por el valor "n", en donde mientras más bajos sean los valores "n", más tixotrópico o adelgazador de esfuerzo cortante es el fluido. Similar al modelo de plástico de Bingham, los fluidos de QN-CMC indican mejores características de adelgazamiento de esfuerzo cortante en virtud de sus valores "n" inferiores a los pozos perforados con fluidos de gel químico. Las resistencias al gel, aunque no se derivan de ningún modelo reológico, se utilizan comúnmente para describir la capacidad de fluidos de perforación para sostener y suspender sólidos cuando el fluido de perforación es sometido a bajas velocidades de esfuerzo cortante. Un fluido de perforación "ideal" tendrá buena resistencia al gel inicial (normalmente 5-12 Pa para operaciones de perforación) y no desarrollan resistencias al gel progresivas con el tiempo. Las resistencias al gel promedio de los fluidos de QN-CMC son mejores que las resistencias al gel promedio de los fluidos de gel químico.

Ventajas del sistema de QN-CMC En resumen, las ventajas del sistema de fluido de perforación de QN-CMC de acuerdo con la presente invención, en comparación con el fluido de gel químico comúnmente utilizado, para los pozos perforados en el ejemplo antes mencionado incluyen: • Menos uso de material de bentonita de sodio • Menos uso de materiales derivados de CMC • Costo de material total inferior para el sistema de barro del orificio principal • Mejor perfil reológico EJEMPLO 2 Uso de QN-CMC sobre una escala de laboratorio Los siguientes ejemplos son formulaciones de fluido de perforación a escala de laboratorio para comparar la pérdida de fluido y propiedades reológicas de CMC estándar, PAC y CMC anfotéricos (QN-CMC). Estas propiedades se determinan utilizando técnicas estándar como se describe en API Recommended Practice: Standard Procedures for Field Testing Water-Based Drilling Fluids, RP 13B-1 , 1a ed., junio 1990, Amer. Pet. Inst. Las propiedades reológicas de los fluidos de perforación compuestos han sido medidas utilizando un viscómetro de Fann estándar. El PV del fluido de perforación se obtiene al restar la lectura 300 de la lectura 600; mientras que el YP del fluido se determina al restar el valor de PV de la lectura 300. Además, la concentración de gel de 10 segundos y la concentración de gel de 10 minutos se ha medido al cambiar el vlscómetro de Fann a una velocidad de 600 rpm hasta que se obtenga una lectura estable. El viscómetro se detiene durante 10 segundos y posteriormente se enciende a una velocidad de 3 rpm. La lectura máxima del viscómetro se da como una concentración de gel de 10 segundos. De igual manera, la concentración de gel de 10 minutos se mide después de cambiar el viscómetro a 600 rpm hasta que se logra un estado estable. Posteriormente, el viscómetro se detiene durante 10 minutos y después se enciende a 3 rpm. La lectura máxima da la concentración de gel de 10 minutos. La prueba de filtración para determinar la pérdida de fluido de API se realizó de la siguiente manera: un filtro prensa de presión baja, de baja temperatura (equipo de prueba de pérdida de fluido de baroid) se utilizó para determinar las capacidades de control de filtración de los aditivos al medir la pérdida de fluido total en 25 minutos cuando se aplica una presión de 100 Psi (6.9 x 105 Pa) a la muestra a 35°C. Un lodo de agua dulce base que contiene 30 kg/m3 de bentonita y 4% en peso de sólidos de perforación se preparó y se agregó una cantidad apropiada de sosa cáustica para ajustar el pH a 10. Posteriormente, el lodo base se añejó durante 24 horas. Posteriormente las cantidades de CMC, PAC o CMC anfotérica (QN-CMC) como se muestran en el cuadro 3 se agregan y mezclan a un esfuerzo cortante elevado, esto se realizó durante 20 minutos. Las muestras entonces se añejaron durante 16 horas antes de que se midieran las propiedades del lodo. Los resultados como también las características del material se muestran en el cuadro 3 que se presenta a continuación. Los resultados en el cuadro 3 muestran que a un nivel de viscosidad comparativo de la CMC o CMC modificada (QN-CMC) pueden obtenerse puntos de rendimiento elevados al incrementar el nivel de MS (QN). También muestra que el valor de gel de 10 segundos puede incrementarse mediante la incorporación de grupos de amonio cuaternario en comparación con los tipos de CMC estándar (muestra de PAC y CMC).

CUADRO 3 PV es la viscosidad plástica YP es el punto de rendimiento n.a. no es aplicable

Claims (23)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Una composición de fluido para perforación que comprende agua, al menos un mejorador de viscosidad de arcilla y al menos un agente de control reológico caracterizada porque dicho agente de control reológico es un polímero anfotérico de la fórmula: en la cual R1 es H u OH, R2, R3 y R , son iguales o diferentes y se seleccionan entre grupos alquilo de C?-C2 , arilo de C6-C24, aralquilo de C7-C24, alcarilo de C -C24, cicloalquilo de C3-C24, alcoxialquilo de C2-C24, y alcoxiarilo de C7-C24, o

R2, R3, R4 y el átomo de nitrógeno cuaternario forman un anillo heterocíclico alifático o aromático; n es un entero de 1 a 4, B se selecciona entre O, OC(O),

C(O)Ó, C(O)-NH, NHC(O), S, OSO3, OPO3, NH, o NR5 en donde R5 es un acilo de C2-C6) o un radical alquilo de CrC , [A]m es polisácarido o derivado de polisacárido aniónico soluble en agua, m es mayor que 10, y X" es un anión. 2.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque [A]m se selecciona del grupo consistente de carboximetilcelulosa, carboximetilsulfoetilcelulosa, carboximetilcelulosa en la cual la celulosa está sustituida con uno o más sustituyentes no iónicos, almidón de carboximetilo, almidón de carboximetilo en el cual el almidón está sustituido con uno o más sustituyentes no iónicos, carboximetil guar, carboximetil guar en el cual la guar está sustituida con uno o más sustituyentes no ¡ónicos, goma de xantán y mezclas de los mismos. 3.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicho mejorador de viscosidad es un tipo de arcilla de esmectita.

4.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicho mejorador de viscosidad se selecciona del grupo consistente de bentonita, un hidróxido de capa de metal mixta, atapulgita, sepiolita y mezclas de los mismos.

5.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque X" es un anión seleccionado del grupo consistente de cloro, bromo, yodo, sulfato, metiisulfato, nitrato, fosfato, acetato, y mezclas de los mismos.

6.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque R2, R3, R4 y el nitrógeno cuaternario forman un anillo de piridinio.

7.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicho polímero anfotérico se selecciona del grupo consistente de carboximetilcelulosa de amonio cuaternario, sulfoetil carboximetilcelulosa de amonio cuaternario, hidroxietil carboximetilcelulosa de amonio cuaternario, carboximetil almidón de amonio cuaternario, carboximetil guar de amonio cuaternario y mezclas de los mismos.

8.- La composición de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicho polímero anfotérico está sustituido con al menos un sustituyente no iónico seleccionado del grupo consistente de metilo, etilo, hidroxietiío, hidroxipropilo, dihidroxipropilo, bencilo, grupos 3-(alcoxi de C?-C 4)-2-h¡droxipropilo, 3-(ariloxi de C6-C24)-2-hidroxipropilo, 3-(aralcoxi de C7-C24)-2-hidroxipropilo, 3-(alcariloxi de C7-C2 )-2-hidroxipropilo y mezclas de los mismos.

9.- La composición de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada además porque dicho mejorador de viscosidad comprende *-bentonita y dicho polímero anfotérico es carboximetilcelulosa de amonio cuaternario.

10.- Una composición de fluido para perforación a base de agua, que comprende agua, al menos un mejorador de viscosidad de arcilla y al menos un agente de control reológico, caracterizada por que dicho agente de control reológico es un polímero sintético anfotérico derivado de la copolimerización de un monómero sintético aniónico, un monómero catiónico que contiene un átomo de nitrógeno cuaternario y opcionalmente al menos un monómero no ¡ónico.

11.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el monómero sintético aniónico contiene un grupo aniónico seleccionado del grupo consistente de grupos carboxiiato, fosfato, sulfonato, y fosfonato.

12.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el monómero sintético aniónico se selecciona del grupo consistente de esteres de ácido acrílico, esteres de ácido metacrílico, acrilamida, metacrilamida, y anhídrido de ácido maléico, caracterizada además porque los monómeros sintéticos producen un grupo amónico en un paso de post-pollmerización, ácido acrílico, acrilatos, ácido metacrílico, ácido2-acrilamido-2-metilpropansulfónico, vinilsulfonato, ácido vinilsulfónico, estirensulfonato, ácido estirensulfónico, y mezclas de los mismos.

13.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el monómero catiónico que contiene átomo de nitrógeno cuaternario es cloruro de dialildimetilamonio.

14.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque el monómero catiónico que contiene átomo de nitrógeno cuaternario es un compuesto de la fórmula II: ~R6 I -CH^C C=0 (II) ? R7 en donde R6 se selecciona de H, OH o un grupo alquilo de CrC4, o un grupo hidroxietilo; Z es NH u O y R7 es un compuesto de la fórmula lll: en donde Y es un alquilo de C-pCß lineal o ramificado, R8, R9 y R10 son los mismos o diferentes y se seleccionan de alquilo de C1-C24, arilo de C6-C24, aralquilo de C -C24, alcarilo de C -C^, cicloalquilo de C3-C2 , alcoxialquilo de C2-C2 y alcoxiarilo de C7-C24, o R8, R9, R 0 y el átomo de nitrógeno .1 cuaternario forman un anillo alifático o hetercíclico aromático, n es un entero de 1 a 4 y X" es un anión.

15.- La composición de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada además porque dicho átomo de nitrógeno cuaternario que contiene un monómero catiónico se selecciona del grupo que consiste en cloruro de acriloiloxietil-trimetilamonio (AETAC), cloruro de metacrilamidopropiltrimetilamonio (MAPTAC), cloruro de 3-acrilamido-3-metil-butil-trimetilamonio y mezclas de los mismos.

16.- La composición de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada además porque X" es un anión seleccionado del grupo que consiste en cloruro, bromuro, yoduro, sulfato, metiisulfato, nitatro, fosfato y acetato.

17.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque el mejorador de viscosidad se selecciona del grupo que consiste en bentonita, hidróxido de capas metálicas mixto, atapulgita, sepiolita y mezclas de los mismos.

18.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque el polímero anfotérico se selecciona del grupo que consiste en poliacrilamida hidrolizada (parcialmente) de amonio cuaternario, poliacrilato de amonio cuaternario, poliacrilamida (parcialmente) hidrolizada de amonio cuaternario copolimerizada con monómeros de acrilato y mezclas de los mismos.

19.- La composición de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada además porque por lo menos un monómero no iónico se selecciona del grupo que consiste en anhídrido de ácido maleico, acrilamida, metilacrilato, metilmetacrilato, etilacrilato, etilmetacrilato, hidroxietilacrilato, hidroxietilmetacrilato, hiroxipropilacrilato, hidroxipropilmetacrilato, butilacrilato, butilmetacrilato, vinilacetato, estireno y mezclas de los mismos.

20.- La composición de conformidad con la reivindicación 19, caracterizada además porque dicho monómero no iónico es un monómero de vinilo opcionalmente sustituido con un grupo hidrófobo seleccionado del grupo que consiste en alquilo de C1-C24, arilo de C6-C24, aralqullo de C7-C24, alcarilo de C7-C 4, y mezclas de los mismos.

21.- Una composición de fluido de perforación a base de agua que comprende agua, por lo menos un mejorador de viscosidad de arcilla y por lo menos un agente de control reológico, caracterizada porque dicho agente de control reológico comprende una combinación de por lo menos un polímero catiónico que tiene grupos catiónicos que son grupos de amonio cuaternario y un polímero aníónlco.

22.- La composición de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizada además porque dicho polímero catiónico se selecciona del grupo que consiste en hidroxietilcelulosa de amonio cuaternario, guar de amonio cuaternario, almidón de amonio cuaternario, poliacrilamida de amonio cuaternario, poliacrilamida de amonio cuaternario copolimerizada con monómeros de acrilato no iónicos, poliaminas de amonio cuaternario, polietileniminas de amonio cuaternario y mezclas de los mismos.

23.- La composición de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizada además porque dicho polímero aniónico se selecciona del grupo que consiste en carboximetilceiuiosa, sulfoetilcarboximetilcelulosa, hidroxietilcarboximetilcelulosa, carboximetilalmidón, carboximetilguar, goma xantano, ácido poliacrílico, ácido polimetacrílico, poliacrilato, polimetilacrilato, poliacrilamida (parcialmente) hidrolizada, ácido poli (2-acrilamido-2-metil-propansulfónico), polivinilsulfonato, poliestirensulfonato, anhídrido polimaleico (parcialmente) hidrolizado y sus sales y mezclas de los mismos.