FLUIDOS DE PERFORACIÓN PETROLÍFERA Y SU APLICACIÓN Referencia a solicitud provisional relacionada Esta solicitud reiv ndica el beneficio de la disposi- ción 35 U.S. C. 119(e) del número de solicitud provisional de EE.UU. 60/195.982 presentada el 7 de Abril de 2.000, y titulada "Novel Fluids and Use in Oilfield Applications". Campo Tecniico de la Invención La invención se refiere a fluidos conductores de la electricidad y su uso. En particular, la invención se refiere a fluidos no acuoscs conductores de la electricidad y su uso en operaciones en campos petrolíferos, especialmente en el desarrollo o mantenimiento de una fuente de petróleo y/o gas . Antecedentes de la Invención En el procedimiento de perforación rotatoria de un po-zo subterráneo, como un pDOZO de hidrocarburos, se hace cir-cular un fluido (liquido ? de perforación o "barro" hacia abajo de la conducción de la perforación o tubería enrolla-da, a través del trépano y por encima del espacio anular entre el conducto de perrforación o tubería enrollada y la formación, hasta la superficie. El fluido de perforación realiza una multiplicidad de funciones diferentes, incluidos el enfriamiento y lubricación del conducto de perfora-ción o tubería enrollada y trépano de perforación, separa-ción de trozos desprendidos de la parte inferior de la per-
foración petrolífera hacia la superficie y, a menudo, transmisión de la información de perforación o la formación desde el fondo hasta la superficie por telemetria eléctrica, Las funciones requerridas se pueden conseguir mediante una amplia diversidad de ::luidos de perforación que se formulan con diversas combinítciones de líquidos, sólidos y gases y que los contienen. En general, los fluiros de perforación se clasifican según la constitución de la fase continua o externa, es decir, como un fluido de perforación de base acuosa o basado en agua, o un fluido de perforación de base no acuosa o basado eri líquidos orgánicos, siendo denominados a menudo estos úluimos en las operaciones de campos petrolíferos como fluidos basados en aceites . Los fluidos de base acuosa (basado en agua) constituyen el tipo de fluidos de perforación más comúnmente usa-dos . La fase acuosa puede estar formada por agua dulce, más comúnmente, por salmuera Como una fase discontinua o dispersa, los fluidos basados en agua pueden contener gases o fluidos inmiscibles con agua como gasóleo, en la forma de una emulsión de aceite en agua, y sólidos que incluyen materiales pesados, como barita. Los fluidos basados en agua contienen también normalmente minerales arcillosos, polimeros y tensioactivos para conseguir las propiedades o funciones deseadas
Sin embargo, en la perforación de zonas sensibles al agua, como esquistos reactivos, o en los que las condiciones de temperatura de la perforación son extremas, o cuando la corrosión es un problema significativo, se prefieren los fluidos de perforación de base no acuosa. Esta preferencia existe a pesar de que, como se reconocerá por los expertos en la técnica, el agua o ..a humedad están casi siempre presentes en un pozo petrolífero, y muchos fluidos de perfora-ción "no acuosos" contienen agua o salmuera como una fase discontinua en la forma de una emulsión de agua en aceite o emulsión invertida) . Los aditivos sólidos en los fluidos de perforación de base no acuosa son análogos a los fluidos basados en agua, teniendo en consideración la solubilidad, y los fluidos de base no acuosa contienen también aditivos para controlar la densidad, reologia y pérdida de fluidos. Si está presente una emuleión invertida, puede estar formada y estar estabilizada por medio de uno o más emulsionantes especialmente seleccicnados . Aunque los fluidos ce perforación de base no acuosa son más caros que los lodos de base acuosa, su ventaja de funcionamiento y su super:.or rendimiento técnico avalan su uso en las situaciones particulares mencionadas. Desgracia-damente, muchos fluidos de perforación de base no acuosa de la técnica anterior están caracterizados por una baja conductividad eléctrica, es decir, una resistividad elevada.
Esta baja conductividad eléctrica es una desventaja técnica para funciones importantes de los fluidos de perforación de pozos, por ejemplo, en la transmisión de la información desde el fondo de la pe rforación a la superficie por telemetría eléctrica, particularmente en las perforaciones direccionales, y en operaciones eléctricas de registro del sondeo y formación de imágenes durante la operación de per- foración para determinar, entre otras cosas, el tipo de formación y el material en la formación. En estas últimas operaciones mencionadas, algunas herramientas para el re-gistro de perforación f mcionan sobre la base de un con-traste de resistividad ntre el fluido en la perforación petrolífera y la de la jformación. En el funcionamiento de tales herramientas de registros de perforación enfocadas en la resistividad, la corriente alterna fluye desde las herramientas a través de a formación entre dos electrodos.
Consecuentemente, los fluidos en la trayectoria de la corriente eléctrica son el fluido de la perforación petrolífera, el fluido de la perforación petrolífera que ha penetrado en el medio de la formación (tal como roca de forma-ción) bajo una presión diferencial y los fluidos de la for-mación. Como se apreciará fácil ente por los expertos en la técnica, una baja conduct Lvidad eléctrica o una elevada re-sistividad del fluido de la perforación petrolífera afecta a los resultados de registros de perforación y formación de
-? imágenes, y el análisis de los resultados de registros de perforación y formación de imágenes pueden requerir una compensación sustancial ] ?ara calcular la resistividad de la formación . Consecuentemente, e 1 uso de herramientas para regis- tros de la resistividad ha estado limitado principalmente a casos en los que se usa un fluido de perforación basado en agua para la operación d perforación, debido a la muy baja conductividad eléctrica de los fluidos de base no acuosa, Incluso en el caso en el que esté dispersada salmuera con- ductora de la electricid ad en una fase acuosa, el carácter discontinuo de las gotit s de salmuera en la fase de aceite evita o inhibe el flujo de electricidad. De hecho, la inca- pacidad de tales emulsicnes para conducir la electricidad (hasta que se aplica una diferencia de potencial muy eleva- da) es usada como un en: ayo estándar de la estabilidad de la emulsión. Se han hecho intent s de preparar fluidos de perfora- ción basados en aceites qonductores de la electricidad para los fines de registros de perforación eléctricos . La paten- te de EE.UU. n° 2.542.02 , patente de EE.UU. n° 2.552.775, patente de EE.UU. n° .573.961, patente de EE.UU. n° 2.696.468 y patente de EE .UU. n° 2.739.120, todas ellas de Fischer, describen fluidos basados en aceites y estabiliza- dos con jabones que comp enden una base de metal alcalino-
terreo disuelta en una cantidad de hasta 10% en peso de agua. El titular de la patente reivindica una reducción de la resistividad eléctrica por debajo de 500 ohm-m, que corresponde a un aumento de la conductividad hasta ? > 2000 µS m1. Nuevamente, la p¿.tente de EE.UU. 4.012.329 describe una micro-emulsión externa de aceite preparada con petró- leo-sulfonato de sodio y con una resistividad indicada <1
Las dificultades er relación con la resistividad de los fluidos de base no a :uosa en operaciones en campos petrolíferos o el desarrollo o mantenimiento de un pozo no se restringen a las operaci .ones de perforación. Los registros de perforación, formaciór de imágenes, etc., se pueden rea-lizar también durante la "compleción" del pozo, es decir, cuando el pozo está siendo preparado para el desarrollo o producción, usando fluidos de perforación petrolíferas denominados fluidos de "compleción" o posteriormente, por ejemplo, en un "acondicionamiento" del pozo, usando fluidos de perforación petrolíferas denominados fluidos de "acondicionamiento". El fluido de compleción se proporciona o se hace circular en la perforación petrolífera mientras se realizan operaciones co D la perforación y exclusión de arena. En el mantenimiento o renovación (reconversión) de un pozo, un "acondicionamiento" se puede realizar para restablecer o mejorar la producción. Esta operación supondrá
análogamente la provisión o circulación de un fluido de acondicionamiento especialmente formulado en la perforación petrolífera, y puede incluir la realización de registros en la perforación petrolífe ra . Como será evidente, la conduc- tividad de estos fluid >s de perforación petrolíferas es también importante, y ls elevada resistividad de los flui- dos de base no acuosa re stringe su utilización en estas si- tuaciones, consecuenteme :?te, los fluidos de perforación pe- trolíferas de base no cuosa o no basados en agua (por ejemplo, fluidos de perforación, compleción y acondiciona-miento) que tienen una c onductividad aumentada o mejorada, así como los métodos par i su uso, pueden ser de un gran in-teres comercial. La inve;nción se dirige a la provisión de tales fluidos y métodos . Su ari? de la Invención Consecuentemente, en una realización, la invención se refiere a un fluido de perforación petrolífera de base no acuosa de conductividad aumentada, que contiene una concentración eficaz de cationes y aniones a partir de un líquido iónico hidrófobo estable en agua. Más particularmente, la invención se refiere a e ste fluido de perforación petrolífera de base no acuosa que comprende un líquido de base no acuosa que contiene una concentración eficaz de cationes y aniones a partir de un liquido iónico hidrófobo estable en agua. El fluido de perforación petrolífera de esta realiza-
ción de la invención comprende por tanto un fluido formado mezclando un líquido ce base no acuosa con una cantidad eficaz de un líquido iónico hidrófobo estable en agua. Tal como se enciende en lc. presente memoria descriptiva, una
"concentración eficaz" de cationes y aniones es la concen- tración suficiente para elevar la conductividad del fluido de perforación petrolífera hasta el nivel o grado deseado. Análogamente una "cantidad eficaz" de líquido iónico será la cantidad de liquido .-ónico necesaria o requerida, cuando se mezcla con el líquido orgánico de resistividad elevada, para proporcionar las concentraciones de cationes y aniones requeridas en el fluidc formulado, es decir, en una "concentración eficaz". Finalmente, la expresión "líquido iónico", definida más en detalle con posterioridad, se entiende que incluye mezclas de estas sustancias. En una segunda reaLización preferida, la invención se refiere a un fluido de perforación petrolífera de base no acuosa de conductividad aumentada, que comprende una mezcla de fase única de un líquido de base no acuosa y una cantidad menor de un segunde líquido disolvente orgánico diferente, o mezcla de los irismos, soluble en el líquido de base no acuosa, que contiene una concentración eficaz de cationes y aniones a partir de un líquido iónico hidrófobo estable en agua. El fluido de perforación petrolífera de base no acuosa de esta segunda realización de la invención
está formado mediante lp mezcla de un líquido de base no acuosa con una cantidad menor de un segundo líquido disolvente o orgánico diferente, o mezcla de los mismos, que es soluble en el líquido de base no acuosa, que contiene cationes y aniones en una cantidad eficaz a partir de un líquido iónico hidrófobo estable en agua La invención comprende adicionalmente la utilización de los fluidos de perforé.ción petrolíferas de base no acuosa descritos en operaciones de perforaciones petrolíferas particulares. En particular, la invención incluye métodos de perforación de un po?o, de compleción de un pozo y de acondicionamiento de un pozo, como se describen previamente, cada uno de los cuales está caracterizado por la utilización de os fluidos de base no acuosa descritos en la presente memoria descriptiva. La característica común de cada realización de la invención es que incluye el empleo o uso de una o más de una clase de compuestos denominada generalmente "líquidos iónicos". Como se entiende en la presente memoria descriptiva, un "líquido iónico" es un compuesto que es un líquido a temperaturas ambientes y que consiste completamente en un catión y un anión o una sustancia que es un líquido a temperaturas ambientes y que consiste completamente en cationes y aniones. Consecuentemente, un "líquido iónico" debe distinguirse de (1) "líquido molecular" (por ejemplo, te-
•líconcentración y seguid= mente a una concentración que es el doble de la primera concentración . Descripción Detallada de la Invención Como se indicó, lc s fluidos de perforación petrolífe- ras de base no acuosa de la primera realización de la in- vención comprenderán un líquido de base no acuoso adecuado, como es conocido o usadco en la técnica, o líquido (s) orgá- nico(s) no acuoso(s) arjiálogos a los mismos, que contienen una concentración efica de los cationes y aniones a partir de un líquido iónico es able en agua. La expresión "líquido de base no acuosa" se entiende que incluye una mezcla de estos líquidos, y coommuúnmente tal líquido de base no acuosa comprenderá un líquidos o líquidos orgánicos de elevada resistividad. Tal como se emplea en lo sucesivo, la expresión "líquido orgánico de el svada resistividad" se refiere a un líquido orgánico, que incluye mezcla de los mismos, adecúado como una fase contin la para aplicaciones de perforacio-nes petrolíferas y que sxhiba una baja conductividad electrica mediante una medición estándar de la conductividad, Normalmente, estos líqui dos orgánicos exhiben una conducti-vidad eléctrica en el iritervalo de 1,0 x 10"6 a 1,0 x 10"2 µS m"1 a una frecuencia de 1 kHz. Los líquidos orgánicos de resistividad adecuados para aplicaciones de fluidos de per-foración petrolíferas de base no acuosa son conocidos, o se pueden seleccionar por os expertos en la técnica e inclu-
yen, aunque sin limitación, petróleo; fracciones refinadas de hidrocarburos a partir de petróleo, como gasóleo o aceite mineral; líquidos de hidrocarburos, distintos del petróleo o fracciones de hidrocarburos refinadas a partir del petróleo, como n-parafiñas, alfa-olefinas, olefinas inter- ñas y poli-alfa-olefinas; líquidos como dialquil-éteres, esteres de alcanoato de alquilo y acétales; y aceites natu- rales como triglicérid DS, que incluyen aceite de colza, aceite de girasol y sus mezclas. Se preferirán los aceites de baja toxicidad y altamente biodegradables, especialmente para perforaciones en a ta mar. • En el caso de la s sgunda realización de la invención, el segundo líquido diso vente orgánico diferente se selec-cionará entre un liquidó de base no acuosa diferente, como se describió, o un líquido orgánico polar, o sus mezclas; una mezcla de los mismos ; soluble en el líquido de base no acuosa principal. En un aspecto más preferido, la invención comprende un fluido de Derforación petrolífera (y métodos para su uso) que comprer de una mezcla de fase única de un primer líquido orgánico ie elevada resistividad y una can-tidad menor de un segundo líquido orgánico de resistividad elevada diferente, o líquido (s) orgánico (s) polar (es] sus mezclas; o una mezcla de los mismos; soluble en el pri-mer liquido orgánico de resistividad elevada, que contiene una concentración eficaz de cationes y aniones a partir de
in líquido iónico hidrófobo estable en agua. El fluido de perforación petrolífera de base no acuosa de este aspecto preferido de la invenci n se forma combinando un primer lí- quido orgánico de resis :ividad elevada con una cantidad me- ñor de un segundo líqui do orgánico de resistividad elevada diferente, o un líquido orgánico polar, o una mezcla de los mismos; o una mezcla d 5 los mismos; soluble en el primer líquido orgánico de resistividad elevada, que contiene ca-tiones y aniones en una cantidad eficaz a partir de un líquido iónico hidrófobo estable en agua. Como se mencionó, el liquido iónico hidrófobo estable en agua será suministrado o combinado en una cantidad eficaz para proporcionar cationes y aniones suficientes en el mismo para proporcionar una concentración del mismo que elevará o aumentará la conductividad del fluido de perforación petrolífera de la invención hasta el grado deseado, Aunque no se pretende .imitar la presente invención, una conductividad eléctrica para el fluido de perforación petrolífera de no menos de 10 µS.m"1 y, preferentemente, no menos de 103 µS.pf1 se considera deseable para las operacio- :oración eléctricos. El grado preciso de conductividad requerida dependerá de las circunstancias y operaciones involucradas. Consecuentemente, los expertos en la técnica pueden ajustar la cantidad del líquido iónico combinado para conseguir el nivel de conductividad u
otro nivel adecuado. Debe apreciarse a este respecto que muchos líquidos iónicos exhiben una solubilidad limitada en líquidos orgánicos. Por ejemplo, el tetracloroaluminato de l-etil-3- metilimidazolio forma dcs fases con gasóleo a temperatura ambiente, aunque se puedsn mezclar completamente a aproximadamente 66°C. En la s€ilección de un líquido iónico para la primera realización de la invención, por lo tanto, un requisito importante es que el líquido iónico escogido exhiba una solubilidad suficiente en el líquido de base no acuosa o líquido orgánico de resistividad elevada, es decir, una cantidad suficiente de concentración, para proporcionar una concentración eficaz de cationes y aniones en el líquido. La determinaciór de un líquido iónico adecuado se puede llevar a cabo some tiendo a ensayo el líquido iónico disolviendo el líquido :.ónico en un líquido de base no acuosa o líquido orgánico de resistividad elevada, y haciendo una medición de La conductividad de la combinación o mezcla formada. Teniendo en consideración los requisitos de conductividad y las limitaciones de solubilidad, una cantidad de un líquido iónico suministrado al líquido de base puede variar en el intervalo hasta aproximadamente 10 por ciento aproximadamente, quizás en un intervalo de aproximadamente 0,5 por ciento a aproximadamente 5 por ciento o más, en volumen.
En la preparación de los fluidos de perforación petro- líferas de la segunda realización, se requiere una solubi- lidad suficiente en al menos uno entre el segundo líquido disolvente orgánico di ferente o líquido orgánico de resis- tividad elevada o líquido polar; o mezclas de los mismos; y no se requiere una soJ ubilidad significativa en el líquido de base no acuosa principal o líquido orgánico de resistividad elevada. Además, como se indicó, el segundo líquido diferente puede compre nder uno o más líquidos mutuamente solubles, de forma que, por ejemplo, el líquido iónico pueda ser mezclado con uno (de resistividad elevada o polar) de los líquidos secundarios, lo que va seguido de la mezcladura o combinación de esta mezcla con otro líquido orgánico, de resistividad elevada y no polar, y se mezcla la combinación resultante con el líquido de base no acuosa principal o líquido orgíánico de resistividad elevada. En la segunda real Lización de la invención, el segundo líquido disolvente orgá ico diferente se seleccionará principalmente por su propia solubilidad en el líquido de base no acuosa principal y su capacidad de disolver una cantidad suficiente de líquido iónico para asegurar que se proporciona en el líquido primario una concentración eficaz de cationes y aniones a partir del líquido iónico hidrófobo y estable en agua. Aunque el líquido orgánico polar, si se usa, puede aumentar por sí mismo la conductividad del lí-
-lición que tienen tanto cationes grandes como aniones grandes pueden tener una conduptividad iónica reducida. Sin embargo, la presencia de un líquido orgánico polar como codisolvente puede aumentar la conductividad iónica rebajando la viscosidad de la solución. Los co-disolventes adecuados se pueden seleccionar entre el grupo que consiste en éteres lineales, éteres cícli os, esteres, carbonatos, lactonas, nitrilos, amidas, sulfobas y sulfolanos. El líquido orgánico polar se puede seleccionar también entre el grupo que consiste en dietil-éte , dimetoxietano, tetrahidrofurano, dioxano, dioxolano, metiltetrahidrofurano, formiato de me- tilo, formiato de etilo propionato de metilo, carbonato de etileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, carbonato de etilmetilo, carbonato de dibutilo, butirolacto-nas, acetonitrilo, benzonitrilo, nitrometano, nitrobenceno, dimetilformamida, N-metilpirrolidona, dimetilsulfona, te-trametileno-sulfona y ti ofeno . Como se indicó anteriormente, como se comprende en la presente memoria descriptiva, la expresión "líquido iónico" se refiere a un compuesto que tiene las siguientes características líquido a "temperaturas ambientes"; y • que consista sola?ente en un catión y un anión. Adicionalmente, la expresión "temperaturas ambientes" se refiere a intervalos de temperaturas que son las que
probablemente se encuentran en el entorno en el que se va a formular o usar los fluidos que contienen o comprenden líquidos iónicos de la invención. Por tanto, para la utilización en Alaska invernal, la temperatura ambiente o circundante puede ser, por ejemplo, -50°C. Un líquido iónico usado en los fluidos de pe foración petrolíferas de la invención, si se emplea en formulación en tal entorno, debe ser líquido a esa temperatura, y no se debe separar de la fase continua. Consecuentemente, la expresión "líquido iónico" se define funcionalmente , pero la descripción en la présente memoria descriptiva se proporciona en este caso para hacer posible que los expertos en la técnica seleccionen y diseñen un fluido y régimen de uso apropiado usando un fluido que incluye líquidos iónicos apropiados. Además, como se mencionó, el líquido iónico seleccio-nado para los fluidos de base no acuosa de la invención débe ser estable en agua, es decir, no se debe deteriorar en presencia de agua ni reaccíonar sustancialmente, y debe ser hidrófobo. Estas caracte::ísticas son conocidas en el caso de algunos compuestos iónicos, y se pueden terminar para otros mediante simple experimentación. Por ejemplo, la patente de EE.UU. 5.827.602 describe líquidos iónicos solubles en agua e hidrófobos, así como líquidos iónicos que no son estables en agua Como los líquidos iónicos son compuestos conocidos,
ellos y su preparación, por sí mismos, no forman parte de la presente invención. La preparación de líquidos iónicos está dentro de los conocimientos de los expertos en la téc-nica, y algunos pueden ser obtenidos en el comercio. Una ecuación genérica para éu preparación se muestra en la Figura 1, así como la reacción para la preparación de un líquido iónico único específico. Muchos líquidos iónicos, útiles en la práctica de la invención, son las sales o productos de reacción entre compuestos que contienen nitrógeno (que proporcionan los cationes) como compuestos que contienen nitrógeno heterocí-clico o aminas y un ácido de Lewis o un ácido que no es de
Lewis (que proporcionan aniones). Preferentemente, el compuesto que contiene nitrógeno se selecciona para proporcio-nar el catión R a partir de compuestos que tienen cationes, que tienen las fórmulas
de especies adicionales de líquidos iónicos que se pueden usar en los fluidos de la invención están contenidas en "Room-Temperature Molten Salts", 5 Adv. Molten Salt Chem. 185, 188, por Hussey (1 98;3); patente de EE.UU. 5.827.602, "Hydrophobic Ionic Liqui ds", cedida a Covalent Associates Incorporated, 1998 (por ejemplo, columna 6, Ejemplos 1-3); patente de EE.UU. 5.731 101, "Low Temperature Ionic Li-quids", cedida a Akzo Nobel N.V., 1998 (por ejemplo, colu -na 3, Ejemplos 1 y 2); patente de EE.UU. 5.552.241, "Low Temperature Molten Salt Compositions Containing Fluoropyra-zolium Salts", cedida a Electrochemical System, Inc., 1996 (por ejemplo, columna 9, Ejemplo 1); y patente de EE.UU. 4.624.754, "Ionic Liqui<1 Compositions for Electrodeposi-tion", G. McManis et al ., inventores (sin asignar), 1986 (por ejemplo, columna 3, línea 21) . Cada una de estas patentes de Estados Unidos se incorpora como referencia a la presente memoria descript iva en su totalidad, y en particu-lar las partes indicadas a continuación de cada referencia, Como se indicó, los fluidos de perforación petrolífe-ras de la invención se p eden preparar combinando los com-ponentes, es decir, el liíqquido de base no acuosa o el lí-quido orgánico de resist vidad elevada y una cantidad efi-caz del líquido iónico r.idrófobo y estable en agua, o el líquido de base no acuos . o líquido orgánico de resistivi-dad elevada y el segund ? disolvente orgánico diferente o
del líquido iónico. Segjiuidamente se midió la conductividad del líquido en cada probeta. Los resultados de las mediciones se indican en la Figura 2 del dibujo. En particular, des pues de la adición del hexafluoro-fosfato de l-etil-3-metilimidazolio, la conductividad del agua corriente aumentó 61 por ciento, mientras que la conductividad del agua desiJonizada aumentó 5566 por ciento. La conductividad de la acetona aumentó aproximadamente 31.000 por ciento y la conductividad del acetonitrilo aumentó aproximadamente 35.000 por ciento. Cuando la concentración del líquido iónico se aumentó hasta 0,01 M con acetonitri-lo, la conductividad aum ;ntó 67.000 por ciento (Figura 3) Finalmente, los descubrimientos de la invención que se refieren a la conductividad de fluidos orgánicos que contienen líquidos orgánicos, aunque están enfocados princi-pálmente en operaciones f aplicaciones de perforaciones petrolíferas, en algunos c :asos tienen una aplicación más am-plia. Por ejemplo, la aidición de una pequeña cantidad de líquido iónico a petróleo u otro fluido que esté siendo transportado en una conducción permitirá la medición del flujo de fluido.