WO2016077893A1

WO2016077893A1 - Composição de fluido de perfuração e seu uso na perfuraçao de poços de petróleo e gás

Info

Publication number: WO2016077893A1
Application number: PCT/BR2014/000413
Authority: WO
Inventors: Mauricio GIMENES FOLSTA; Rosana Fatima TEIXEIRA LOMBA; Edvaldo SABADINI; Luiz Victor FRAZATTO CIPOLLI; Deborah Cristina DO NASCIMENTO
Original assignee: Petroleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Universidade Estadual De Campinas - Unicamp
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-26

Abstract

Refere-se a presente invencão a uma composição de fluido de perfuracão que compreende uma solução aquosa de pH ácido emulsionada em óleo, utilizada na operação de perfuração para contribuir para o aumento da taxa de penetração em rochas reativas a ácidos, tipicas do cenário do pré-sal brasileiro e seu uso na perfuração de poços de petróleo e gás.

Description

T/BR2014/000413

1

COMPOSIÇÃO DE FLUIDO DE PERFURAÇÃO E SEU USO NA PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO E GÁS CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se a presente invenção a composição de um fluido de perfuração empregado na perfuração de poços de petróleo e gás que compreende uma solução aquosa de pH ácido emulsionada em ófeo. Mais particularmente, a composição de fluido de base não aquosa destinado a aumentar a taxa de penetração e, consequentemente, reduzir o tempo de perfuração de poços de petróleo e gás, em especial aqueles em que os reservatórios são formados por rochas carbonáticas da camada pré-sal e seu uso na perfuração de poços de petróleo e gás.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] As formações do pré-sal são constituídas de rochas reservatório que se compõem essencialmente de rochas carbonáticas de elevada dureza. Durante a perfuração de rochas com tais características, observa-se uma baixa taxa de penetração.

[003] A perfuração de formações carbonáticas dos reservatórios do pré-sal brasileiro tem apresentado taxas de penetração muito baixas, usualmente inferiores a 5m/h, podendo ainda ser inferiores a 4m/h, havendo inclusive trechos em que a taxa de penetração é menor do que 1m/h, o que leva à constante troca de brocas devido a um desgaste prematuro das mesmas, causando paradas frequentes, acarretando um maior tempo de perfuração e o aumento exponencial dos custos de perfuração.

[004] O desenvolvimento dos campos do pré-sal vem exigindo e exigirá ainda mais um grande número de poços a ser perfurado, o que tornará ta! tipo de problema urgente de ser resolvido.

[005] Como as rochas carbonáticas de reservatórios do pré-sal são predominantemente compostas de carbonato de cálcio e magnésio, é desejável que o fluido de perfuração tenha interação com os minerais da rocha no intuito de torná-la mais frágil, facilitando a perfuração.

[006] Os principais tipos de fluidos utilizados na perfuração são conhecidos como fluidos de "base aquosa" e de "base não aquosa". [007] Os fluidos de base aquosa consistem em soluções aquosas que podem conter sais, polímeros, agentes adensantes, entre outros. Os fluidos de base aquosa possuem pH básico elevado (pH maior que 9), uma vez que os fluidos de base aquosa de pH baixo podem promover a corrosão do sistema de circulação do poço.

[008] Os fluidos de base não aquosa são emulsões de água em óleo que apresentam, assim como os fluidos de base aquosa, propriedades reológicas, físico-químicas necessárias para a perfuração de poços. Normalmente, são constituídos por água, óleo (base parafina, por exemplo), agentes emulsificante, alcalinizante, adensante, entre outros.

[009] Tradicionalmente, os fluidos utilizados na perfuração de poços de petróleo são fluidos de perfuração que consistem de soluções aquosas ou emulsões, cujo pH é básico. Não ocorre reação química entre o fluido de perfuração e a rocha que está sendo cortada.

TÉCNICA RELACIONADA

[0010] O estado da técnica tem apresentado soluções procurando não apenas aumentar a taxa de penetração, como também buscando a adoção de fluidos de perfuração que apresentem uma emulsificação facilitada.

[0011] O documento US 7,008,907 publicado em 07/03/2003, correspondente ao pedido brasileiro P10402573-3, refere-se a um fluido de perfuração, emulsificante, aditivo para melhorar as propriedades de uma emulsão invertida e métodos para perfurar um poço em uma formação subterrânea, para melhorar ou facilitar a emulsificação de um fluido de perfuração e para melhorar as propriedades de filtração e a estabilidade da emulsão de um fluido de perfuração. Os ácidos empregados nesse documento são o ácido carboxílico, o ácido policarboxílico ou combinações ou misturas deles, com uma mistura de ácidos graxos e ácidos resinosos. Os fluidos de perfuração do documento em questão, à base de óleo, são geralmente usados na forma de uma emulsão invertida, consistindo de três fases, sendo uma fase oleosa, uma fase não oleosa e uma fase de partículas finamente divididas. No entanto, o pedido de patente US 7,008,907 não utiliza nenhum dos ácidos empregados na presente invenção, nem menciona o emprego de um fluido de perfuração que compreende uma solução aquosa ácida emulsionada em parafina.

[0012] O pedido de patente WO 201 1/121278, publicado em 06/10/201 1 , descreve um fluido de perfuração de emulsão invertida, e um método para a sua utilização em perfuração de poços, com boas propriedades reológicas em altas temperaturas e pressões. O pedido de patente em questão apresenta um fluido de perfuração livre de argilas organofílicas, de cloreto de cálcio, e compreende um álcool, na fase interna, um emulsificante de amónia quaternário, e sólidos argilosos. É citado como uma forma de realização em que o álcool é um glicerol, poliglicerol, ou uma mistura dos mesmos. Da mesma forma, também é citado que o óleo de base para a emulsão é uma parafina e/ou um óleo mineral. Os fluidos de perfuração do pedido de patente WO 201 1/121278 objetivam proporcionar uma boa lubrificação e altas taxas de penetração. Porém, o fluido de perfuração e método utilizado no pedido de patente WO 2011/121278 emprega um álcool que não é alvo da presente invenção, nem descreve ou sugere o emprego de um ácido em um fluido de perfuração que compreende uma solução aquosa de pH ácido, emulsionada em óleo .

[0013] O documento WO2013/026108, publicado em 28/02/2013, refere-se a uma composição de fluido de perfuração objetivando aumentar a taxa de penetração de uma broca em rochas carbonáticas, compreendendo basicamente um fluido de perfuração aquoso composto de agentes de viscosidade, controladores de filtrado, inibidores de inchamento de argila, alcalinizantes, lubrificantes, adensantes e água, tendo adicionado um sal catiônico de ácido poliaminocarboxílico, preferencialmente, o sal potássico do ácido di-etileno triamino penta-acético, com a finalidade de atuar como aditivo químico de caráter quelante para dissolução de carbonato de cálcio.

[0014] Apesar de esse documento mencionar uma composição compreendendo basicamente um fluido de perfuração aquoso para emprego em rochas carbonáticas, a referida composição emprega como ácido, um sal catiônico de ácido poliaminocarboxílico. No entanto, o referido documento não cita ou sugere o emprego dos ácidos indicados na presente invenção, nem muito menos descreve o preparo de um fluido de perfuração de base sintética com solução aquosa ácida emulsionada em parafina, mediante o emprego de minúsculas gotas de solução ácida dispersas na parafina.

[0015] A busca pelo aumento da taxa de penetração, até o presente momento, tem sido feita mediante soluções para o fluido de perfuração como acima indicado, também se resume à busca de alternativas envolvendo a escolha de brocas e parâmetros operacionais (rotação e peso sobre broca). No entanto, resultados significativos até o momento ainda não foram alcançados, de modo a superar os problemas mencionados, e que venham a promover de forma vantajosa e económica um aumento satisfatório da taxa de penetração nas operações de perfuração das reservas do pré-sal.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0016] Refere-se a presente invenção a uma composição de fluido de perfuração que compreende uma solução aquosa de pH ácido emulsionada em óleo e seu uso na perfuração de poços de petróleo e gás.

[0017] A composição de fluido de perfuração compreende uma base oleosa e uma solução aquosa de pH ácido emulsionada nesta base. Mais especificamente, tal composição compreende minúsculas gotas de solução ácida dispersas em uma base parafínica.

[0018] Adicionalmente, a composição de fluido de perfuração pode conter aditivos viscosificantes, modificadores Teológicos, controladores de filtrado, material de combate à perda de circulação, sais inorgânicos, adensantes, agentes tensoativos, agentes preventores de corrosão e agentes sequestrantes de gases ácidos.

[0019] A composição de fluido de perfuração é apíicável na aceleração de perfuração de rochas selecionadas dentre carbonática, dolomítica, arenitos.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0020] A presente invenção poderá ser mais bem entendida a partir dos desenhos que ilustram o método de aumento da taxa de penetração em formações reativas a ácido, mediante o emprego de solução aquosa de pH ácido emulsionada em óleo , em que:

- A Figura 1 - É um esquema representativo de uma emulsão ácida água/óleo;

- A Figura 2 - É um exemplo de micrografia da emulsão da presente invenção, preparada para ensaios testes;

- A Figura 3 - É uma fotomicrografia da superfície de rocha carbonática antes do ataque ácido;

- A figura 4 - É uma fotomicrografia da superfície de rocha carbonática após ataque ácido;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0021] Refere-se a presente invenção a uma composição de fluido de perfuração que compreende uma solução aquosa de pH ácido emulsionada em óleo, com a capacidade de aumentar a taxa de penetração e, consequentemente, reduzir o tempo de perfuração de poços de óleo e gás, pelo uso da solução ácida emulsionada.

[0022] A fim de solucionar e minimizar as dificuldades apontadas do estado da técnica buscou-se formular um fluido de perfuração que compreende uma base oleosa e uma solução aquosa de pH ácido emulsionada em base oleosa sem componentes alcalinos. Mais especificamente, o fluido compreende minúsculas gotas de solução ácida dispersas em parafina.

[0023] Em geral, para o controle do pH dos fluidos de perfuração, tanto de base aquosa quanto de base não aquosa, emprega-se componentes alcalinos, como hidróxido de sódio (soda cáustica), hidróxido de cálcio (cal) entre outros, os quais visam manter o pH do fluido em pH básico, normalmente acima de 9. Tais componentes foram suprimidos das formulações propostas nesta invenção de forma a permitir que o pH da fase aquosa dos fluidos esteja ácido, ou seja, inferior a 7.

[0024] O fluido de base não aquosa sintética apresenta como base principal um óleo sintético. É o tipo de fluido atualmente mais utilizado em plataformas de perfuração offshore, já que possue propriedades semelhantes a dos fluidos à base de óleo, porém seus vapores apresentam graus de toxicidade inferiores. Esse fato é de grande relevância no caso de manuseio em espaços fechados, como normalmente ocorre em plataformas de perfuração offshore, tal como em produções do pré-sal.

[0025] As emulsões ácidas, conforme representadas na figura 1 , podem ser particularmente utilizadas em sondas de perfuração para auxiliar na perfuração de rochas que sejam reativas ao ácido, particularmente as rochas carbonáticas. Exemplos de rochas que podem reagir com ácido e apresentam cenários favoráveis para a utilização do fluido de perfuração da presente invenção são as rochas carbonáticas e a rochas dolomíticas.

[0026] Podem ser feitas, da mesma forma, adaptações na composição que envolvem variações nos tipos de ácidos minerais e orgânicos, além de variações nas concentrações dos mesmos emulsionados para a sua utilização em arenitos. Para isto, deve-se utilizar ácido fluorídrico (HF) e avaliar a estabilidade da emulsão.

[0027] A solução ácida emulsionada da presente invenção, ao passar pelos jatos da broca durante a circulação do fluido no poço, entra em contato com a rocha e reage com esta, solubiiizando-a e contribuindo para o avanço mais rápido da broca. Sabe-se de ensaios realizados em laboratório, que o fluido não reage com as rochas carbonáceas, se estiver em repouso, permitindo, portanto o controle da perfuração.

[0028] Como o fluido empregado na aplicação da presente invenção é composto por minúsculas gotas de solução ácida dispersas em parafina, um fator importante no controle da referida aplicação envolve o controle do tamanho das gotas da solução ácida emulsionada. Os tamanhos das gotas de solução emulsionada podem ser ajustados de acordo com o tipo de emulsificante empregado, com o pH da solução aquosa e/ou com a adição de outros componentes, tais como, partículas sólidas, sais solúveis ou surfactantes. Outros elementos de ajuste são a razão água/óleo, a intensidade da agitação ou escoamento, a temperatura e a pressão.

[0029] São componentes opcionais do fluido de perfuração, de acordo com a necessidade operacional, e que realizam funções específicas: agentes anticorrosivos, agentes sequestrantes de gases ácidos, tais como H2S e CO2, modificador reológico, sais inorgânicos, mistura de ácidos e sistema tampão de PH.

[0030] O emprego de agentes anticorrosivos é importante para proteger a coluna e demais componentes do circuito de circulação do fluido. Da mesma forma, e particularmente para fins de preservação ecológica, é aconselhável o emprego de agente sequestrante de sulfeto de hidrogénio - H₂S, para evitar a liberação deste gás tóxico na atmosfera.

[0031] O modificador reológico é empregado para alterar as propriedades reológicas do fluido e permitir que este execute apropriadamente as suas funções na remoção do cascalho gerado.

[0032] Pode ser opcionalmente adequada a mistura de mais de um tipo de ácido, que poderá contribuir em alguns cenários para o aumento da velocidade da reação dada a heterogeneidade das formações.

[0033] A utilização de sistemas tampão para pH ácido é feita para a utilização de grande quantidade de ácido sem que este esteja disponível apenas para a reação inicial. Desta forma, à medida que o ácido é consumido, mais ácido é liberado da solução mantendo assim o pH quase constante por um intervalo de tempo maior.

[0034] A forma de aplicação do ácido pode envolver, mas não se limita à:

- Utilização de coluna de perfuração convencional com jatos de broca;

- Utilização de tubos flexíveis (conhecidos comumente como flex-tubes) ou recobertos por material inerte a ácido (coiled tubes);

- Utilização de colunas com geradores de ultrassom;

- Utilização de coluna de perfuração com circulação reversa;

- Utilização de coluna de perfuração recoberta com material resistente a ácido;

[0035] No que se refere às variáveis a serem controladas, o tamanho das gotículas vai depender basicamente do ácido que está sendo empregado, da relação fase aquosa/fase óleo, do agente emulsionante, da temperatura e do grau de agitação.

[0036] Podem ser empregadas emulsões nas quais os tamanhos das gotículas podem variar entre 10 nm e 1 mm. O controle do tamanho das gotas é fundamental, pois a reação da fase do ácido com a rocha ocorre durante o breve contato da fase aquosa com a superfície. Assim, o processo é promovido pela colisão da gotícula contra a superfície sólida. Se as gotas forem muito pequenas (sub-nanométricas) o cisalhamento requerido para seu contato com a rocha pode ser muito elevado e inviabilizar o efeito de ganho de taxa. Por outro lado, não se espera que gotículas muito grandes gerem emulsões estáveis.

[0037] Outro fator importante para a aplicação da presente invenção consiste na escolha do ácido a ser empregado no fluido emulsionado, o que vai depender basicamente da análise das formações, ou seja, do tipo e dureza da rocha que se pretende perfurar, bem como das condições da perfuração.

[0038] Podem ser empregadas quaisquer substâncias conhecidas como ácidos de Bronsted-Lowry, ou seja, substâncias que possam ceder prótons. Estão, portanto, incluídos como ácidos, que permitem a aplicação da presente invenção, tanto os ácidos monopróticos, como o HCI, quanto os polipróticos, como o H₂SO .

[0039] A lista abaixo visa exemplificar, mas não esgota totalmente os possíveis ácidos que podem ser utilizados e que são capazes de atuar para a aplicação da presente invenção: Ácido Bórico; Ácido Carbónico; Ácido metanossulfônico; Ácido Clorídrico; Ácido Nítrico; Ácido Sulfúrico; Ácido Fosfórico; Ácido Fluorídrico; Ácido Bromídrico; Ácido Crômico; Ácido Fórmico; Ácido Acético; Ácido Málico; Ácido Cítrico; Ácido Tartárico; Ácido Ascórbico; e Ácido Perclórico.

[0040] Logo, o ácido a ser escolhido e particularmente a força do ácido utilizado na aplicação da presente invenção vai depender tanto das condições operacionais como do ácido utilizado. No entanto, espera-se que quanto mais forte for o ácido, mais efetivo será o ganho na taxa de penetração.

[0041] Dentre as variáveis da aplicação que influenciam no controle e/ou incremento da velocidade de reação, é particularmente relevante o tipo de substância orgânica da fase contínua, pois está diretamente correlacionado com o tipo de ácido a ser escolhido e o tamanho das gotículas do fluido emulsionado. A fase contínua na presente invenção é constituída por um fluido hidrofóbico, escolhido dentre, pelo menos um, de n-parafinas, iso-parafinas, olefinas, ésteres, óleos minerais ou óleos vegetais.

[0042] Como emulsificantes, podem ser utilizadas quaisquer substâncias que diminuam a tensão interfacial entre a solução ácida e a fase hidrofóbica contínua ou que favoreçam a estabilização da emulsão por efeitos cinéticos.

[0043] O tipo de emulsificante empregado na aplicação da presente invenção pode ser tanto não iônico, catiônico, aniônico ou anfotérico. Como exemplos de emulsificaníes preferenciais da presente invenção, são citados de forma não exaustiva, os alquilbenzenosulfonatos, os alquilcarboxilatos, os cátions quaternários de amónio, os poiifosfatos, os ácidos graxos de cadeia longa, dentre outros.

[0044] Embora se constituindo em um dos parâmetros de controle da velocidade de reação para os quais deve ser dada atenção, o controle da temperatura de atuação é relevante, mas não é limitante. Apenas é importante que seja considerado o efeito da temperatura na estabilidade da emulsão e de seus componentes para evitar a degradação e/ou quebra da emulsão (separação de fases).

[0045] Da mesma forma que o controle da temperatura, a razão água/óleo é importante para ser monitorada, mas não é iimitante do processo, desde que a fase contínua continue sendo a fase óleo e tenha estabilidade às condições em que essa relação será submetida no poço. São apresentados a seguir, alguns resultados de testes executados com o fluido proposto em contato com rochas carbonáticas, realizados em escala de bancada. Os fluidos foram preparados e testados com relação à sua estabilidade físico-química, apresentando boa estabilidade.

EXEMPLO

[0046] Foram preparadas diversas formulações de emulsões ácidas com variação dos componentes principais e forma de preparação para avaliar a efetividade do ataque do ácido emulsionado à rocha carbonática. Seguem resultados de experimentos que exemplificam a efetividade da reação de dois ácidos emulsionados com amostras de rocha carbonática.

[0047] Para avaliar a eficiência dos ataques ácidos, foram usados tarugos de mármore, com dimensões bem conhecidas e de uma mesma amostra. Os tarugos foram deixados em contato com as emulsões preparadas e foram seguidos protocolos experimentais, onde o tempo de contato, a temperatura e velocidade de agitação feita em um aparelho do tipo turrax foram bem estabelecidos e controlados. Neste caso o turrax foi utilizado como indutor para promover o impacto das gotas aquosas contra a superfície de mármore.

[0048] A variação de massa, causada pelo ataque ácido na face exposta da amostra, foi determinada, gravimetricamente, com precisão de cerca de 0,0001 g. Os experimentos para uma determinada condição foram realizados em triplicatas.

[0049] No exemplo a seguir, apresenta-se um histograma comparativo do efeito de corrosão do carbonato em oito diferentes condições. Foram empregadas emulsões de ácido clorídrico sob temperatura de 23°C e rotação de 90 rpm, de 60°C e rotação de 90 rpm, de 23°C e rotação de 220 rpm e de 60°C e rotação de 220 rpm.

[0050] Da mesma forma, foram empregadas comparativamente emulsões de ácido metanossulfônico sob temperatura de 23°C e rotação de 90 rpm, de 60°C e rotação de 90 rpm, de 23°C e rotação de 220 rpm e de 60°C e rotação de 220 rpm.

[0051] Os dados obtidos com o emprego de tais emulsões acham-se indicados na tabela a seguir.

60°C 220 rpm 0,5 60°C 220 rpm ! 0,2

[0052] Na tabela anterior, pode-se observar que as variações de massa foram mais significativas quando do emprego do ácido clorídrico, notadamente sob temperatura de 60°C, como também à temperatura de 23°C, ambas sob rotação de 220 rpm, se comparadas com os demais preparados com ácido clorídrico e todas as preparações empregando o ácido metanossulfônico. A variação percentual de massa ocorreu em uma faixa de variação de 0,07% a 0,5%, acarretando um aumento de 20% na taxa de penetração.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Composição de fluido de perfuração caracterizada por compreender uma base oleosa sintética e uma solução aquosa de pH ácido emulsionada nesta base, sem componentes alcalinos.

2. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por a solução aquosa de pH ácido ser gotículas de solução ácida e compreender tamanho variável entre 10 nm e 1 mm.

3. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por os tamanhos das gotículas serem ajustados de acordo com o tipo de emulsionante empregado, com o pH da solução aquosa e/ou com a adição de outros componentes.

4. Composição de fluido de perfuração, de acordo com as reivindicações 2 e 3, caracterizada por os elementos de ajuste dos tamanhos das gotículas da solução emulsionada serem a razão água/óleo, a intensidade da agitação ou escoamento, a temperatura e a pressão.

5. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por serem empregados ácidos de Bronsted-Lowry, selecionados entre ácidos monopróticos ou polipróticos ou misturas dos mesmos, que sejam capazes de ceder prótons.

6. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por o ácido ser um ácido forte e poder ser um ou uma combinação de ácidos, selecionado do grupo: Ácido Bórico_; Ácido Carbônico_; Ácido Metanossulfônico Ácido Clorídrico; Ácido Nítrico; Ácido Sulfúrico; Ácido Fosfórico; Ácido Fluorídrico; Ácido Bromídrico; Ácido Crômico; Ácido Fórmico; Ácido Acético; Ácido Málico; Ácido Cítrico; Ácido Tartárico; Ácido Ascórbico; e Ácido Perclórico.

7. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por a base oleosa ser selecionada entre n-parafinas, iso- parafinas, olefinas, ésteres, óleos minerais e óleos vegetais .

8. Composição de fluido de perfuração, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por ter componentes opcionais, tais como, agentes anticorrosivos, agente sequestrante de gases ácidos, modificador reoiógico, sais inorgânicos, mistura de ácidos e sistema tampão para a manutenção constante do pH.

9. Uso do fluido de perfuração conforme descrito nas reivindicações de 1 a 8 caracterizado por ser aplicável na aceleração de perfuração de rochas selecionadas dentre carbonática, dolomítica, arenitos.