ES2239670T3

ES2239670T3 - Composicion lubricante biodegradable y sus aplicaciones, en particular en un fluido de perforacion.

Info

Publication number: ES2239670T3
Application number: ES01929715T
Authority: ES
Inventors: Bertrand Genuyt; Michel Janssen; Rene Reguerre; Jan Cassiers; Francois Breye
Original assignee: TotalFinaElf France SA
Current assignee: Total Marketing Services SA
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2005-10-01
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: EP1282675B1; WO2001083640A1; CA2407842A1; AU2001256415A1; EA005587B1; DE60109597T2; US20040014616A1; FR2808534A1; EA200201169A1; BR0110544B1; ATE291610T1; CA2407842C; NO20025237D0; US7071150B2; BR0110544A; NO20025237L; PT1282675E; NO331552B1; EP1282675A1; DE60109597D1

Abstract

Composición lubricante biodegradable, a base de aceite mineral hidrocarbonado y de éster, caracterizada por comprender una cantidad principal, comprendida entre el 95 y el 60% en peso, de un corte mineral hidrocarbonado sustancialmente exento de compuestos aromáticos, presentando este corte un contenido en parafinas normales inferior o igual al 10% en peso y un contenido en isoparafinas superior o igual al 35% en peso, y una cantidad secundaria, comprendida entre el 5 y el 40% en peso, de al menos un éster de ácido graso.

Description

Composición lubricante biodegradable y sus aplicaciones, en particular en un fluido de perforación.

La presente invención se refiere a una composición lubricante biodegradable, destinada preferentemente a ser incorporada como fase aceite de alto poder lubricante en un fluido o lodo de perforación, comprendiendo dicha composición un corte mineral hidrocarbonado sustancialmente exento de compuestos aromáticos mezclado con un éster de ácido graso. La invención también se refiere a la utilización de esta composición como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación petrolero en emulsión inversa, que se adapta particularmente bien a las perforaciones llamadas "extracosteras" en aguas profundas, y/o a las perforaciones desviadas o en ángulo con la vertical.

Ciertas obras, como las grandes obras de ingeniería civil, requieren siempre grandes cantidades de lubricantes que son susceptibles de ser parcialmente arrojados al medio ambiente. Esto es lo que ocurre, principalmente, con los fluidos de perforación.

La perforación ha ocupado un lugar primordial en la explotación petrolera y, en la actualidad, las perforaciones son cada vez más profundas. Su tecnología evoluciona mucho, tanto en tierra como en los fondos marinos, sobre todo en lo que se denomina la extracción extracostera profunda, o más recientemente, en las perforaciones horizontales o desviadas, donde, por medio de inclinaciones sucesivas de uno o dos grados, la trayectoria del pozo se curva, lo que permite alcanzar desvíos horizontales al menos superiores a un kilómetro o incluso a más de diez kilómetros, con respecto a la cabeza del pozo. Por consiguiente, las fuerzas de fricción que se ejercen son cada vez mayores, de ahí la gran importancia que están adquiriendo las propiedades lubricantes del fluido de perforación.

De manera conocida, la técnica de perforación utiliza un trépano fijado en el extremo del varillaje, que, accionado en rotación, abre el pozo triturando las rocas. A medida que la perforación va progresando, se utilizan trépanos de diámetro cada vez más pequeño y, en cada etapa, el pozo se consolida por medio de un tubo de acero llamado tubería de revestimiento, que se introduce dentro del agujero y se fija con cemento. Durante la perforación, se pone en circulación un fluido de perforación que se inyecta en el trépano, se expulsa en la zona de contacto con la roca y se hace subir hasta la cima del pozo por el espacio anular que separa el varillaje de la tubería de revestimiento.

Este fluido cumple las funciones principales siguientes:

-: enfriamiento del trépano,

-: disminución de las fuerzas de fricción metal-metal, entre la tubería de revestimiento y el varillaje, y de las fuerzas de fricción metal-roca, tanto a nivel del trépano como en la zona anular, ya que el fluido sube cargado de partículas de roca triturada, llamadas virutas en el estado de la técnica,

-: evacuación de los fragmentos de roca hacia el exterior,

-: creación de una presión en las paredes del agujero, para impedir que se derrumben, y

-: equilibrado de las presiones entre el fondo del pozo y la superficie, con el fin de mantener el control del pozo y evitar una explosión (en inglés, "blow out").

En el caso de las perforaciones "extracosteras" en aguas profundas, las temperaturas a las que suele estar el agua, alrededor de 4 a 5ºC, requieren un buen control de la viscosidad de los fluidos de perforación a esas bajas temperaturas.

En el pasado se utilizaron diferentes tipos de fluidos o lodos de perforación, como los fluidos de base agua, compuestos por agua y aditivos para aumentar la viscosidad, los fluidos de base aceite y las emulsiones de tipo agua en aceite o de tipo aceite en agua, como se describe principalmente en la patente US No. 2.816.073. Esta última indica que la fase aceite puede estar constituida por diferentes fracciones hidrocarbonadas, como cortes queroseno y gasóleos y cortes petroleros fuertemente alquilados y ramificados. Desafortunadamente, se sabe que estos cortes petroleros suelen tener un alto contenido en compuestos aromáticos y su utilización ha demostrado presentar altos riesgos de toxicidad, sobre todo para la vida marina, si se decide arrojarlos al mar, en el caso de las perforaciones "extracosteras".

También se han utilizado cortes petroleros de bajo contenido en compuestos aromáticos, pero resultaron ser poco biodegradables.

La sedimentación de cantidades importantes de estos productos en los fondos marinos ha llevado a los países ribereños a adoptar legislaciones cada vez más estrictas, que obligan a los operarios de las perforaciones petroleras "extracosteras" a buscar productos lo más biodegradables y no tóxicos posible. Esto es lo que ocurre, principalmente, en el Mar del Norte.

Así, en la patente EP No. 0 667 890 se ha propuesto un fluido de perforación que tiene una fase aceite continua, formada por una mezcla de n-alcanos que presentan entre 10 y 20 átomos de carbono, esencialmente exento de otros tipos de hidrocarburos. Desafortunadamente, se constata que este fluido tiene un punto de fluidez demasiado elevado para ser utilizado en una zona de baja temperatura (<5ºC).

También se ha propuesto utilizar en fluidos de perforación en emulsión inversa, como fase aceite o como fracción preponderante de la fase aceite, compuestos biodegradables, como los ésteres de tipo triglicéridos de ácidos grasos de origen vegetal o animal. Sin embargo, se ha constatado que estos productos presentan el gran inconveniente de ser muy sensibles a la hidrólisis, lo que supone modificaciones indeseables de la viscosidad de las emulsiones.

También se han intentado desarrollar otros ésteres menos sensibles. Concretamente, se propusieron ésteres a base de ácidos monocarboxílicos saturados (principalmente en C12-C14) o insaturados y de alcoholes monofuncionales, cuya utilización en lodos de perforación en emulsión inversa ha sido descrita, principalmente, en las patentes EP Nos. 0 374 671, 0 374 672 y 0 386 636. No obstante, estos compuestos siguen siendo sensibles a la hidrólisis, sobre todo en condiciones de temperatura elevada, en particular superior a aproximadamente 160ºC, que se dan durante la perforación de la roca, en las perforaciones "extracosteras" profundas.

También se pueden utilizar, mezclados con los compuestos anteriores, otros compuestos sintéticos, como las PAO (polialfaolefinas) o las LAO (alfa olefinas lineales), que se obtienen mediante la oligomerización de olefinas. Desafortunadamente, estos compuestos solos presentan una biodegradabilidad pésima, especialmente anaeróbica. Por otro lado, la utilización de todos estos productos sintéticos aumenta de manera considerable el precio de coste de los fluidos de perforación así formulados.

La Solicitante ha establecido que, de manera sorprendente, es posible obtener una composición lubricante, susceptible de ser utilizada principalmente como fase aceite de un fluido de perforación, que presenta propiedades reológicas y un poder lubricante bien adaptados a las duras condiciones de utilización de este fluido, al tiempo que preserva su biodegradabilidad gracias a una mezcla en las proporciones adecuadas de un corte mineral hidrocarbonado prácticamente exento de compuestos aromáticos y con un contenido particular no habitual de parafinas normales e isoparafinas, y de un éster de ácido graso.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en proponer composiciones hidrocarbonadas que establecen un compromiso satisfactorio entre el poder lubricante, la viscosidad y la biodegradabilidad, y en valorizar cortes minerales hidrocarbonados particulares, utilizándolos para obtener una composición lubricante que se incorpora principalmente como fase aceite en un fluido de perforación, a un coste óptimo con respecto al de los fluidos a base de aceites sintéticos.

Para tal fin, la presente invención tiene por objeto una composición lubricante biodegradable, a base de aceite mineral hidrocarbonado y de éster, caracterizada por comprender una cantidad principal, comprendida entre el 95 y el 60% en peso, de un corte mineral hidrocarbonado sustancialmente exento de compuestos aromáticos, presentando este corte un contenido en parafinas normales inferior o igual al 10% en peso y un contenido en isoparafinas superior o igual al 35% en peso, y una cantidad secundaria, comprendida entre el 5 y el 40% en peso, de al menos un éster de ácido graso.

Las ventajas aportadas por una composición de estas características son, por una parte, el ahorro en cuanto al precio de coste de los fluidos de perforación formulados con dicha composición y, por otra parte, el mantenimiento a niveles relativamente bajos del punto de fluidez y de la viscosidad cinemática a baja temperatura (a menos de 5ºC) a la vez que se conserva un buen poder lubricante y buenas propiedades de biodegradabilidad.

Preferentemente, en la composición lubricante según la invención, el corte mineral está formado por hidrocarburos que poseen entre 13 y 16 átomos de carbono, y cuyo intervalo de destilación está comprendido entre 230 y 285ºC. Por otro lado, la composición presenta ventajosamente un contenido en compuestos aromáticos inferior al 0,01% en peso.

Su punto de fluidez (según el método NF T 60105) es ventajosamente inferior o igual a -30ºC, y preferentemente, inferior o igual a -50ºC.

En particular, el corte mineral de la composición según la invención presenta un punto de inflamación (según el método NF M 07019) superior o igual a 100ºC.

Preferentemente, el corte mineral también posee una viscosidad cinemática a 40ºC (según el método NF T 60100) comprendida entre 2,2 y 3 mm^{2}/s y, todavía más ventajosamente, inferior a 2,5 mm^{2}/s.

En una forma de realización preferente de la invención, el corte mineral presenta un intervalo de destilación comprendido entre 230 y 265ºC, está formado por hidrocarburos que poseen entre 13 y 15 átomos de carbono, con un contenido mayoritario de hidrocarburos en C14, y posee un punto de fluidez de -51ºC.

El éster de la composición lubrificante conforme a la invención se puede obtener a partir de ácidos monocarboxílicos saturados o insaturados, que comprenden esencialmente entre 8 y 24 átomos de carbono, y de alcoholes monofuncionales que tienen de 1 a 12 átomos de carbono, y/o de alcoholes polifuncionales que tienen de 2 a 6 átomos de carbono.

El éster utilizado en el marco de la invención se obtiene preferentemente a partir de ácidos grasos de colza y de un alcohol como el 2-etil hexanol.

Según la invención, el éster se introduce en la composición en una cantidad comprendida de preferencia entre aproximadamente el 10 y el 30% en peso.

La composición lubricante según la invención posee una viscosidad cinemática a 40ºC (según el método NF T 60100) comprendida entre 2 y 4,5 mm^{2}/s.

La composición lubrificante, tal como se definió anteriormente, posee un índice de biodegradabilidad anaerobia superior al 30%, medido según la norma ISO 11734.

Un segundo objeto de la invención se refiere a la utilización de la composición lubricante según la invención, como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación en emulsión inversa, representando la fase aceite entre el 60 y el 90% en volumen del fluido de perforación. Este último también contiene otros aditivos habituales, entre los que destacan los emulgentes, los gelificantes y los espesantes. Este fluido de perforación está especialmente indicado para perforaciones "extracosteras" en aguas profundas.

Otro objeto de la invención se refiere a la utilización de la composición lubrificante según la invención, como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación en emulsión inversa, representando la fase aceite entre el 60 y el 90% en volumen del fluido de perforación. Este último también contiene otros aditivos habituales, entre los que destacan los emulgentes, los gelificantes y los espesantes. Este fluido de perforación está especialmente indicado para perforaciones desviadas o en ángulo con la vertical.

Los cortes minerales hidrocarbonados utilizados en la invención son básicamente cortes gasóleos, procedentes del tratamiento por hidrocraqueo de cargas petroleras, habiendo sido sometidos estos cortes gasóleos a una etapa de hidrogenación profunda para eliminar los compuestos aromáticos seguida de un fraccionamiento apropiado. A modo de ejemplos de realización, la Tabla 1 que figura más abajo proporciona ciertas características de tres cortes A, B y C, utilizados en el marco de la invención y los compara con cortes gasóleo desaromatizados habituales D y E.

TABLA 1

1

Los cortes gasóleo A, B y C, que están especialmente indicados para ser utilizados en la composición lubricante según la invención debido a que su punto de fluidez es inferior o igual a -30ºC, presentan un contenido en n-parafinas considerablemente reducido (inferior o igual al 10% en peso), un contenido en isoparafinas elevado (superior o igual al 36% en peso) y un contenido en compuestos aromáticos muy bajo con respecto a otros cortes de gasóleo habituales, como D y E.

Otra ventaja de la utilización de un corte estrecho como el corte A, cuyo análisis cromatográfico en fase gaseosa da principalmente un único pico dominante en C14, es que no se detecta contaminación por el aceite de base que contiene dicho corte, añadido en un lodo de perforación, cuando se analizan por el mismo método cromatográfico muestras de fluidos procedentes de la operación de perforación.

Como se ha indicado anteriormente, los ésteres que se pueden utilizar para obtener la composición lubrificante según la invención se obtienen a partir de ácidos monocarboxílicos saturados o insaturados, que comprenden esencialmente entre 8 y 24 átomos de carbono, y de alcoholes monofuncionales que contienen de 1 a 12 átomos de carbono y/o de alcoholes polifuncionales que tienen de 2 a 6 átomos de carbono.

Como ésteres obtenidos a partir de alcoholes monofuncionales, cabe citar, principalmente, el cocoato de metilo, el oleato de metilo, el oleato de isopropilo, el oleato de n-butilo, el oleato de isobutilo, el estearato de isobutilo, el caprilato de etilhexilo, el caprato de etilhexilo, el cocoato de etilhexilo, el oleato de etilhexilo, el linoleato de etilhexilo, el adipato de etilhexilo, el sebacato de etilhexilo, el adipato de n-octilo, o las mezclas de estos compuestos. Como ésteres obtenidos a partir de alcoholes polifuncionales, cabe señalar preferentemente el octanoato de hexanodiol y el di-2-etilhexanoato de hexanodiol.

Todos estos ésteres presentan viscosidades cinemáticas a 40ºC comprendidas entre 1 y 12 mm^{2}/s (1 a 12 cSt).

Uno de los ésteres que se puede utilizar ventajosamente para realizar la composición lubricante, consiste en una mezcla de ésteres obtenidos por reacción del 2-etil hexanol con ácidos grasos extraídos del aceite de colza (entre los que se encuentran principalmente el ácido oleico y el ácido linoleico), que se comercializa con el nombre de
Finagreen ® BDMF por la Empresa TOTALFINA.

Sus principales características son las siguientes:

-: viscosidad cinemática a 40ºC: entre 6 y 8 mm^{2}/s (según el método DIN 51562),

-: punto de fluidez: < -30ºC (según el método ASTM D97-87),

-: punto de inflamación: > 150ºC (según el método ASTM D92).

Se sabe que los cortes minerales hidrocarbonados muy desaromatizados (sobre todo los gasóleos) ven disminuir su poder lubrificante. Por lo tanto, se ha constatado con interés que la introducción de aproximadamente un 30% en peso de ésteres, como el Finagreen ® BDMF, en los cortes A, B y C permite reducir las fuerzas de fricción de las composiciones lubricantes así obtenidas en aproximadamente un 30%.

En la Tabla 2 se presentan las medidas de variación de la viscosidad cinemática en función de la temperatura, por una parte, de los cortes A y E y, por otra parte, de una mezcla compuesta en un 70% en peso de dichos cortes y en un 30% en peso del éster Finagreen ® BDMF.

TABLA 2

2

Estos valores indican que la viscosidad de la mezcla Corte A + éster pasa de 3 mm^{2}/s a 40ºC a 8,4 mm^{2}/s a 0ºC. Esto demuestra perfectamente que la mezcla según la invención posee propiedades reológicas adaptadas a las bajas temperaturas de utilización en las perforaciones en aguas profundas, ya que el umbral máximo de viscosidad cinemática a 0ºC de temperatura, para un aceite de fluido de perforación, debe ser inferior a 10 mm^{2}/s.

Por otra parte, con mezclas del corte mineral A y del éster Finagreen ® BDMF, este último añadido en diferentes porcentajes, se realizaron ensayos de biodegradabilidad anaerobia después de 60 días, según la norma ISO 11734 (calidad del agua-evaluación de la biodegradabilidad anaerobia "final" de los compuestos orgánicos en los lodos de digestores), expresándose sucesivamente el porcentaje de degradabilidad por comparación con una sustancia de referencia, el benzoato de sodio, y con la celulosa.

Los resultados se presentan en la Tabla 3 que figura más abajo.

TABLA 3

% de éster en la mezcla	% de biodegradabilidad/benzoato de sodio	% de biodegradabilidad/celulosa
10	24	38,5
30	32	51,4
50	38	61
100	60	96,3

Para que resulte más claro, los resultados recogidos en las Tablas 2 y 3 se ilustran por medio de los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 presenta un conjunto de curvas que ilustran las variaciones de la viscosidad en función de la temperatura de la Tabla 2;

La figura 2 presenta curvas que ilustran los resultados de biodegradabilidad anaerobia de la Tabla 3.

En esta figura 2, la curva superior representa el porcentaje de conversión de la composición lubricante en comparación con la celulosa y la curva inferior se refiere al porcentaje de conversión en comparación con el benzoato de sodio.

Se constata que introduciendo un 30% de éster en la mezcla con el corte mineral, se obtiene un índice de biodegradabilidad del 32%, que es más o menos la mitad del del éster puro, pero que es muy superior al del corte mineral puro (en torno al 6%).

Por debajo de aproximadamente un 5% de éster en la mezcla, el índice de biodegradabilidad de la composición es inferior al 20%, lo que resulta demasiado bajo.

Por encima de aproximadamente un 30% de éster en la mezcla, lo que hace que una composición de estas características sea menos atractiva es el precio de coste demasiado alto.

A modo de ejemplo de utilización de la composición lubricante según la invención, como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación en emulsión inversa, para perforaciones "extracosteras" en aguas profundas, una formulación de lodo adecuado sería la siguiente:

- Composición lubricante: 500 a 600 ml,

- Emulgente 1: 20 a 30 ml,

- Emulgente 2: 10 a 20 ml,

- Salmuera: 250 a 300 ml,

- Cal: 5 a 15 g,

- Gelificante: 10 a 20 g,

- Espesante: 100 a 600 g.

También se puede prever la utilización de esta composición lubrificante en un lodo de perforación base agua, en la que dicha composición se introduce en una cantidad del 5% en volumen.

Claims

1. Composición lubricante biodegradable, a base de aceite mineral hidrocarbonado y de éster, caracterizada por comprender una cantidad principal, comprendida entre el 95 y el 60% en peso, de un corte mineral hidrocarbonado sustancialmente exento de compuestos aromáticos, presentando este corte un contenido en parafinas normales inferior o igual al 10% en peso y un contenido en isoparafinas superior o igual al 35% en peso, y una cantidad secundaria, comprendida entre el 5 y el 40% en peso, de al menos un éster de ácido graso.

2. Composición lubricante, según la reivindicación 1, caracterizada porque el corte mineral está formado por hidrocarburos que tienen entre 13 y 16 átomos de carbono, y cuyo intervalo de destilación está comprendido entre 230 y 285ºC.

3. Composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el corte mineral tiene un contenido en compuestos aromáticos inferior al 0,01% en peso.

4. Composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el corte mineral presenta un punto de fluidez (según el método NF T 60105) inferior o igual a -30ºC, y preferentemente, inferior o igual a -50ºC.

5. Composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el corte mineral presenta un punto de inflamación (según el método NF M 07019) superior o igual a 100ºC.

6. Composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el corte mineral tiene una viscosidad cinemática a 40ºC (según el método NF T 60100) comprendida entre 2 y 4,5 mm^{2}/s y, preferentemente, inferior o igual a 2,5 mm^{2}/s.

7. Composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el corte mineral presenta un intervalo de destilación comprendido entre 230 y 265ºC, está formado por hidrocarburos que tienen entre 13 y 15 átomos de carbono, con un contenido mayoritario de hidrocarburos en C14, y tiene un punto de fluidez de -51ºC.

8. Composición lubricante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el éster se obtiene a partir de ácidos monocarboxílicos saturados o insaturados, que comprenden esencialmente entre 8 y 24 átomos de carbono, y de alcoholes monofuncionales que tienen de 1 a 12 átomos de carbono, y/o de alcoholes polifuncionales que tienen de 2 a 6 átomos de carbono.

9. Composición lubricante según la reivindicación 8, caracterizada porque el éster se obtiene a partir de ácidos grasos de colza y de un alcohol como el 2-etil hexanol.

10. Composición lubricante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el éster se introduce en la composición en una cantidad comprendida entre aproximadamente el 10 y el 30% en peso.

11. Composición lubricante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por tener una viscosidad cinemática a 40ºC (según el método NF T 60100) comprendida entre 2,2 y 3 mm^{2}/s.

12. Composición lubricante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por tener un índice de biodegradabilidad anaerobia superior al 30%, (según la norma ISO 11734).

13. Utilización de la composición lubricante según una de las reivindicaciones anteriores, como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación en emulsión inversa, principalmente de lodos para perforaciones "extracosteras" en aguas profundas, representando la fase aceite entre el 60 y el 90% en volumen del fluido de perforación, conteniendo también este último otros aditivos habituales, entre los que destacan los emulgentes, los gelificantes y los espesantes.

14. Utilización de la composición lubricante según una de las reivindicaciones 1 a 12, como fase continua aceite de un fluido o lodo de perforación en emulsión inversa, principalmente de lodos para perforaciones desviadas o en ángulo con la vertical, representando la fase aceite entre el 60 y el 90% en volumen del fluido de perforación, conteniendo también este último otros aditivos habituales, entre los que destacan los emulgentes, los gelificantes y los espesantes.