WO2019129792A1 - Additif lubrifiant solide - Google Patents

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WO2019129792A1
WO2019129792A1 PCT/EP2018/086887 EP2018086887W WO2019129792A1 WO 2019129792 A1 WO2019129792 A1 WO 2019129792A1 EP 2018086887 W EP2018086887 W EP 2018086887W WO 2019129792 A1 WO2019129792 A1 WO 2019129792A1
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WO
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weight
lubricating
lubricant additive
fatty acid
aqueous drilling
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PCT/EP2018/086887
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Inventor
Sébastien BARREAU
Marine FOUQUET
Dirk Packet
Original Assignee
Oleon Nv
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10M169/00—Lubricating compositions characterised by containing as components a mixture of at least two types of ingredient selected from base-materials, thickeners or additives, covered by the preceding groups, each of these compounds being essential
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C10M2207/125—Carboxylix acids; Neutral salts thereof having carboxyl groups bound to acyclic or cycloaliphatic carbon atoms having hydrocarbon chains of eight up to twenty-nine carbon atoms, i.e. fatty acids
    • C10M2207/126—Carboxylix acids; Neutral salts thereof having carboxyl groups bound to acyclic or cycloaliphatic carbon atoms having hydrocarbon chains of eight up to twenty-nine carbon atoms, i.e. fatty acids monocarboxylic
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    • C10M2215/04—Amines, e.g. polyalkylene polyamines; Quaternary amines having amino groups bound to acyclic or cycloaliphatic carbon atoms
    • C10M2215/042—Amines, e.g. polyalkylene polyamines; Quaternary amines having amino groups bound to acyclic or cycloaliphatic carbon atoms containing hydroxy groups; Alkoxylated derivatives thereof
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    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2215/00—Organic non-macromolecular compounds containing nitrogen as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2215/08—Amides

Definitions

  • the present invention relates to the field of drilling oil or gas wells and relates to a lubricant additive and an aqueous drilling mud comprising it, to their use, as well as to a process for preparing an aqueous drilling mud.
  • An aqueous drilling mud is used when drilling an oil or gas well.
  • the sludge is injected at high pressure, inside a rod until it reaches the drill bit (at the end of the stem), from where the mud rises to the surface of the well through space annular located between the stem and the wall of the well, bringing with it the cuttings.
  • the sludge is filtered and optionally treated in order to readjust its physico-chemical characteristics before being reinjected into the well.
  • the drilling mud thus serves to remount the cuttings or drilled materials, but also to maintain the wall and protect the drilling equipment, that is to say, cool and lubricate the rod and the rotary drilling tool so avoid rapid wear of metal parts, especially moving metal parts.
  • An aqueous drilling mud generally comprises at least one clay and / or a polymer in water.
  • a lubricating additive is generally added to the aqueous drilling mud.
  • EP 0713909 discloses a lubricant composition
  • a lubricant composition comprising an ester and an acid, in particular a fatty acid ester and a fatty acid.
  • Liquid lubricating additives have the disadvantage of solidifying at low temperatures. However, in areas where the temperature can reach low temperatures such as -40 ° C, their use then requires an installation for heating the lubricant additive to maintain it in liquid form, to ensure its stability and to be able to take more easily the amount needed to add to the sludge. This additional installation generates an additional cost.
  • U.S. Patent 4,802,998 discloses a lubricant additive in powder form for aqueous drilling fluids, obtained by mixing highly dispersed silica with a or more particular esters.
  • the invention therefore relates to a lubricant additive comprising:
  • the fatty acid A1 is saturated and has between 16 and 18 carbon atoms; the fatty acid A2 is saturated and has between 18 and 22 carbon atoms; the percentages by weight being expressed relative to the weight of the lubricant additive.
  • the fatty acids A1 and A2 which may be identical (C18), are linear or branched, preferably linear.
  • the polyol is a compound substituted by at least two, preferably at least three, hydroxyl (OH) groups.
  • the polyol is pentaerythritol.
  • the hydroxyl number is preferably greater than or equal to 75, more preferably greater than or equal to 90.
  • the fatty acid ester A1 and polyol suitable for the present invention is partially esterified.
  • the fatty acid ester A1 and polyol is pentaerythritol stearate.
  • the aminoalcohol of the fatty acid aminoalcohol salt A2 can be a primary, secondary or tertiary amino alcohol, preferably a tertiary amino alcohol. More preferably, the tertiary aminoalcohol is chosen from the group consisting of: triethanolamine, 2,2-bis (hydroxymethyl) -2,2 ', 2 "-nitrilotriethanol (CAS no: 6976-37-0) and N N, N, N-tetrakis (2-hydroxyethyl) ethylenediamine (CAS nr: 140-07-8)
  • the aminoalcohol may be alkoxylated, such as propoxylated polyol ethylenediamine (CAS RN: 25214-63-5) , methyldiethanolamine (CAS: 105-59-9) and dimethylethanolamine (n 0 CAS: 108-01 -0).
  • the amount of amino acid alcohol salt A2 is between 10 and 25%, more preferably between 15 and 25% by weight relative to the weight of the lubricant additive.
  • the molar ratio aminoalcohol / fatty acid A2 is between 0.6 and 1, 2, preferably between 0.8 and 1, 2, more preferably between 0.9 and 1.1.
  • the nonionic surfactant has an HLB greater than or equal to 8, more preferably still greater than or equal to 10.
  • HLB Hydrophilic-Lipophilic Balance
  • GRIFFIN Hydrophilic-Lipophilic Balance
  • the amount of nonionic surfactant is between 5 and 25%, more preferably between 7 and 20%, more preferably between 9 and 15% by weight relative to the weight of the lubricant additive.
  • nonionic surfactant of HLB greater than or equal to 6
  • the melting point of the lubricant additive is advantageously between 40 and 70 q C.
  • the lubricant additive according to the invention can thus be stored at temperatures below -20 ° C, preferably below -40 ° C, without loss of efficiency.
  • the lubricant additive according to the invention may further comprise a fatty acid amide A3.
  • the fatty acid A3 is saturated or unsaturated, branched or linear, and advantageously comprises between 8 and 22 carbon atoms. It can be identical to the fatty acid A1 and / or A2 fatty acid.
  • the amide can be formed by reaction between a fatty acid and ammonia, a primary or secondary amine, or a primary or secondary aminoalcohol whose osamines.
  • the amide can therefore be primary, secondary or tertiary, preferably primary.
  • the amount of fatty acid amide A3 is at most 55%, preferably at most 40%, more preferably still, between 10 and 41% by weight relative to the total weight of the lubricant additive. .
  • the lubricant additive according to the invention comprises:
  • the fatty acid A1 is saturated and has between 16 and 18 carbon atoms;
  • the fatty acid A2 is saturated and contains between 18 and 22 carbon atoms; the percentages by weight being expressed relative to the weight of the lubricant additive.
  • the fatty acid A1 is saturated and has between 16 and 18 carbon atoms; the fatty acid A2 is saturated and has between 18 and 22 carbon atoms; the percentages by weight being expressed relative to the weight of the lubricant additive.
  • the lubricant additive according to the invention comprises:
  • the fatty acid A1 is saturated and has between 16 and 18 carbon atoms; the fatty acid A2 is saturated and has between 18 and 22 carbon atoms;
  • the fatty acid A3 has between 8 and 22 carbon atoms
  • the fatty acid A1 is saturated and has between 16 and 18 carbon atoms; the fatty acid A2 is saturated and has between 18 and 22 carbon atoms; the fatty acid A3 has between 8 and 22 carbon atoms;
  • the lubricant additive according to the invention is in ground form, in particular in powder form. Powdering of the additive according to the invention can be carried out by any method known to those skilled in the art.
  • the lubricant additive according to the invention can be formulated.
  • the invention therefore also relates to a lubricating powder comprising at least 90% by weight of the lubricant additive according to the invention in powder form, and from 1 to 10% by weight of an anti-caking agent.
  • the amount of anticaking agent is between 2 and 6% by weight, more preferably between 3 and 5% by weight relative to the weight of the lubricating powder.
  • anti-caking agents By way of example of anti-caking agents, mention may be made of silicate of magnesium, magnesium stearate, calcium stearate, calcium silicate and silicon dioxide.
  • the invention also relates to an aqueous drilling mud comprising:
  • the lubricant additive according to the invention or the lubricating powder according to the invention.
  • At least one clay is bentonite, in particular Wyoming-type bentonite.
  • the at least one polymer is selected from the group consisting of partially hydrolysed polyacrylamide (PHPA), xanthan gum and polyanionic cellulose, or a mixture thereof.
  • PHPA partially hydrolysed polyacrylamide
  • xanthan gum xanthan gum
  • polyanionic cellulose or a mixture thereof.
  • the additive according to the invention is particularly suitable for use in aqueous drilling muds.
  • the lubricant additive according to the invention is compatible with an aqueous drilling mud, which means that the lubricant additive disperses in less than 10 minutes, preferably in less than 5 minutes, in a heated aqueous drilling mud at 60 ° C and stirred as illustrated in Example 4).
  • the fatty acids A1 and A2 are selected according to the characteristics and amounts stated in order to regulate the formation of foam (as illustrated in Example 4 and Fig.1).
  • the amount of the lubricating additive or the lubricating powder is between 0.1 and 5% by weight, more preferably between 0.5 and 3% by weight by weight. ratio to the total weight of the aqueous drilling mud.
  • the aqueous drilling mud according to the invention may further comprise other compounds, such as antioxidants and / or salts, such as barium sulfate, and potassium chloride.
  • the invention also relates to a method for preparing the aqueous drilling mud according to the invention comprising a step of adding lubricant additive according to the invention, or of the lubricating powder according to the invention, to a mixture of water , and clay (s) and / or polymer (s).
  • the step of adding lubricant additive according to the invention, or the lubricating powder according to the invention is done with stirring.
  • the invention also relates to the use of lubricant additive according to the invention, or the lubricating powder according to the invention, for improving the lubricating property of an aqueous drilling mud.
  • a method for improving the lubricating property of an aqueous drilling mud comprises a step of adding lubricant additive according to the invention or of the lubricating powder according to the invention, to a mixture of water, and of clay (s) and / or polymer (s).
  • the invention finally relates to the use of the aqueous drilling mud according to the invention in a wellbore.
  • the aqueous drilling mud is used to lubricate the drilling equipment, more particularly the drill head.
  • FIG. 1 comprises two photographs (FIGS. 1A and 1B) representing the formation of foam on the surface of an aqueous drilling mud after addition respectively lubricant additive 1 according to the invention in powder form (Fig.1 A) and comparative lubricant additive in powder form (Fig.1 B).
  • esters of A1 fatty acid and polyol are esters of A1 fatty acid and polyol:
  • pentaerythritol stearate prepared according to a conventional esterification process between stearic acid (CAS No. 67701-03-5) and pentaerythritol (CAS No. 1-15-77-5); hydroxyl number 100
  • polyoxyethylene sorbitan monostearate (20) (CAS no .: 9005-
  • the additives were prepared by mixing with mechanical stirring at dO' ⁇ , the compounds mentioned in Table 1 below and in the amounts indicated. After the heating has stopped, the additives solidify and can be ground into powder form.
  • the melting points of the lubricating additives obtained are between 40 and 70 q C.
  • the melting point of the lubricant additive 1 of the invention is 59 ° C.
  • KCI-bentonite sludge (hereinafter referred to as "KCI-bentonite sludge")
  • bentonite GELCLAY HR 120 from DPMF or API Standard Evaluation Base Clay (Wyoming type bentonites);
  • KCI-PHPA sludge (hereinafter referred to as KCI-PHPA sludge)
  • PHPA partially hydrolysed polyacrylamide
  • KCl - potassium chloride
  • the density of the sludge thus obtained is 1, 14.
  • aqueous drilling muds according to the invention were prepared by adding 2% by weight relative to the weight of the sludge, lubricant additive 1 according to the invention or lubricant additive 2 according to the invention in powder form, prepared in Example 1, each of the KCI-bentonite sludge and KCI-PHPA prepared in Example 3, under mechanical stirring, at a temperature between 55 and 60 q C. Each aqueous drilling mud according to the invention is agitated between 3 and 5 minutes.
  • Comparative aqueous drilling muds were prepared by adding 2% by weight relative to the weight of the sludge, lubricant additive 1 according to the invention or lubricant additive 2 according to the invention in powder form, prepared in Example 1, each of the KCI-bentonite sludge and KCI-PHPA prepared in Example 3, under mechanical stirring, at a temperature between 55 and 60 q C. Each aqueous drilling mud according to the invention is agitated between 3 and 5 minutes.
  • Two comparative aqueous drilling muds were prepared by adding 2% by weight based on the weight of the slurry, comparative lubricant additive in powder form prepared in Example 1, in each of KCI-bentonite and KCI-PHPA sludge. prepared in Example 3, under mechanical stirring, at a temperature between 55 and 60 q C. Each comparative aqueous drilling mud is stirred 15 minutes. c) Dispersion and formation of foam
  • the lubricant additives according to the invention in the form of powder are dispersed in each of the aqueous drilling muds KCI-bentonite and KCI-PHPA in maximum 5 minutes.
  • the comparative lubricating additive in the form of a powder is difficult to disperse in each of the aqueous KCI-bentonite drilling muds. KCI-PHPA.
  • the dispersion is indeed incomplete after 15 minutes, powder being always visible on the surface.
  • a thin layer of foam is formed on the surface of each of KCI-bentonite and KCI-PHPA sludge, as is more particularly illustrated. in Fig.1 A with slurry KCI-PHPA comprising the lubricant additive 1 in powder form.
  • Example 5 Evaluation of the lubricating property of aqueous drilling muds a) Measurement of friction torques and calculation of the coefficients of lubricity
  • a lubricity tester OFITE ® EP (Extreme Pressure) and Lubricity tester # 1 12-00-1 from OFI testing Equipment.
  • aqueous drilling muds comprising a lubricating additive are prepared as in Example 4 by adding the amount of lubricant additive as described in Tables 2 and 3 below.
  • the friction torque measurements are made according to the instructions of the equipment manual of the equipment indicated above, under the standard conditions, ie 150 inch-pounds force and 60 rpm, at a temperature between 55 and 60 ° C.
  • Table 2 KCI-bentonite mud friction pairs comprising different amounts of lubricant additive 1 or 2 according to the invention or comparative additive in powder form
  • Table 3 KCI-PHPA mud friction couples comprising different amounts of lubricant additive 1 or 2 according to the invention or comparative additive in powder form
  • Table 5 Lubricity coefficients of KCI-PHPA sludge comprising different amounts of lubricant additive 1 or 2 according to the invention or comparative lubricant additive
  • aqueous drilling muds as prepared in Example 4 with the difference that they each comprise 3% by weight of lubricant additive in powder form.
  • a roller oven OFITE ® Roller Oven # 172-00-1 -RC 1 from OFI testing Equipment
  • aqueous drilling muds according to the invention and comparative aqueous drilling muds are introduced into the cylindrical cell pressurized to 150 psi.
  • the cell is then placed in the oven for 16 hours at a temperature of 121 q C.
  • the lubricating properties are then evaluated with the lubricity tester different torques or moments of force ranging from 100 to 400 Inch- pounds force.
  • Table 7 Lubricity coefficients of KCI-bentonite and KCI-PHPA sludges comprising 3% by weight of lubricant additive 1 according to the invention or of comparative lubricating additive subjected to different pairs
  • Tables 6 and 7 show the better effectiveness of the lubricant additive 1 according to the invention to improve the lubricating property of an aqueous drilling mud subjected to a temperature of 121 ° C. and at high moments of force varying from 100 to 400 inch-pounds force.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un additif lubrifiant et à une boue de forage aqueuse le comportant, à leur utilisation, ainsi qu'à un procédé de préparation d'une boue de forage aqueuse.

Description

ADDITIF LUBRIFIANT SOLIDE
La présente invention se rapporte au domaine du forage des puits de pétrole ou gaz et concerne un additif lubrifiant et une boue de forage aqueuse le comportant, à leur utilisation, ainsi qu’un à procédé de préparation d’une boue de forage aqueuse.
Une boue de forage aqueuse est utilisée lors de forage d’un puits de pétrole ou de gaz. La boue est injectée à haute pression, à l’intérieure d’une tige jusqu’à atteindre l’outil de forage (à l’extrémité de la tige), d’où la boue remonte vers la surface du puits par l’espace annulaire situé entre la tige et la paroi du puits, entraînant avec elle les déblais. A la sortie du puits, la boue est filtrée et éventuellement traitée afin de réajuster ses caractéristiques physico-chimiques avant d’être réinjectée dans le puits.
La boue de forage sert donc à remonter les déblais ou matériaux forés, mais également à maintenir la paroi et à protéger l’équipement de forage, c’est-à-dire, refroidir et lubrifier la tige et l’outil de forage rotatif afin d’éviter l’usure rapide des pièces métalliques, en particulier des pièces métalliques en mouvement.
Une boue de forage aqueuse comporte généralement au moins une argile et/ou un polymère dans de l’eau.
Afin de lubrifier au mieux l’équipement de forage, un additif lubrifiant est généralement ajouté à la boue de forage aqueuse.
Différents additifs lubrifiants, principalement liquides, ont été développés, notamment d’origine naturelle, non toxiques et biodégradables, pour éviter de polluer les eaux. Ainsi, le brevet EP 0713909 décrit une composition lubrifiante comportant un ester et un acide, en particulier un ester d’acide gras et un acide gras.
Les additifs lubrifiants liquides ont le désavantage de se solidifier à basse température. Or, dans les zones géographiques où la température peut atteindre des basses températures telles que -40 °C, leur utilisation nécessite alors une installation permettant de chauffer l’additif lubrifiant pour le maintenir sous forme liquide, afin de garantir sa stabilité et de pouvoir en prélever plus facilement la quantité nécessaire à ajouter à la boue. Cette installation supplémentaire engendre un coût supplémentaire.
Il est donc intéressant de pouvoir disposer d’additif lubrifiant sous forme solide, dont le stockage est aisé et la manipulation simplifiée.
Le brevet US 4,802,998 décrit un additif lubrifiant sous forme de poudre pour fluides de forage aqueux, obtenu en mélangeant de la silice hautement dispersée à un ou plusieurs esters particuliers.
Afin de diversifier les solutions en matière d’additifs lubrifiants solides, il est toujours intéressant de proposer un tel additif qui se manipule aisément à basse température, telle qu’à une température inférieure à -20 °C, et se disperse en quelques minutes dans une boue de forage aqueuse, tout en apportant une bonne propriété lubrifiante à la boue de forage le contenant.
Le travail des inventeurs a permis de mettre en évidence qu’une combinaison particulière conduisait à l’obtention d’un produit solide qui non seulement améliore la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse, en particulier en diminuant le coefficient de lubricité et donc l’usure du métal en contact avec la boue, mais également, bien que sous forme solide, se disperse rapidement dans une boue de forage aqueuse sans formation excessive de mousse.
L’invention concerne donc un additif lubrifiant comportant:
- 35-90% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
- 5-30% en poids d’un sel d’aminoalcool d’acide gras A2 ;
- 5-30% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
dans lequel,
- l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ; l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ; les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
On notera que dans le cadre de la présente demande, et sauf stipulation contraire, les gammes de valeurs indiquées s’entendent bornes incluses.
Les acides gras A1 et A2, pouvant être identiques (C18), sont linéaires ou ramifiés, de préférence linéaires.
Le polyol est un composé substitué par au moins deux, de préférence au moins trois, groupes hydroxyles (OH). De préférence, le polyol est le pentaérythritol.
L’indice d’hydroxyle est de préférence supérieur ou égal à 75, plus préférentiellement supérieur ou égal à 90. En effet, l’ester d’acide gras A1 et de polyol adapté à la présente invention est partiellement estérifié. De préférence, l’ester d’acide gras A1 et de polyol est le stéarate de pentaérythritol.
L’aminoalcool du sel d’aminoalcool d’acide gras A2 peut être un aminoalcool primaire, secondaire ou tertiaire, de préférence, un aminoalcool tertiaire. Plus préférentiellement, l’aminoalcool tertiaire est choisi parmi le groupe constitué par: la triéthanolamine, le 2,2-bis(hydroxyméthyl)-2,2',2"-nitrilotriéthanol (n°CAS : 6976-37- 0) et la N,N,N,N-tetrakis(2-hydroxyéthyl)éthylènediamine (n 'CAS :140-07-8). L’aminoalcool peut être alkoxylé, tel que le polyol propoxylé éthylènediamine (n°CAS : 25214-63-5), la méthyldiéthanolamine (n° CAS : 105-59-9), et la diméthyléthanolamine (n 0 CAS : 108-01 -0).
De préférence, la quantité de sel d’aminoalcool d’acide gras A2 est comprise entre 10 et 25%, plus préférentiellement entre 15 et 25% en poids par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
Avantageusement, le ratio molaire aminoalcool / acide gras A2 est compris entre 0,6 et 1 ,2, de préférence entre 0,8 et 1 ,2, plus préférentiellement entre 0,9 et 1 ,1 .
De préférence, le tensioactif non-ionique a une HLB supérieure ou égale à 8, plus préférentiellement encore supérieure ou égale à 10.
On entend par HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) l'équilibre entre la dimension et la force du groupe hydrophile et la dimension et la force du groupe lipophile de l'agent tensioactif. La valeur HLB selon GRIFFIN est définie dans J. Soc. Cosm. Chem. 1954 (volume 5), pages 249-256.
De préférence, la quantité de tensioactif non-ionique est comprise entre 5 et 25%, plus préférentiellement entre 7 et 20%, plus préférentiellement encore entre 9 et 15% en poids par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
A titre d’exemple de tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à 6, on peut citer le monostéarate de sorbitane polyoxyéthylène (20) (n° CAS : 9005-67-8 ; HLB=14,9), le polyéthylène glycol (PEG) 12 distearate (n° CAS: 9005-08-7 ; HLB=10,6), le monostéarate de polyglycérol (n ° CAS: 27321 -72-8 ; HLB=9), le ceteareth-20 (n ° CAS : 68439-49-6 ; HLB=15,5), le ceteareth-25 (n ° CAS : 68439-49- 6 ; HLB=16,3) et le laureth-23 (n° CAS : 9002-92-0 ; HLB=16,7).
Cette combinaison de composés permet d’obtenir un additif lubrifiant solide. Plus particulièrement, le point de fusion de l’additif lubrifiant est avantageusement compris entre 40 et 70 qC.
L’additif lubrifiant selon l’invention peut ainsi être stocké à des températures inférieures à -20 'C, préférentiellement inférieures à -40°C, sans perte d’efficacité.
L’additif lubrifiant selon l’invention peut comporter en outre un amide d’acide gras A3.
L’acide gras A3 est saturé ou insaturé, branché ou linéaire, et comporte avantageusement entre 8 et 22 atomes de carbone. Il peut être identique à l’acide gras A1 et/ou l’acide gras A2.
L’amide peut être formé par réaction entre un acide gras et de l’ammoniac, une amine primaire ou secondaire, ou un aminoalcool primaire ou secondaire dont les osamines.
L’amide peut donc être primaire, secondaire ou tertiaire, de préférence primaire.
De préférence, la quantité d’amide d’acide gras A3 est au plus de 55%, préférentiellement d’au plus 40%, plus préférentiellement encore, comprise entre 10 et 41 % en poids par rapport au poids total de l’additif lubrifiant.
Selon un premier mode de réalisation, l’additif lubrifiant selon l’invention comporte :
- 50-85% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
10-25% en poids d’un sel d’alcanolamine d’acide gras A2;
- 5-25% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
dans lequel,
l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ;
- l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ; les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
Un additif lubrifiant préféré selon le premier mode de réalisation comporte :
- 60-76% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
15-25% en poids d’un sel d’alcanolamine d’acide gras A2;
- 9-15% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
dans lequel,
- l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ; l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ; les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
Selon un deuxième mode de réalisation, l’additif lubrifiant selon l’invention comporte :
- 35-80% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
- 5-30% en poids d’un sel d’alcanolamine d’acide gras A2; - 5-30% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
10-55% en poids d’un amide d’acide gras A3 ;
dans lequel,
l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ; l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ;
- l’acide gras A3 comporte entre 8 et 22 atomes de carbone ;
les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
Un additif lubrifiant préféré selon le deuxième mode de réalisation comporte :
- 35-56% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
15-25% en poids d’un sel d’alcanolamine d’acide gras A2;
- 9-15% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
- 20-41% en poids d’un amide d’acide gras A3 ;
dans lequel,
l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ; l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ; l’acide gras A3 comporte entre 8 et 22 atomes de carbone ;
les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
Toutes les combinaisons de composés décrites ci-avant permettent d’obtenir un additif lubrifiant solide, avec un point de fusion avantageusement compris entre 40 et 70 °C.
Avantageusement, l’additif lubrifiant selon l’invention est sous forme broyée, en particulier sous forme de poudre. La mise sous forme de poudre de l’additif selon l’invention peut être réalisée par toute méthode connue de l’homme du métier.
Optionnellement, l’additif lubrifiant selon l’invention peut être formulé.
L’invention vise donc également une poudre lubrifiante comportant au moins 90% en poids de l’additif lubrifiant selon l’invention sous forme de poudre, et de 1 à 10% en poids d’un agent anti-agglomérant.
De préférence, la quantité d’agent anti-agglomérant est comprise entre 2 et 6% en poids, plus préférentiellement entre 3 et 5% en poids par rapport au poids de la poudre lubrifiante.
A titre d’exemple d’agents anti-agglomérants, on peut citer le silicate de magnésium, le stéarate de magnésium, le stéarate de calcium, le silicate de calcium et le dioxyde de silicium.
L’invention concerne également une boue de forage aqueuse comportant :
- de l’eau ;
- au moins une argile et/ou un polymère; et
l’additif lubrifiant selon l’invention, ou de la poudre lubrifiante selon l’invention.
De préférence, au moins une argile est de la bentonite, en particulier de la bentonite de type Wyoming.
De préférence, le au moins un polymère est choisi parmi le groupe constitué par le polyacrylamide partiellement hydrolysé (PHPA), la gomme xanthane et la cellulose polyanionique, ou leur mélange.
L’additif selon l’invention est particulièrement adapté à une utilisation dans des boues de forages aqueuses. En effet, l’additif lubrifiant selon l’invention est compatible avec une boue de forage aqueuse, ce qui signifie que l’additif lubrifiant se disperse en moins de 10 minutes, préférentiellement en moins de 5 minutes, dans une boue de forage aqueuse chauffée à 60 °C et soumise à une agitation comme illustré à l’Exemple 4).
De plus, lors de la mise en contact de l’additif lubrifant avec la boue de forage aqueuse, très peu de mousse se forme à la surface de la boue. Dans l’additif lubrifiant selon l’invention, les acides gras A1 et A2 sont choisis selon les caractéristiques et quantités énoncées afin de réguler la formation de mousse (comme illustré dans l’Exemple 4 et Fig.1 ).
De préférence, dans la boue de forage aqueuse selon l’invention, la quantité de l’additif lubrifiant ou de la poudre lubrifiante est comprise entre 0,1 et 5% en poids, plus préférentiellement entre 0,5 et 3% en poids par rapport au poid total de la boue de forage aqueuse.
La boue de forage aqueuse selon l’invention peut comporter en outre d’autres composés, tels que des anti-oxydants et /ou des sels, tels que du sulfate de barium, et du chlorure de potassium.
L’invention vise également un procédé de préparation de la boue de forage aqueuse selon l’invention comprenant une étape d’ajout d’additif lubrifiant selon l’invention, ou de la poudre lubrifiante selon l’invention, à un mélange d’eau, et d’argile(s) et/ou de polymère(s).
De préférence, l’étape d’ajout d’additif lubrifiant selon l’invention, ou de la poudre lubrifiante selon l’invention, se fait sous agitation.
L’invention concerne également l’utilisation d’additif lubrifiant selon l’invention, ou de la poudre lubrifiante selon l’invention, pour améliorer la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse.
Ainsi, une méthode pour améliorer la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse comprend une étape d’ajout d’additif lubrifiant selon l’invention ou de la poudre lubrifiante selon l’invention, à un mélange d’eau, et d’argile(s) et/ou de polymère(s).
L’invention concerne enfin l’utilisation de la boue de forage aqueuse selon l’invention dans un puits de forage.
En particulier, la boue de forage aqueuse est utilisée pour lubrifier l’équipement de forage, plus particulièrement la tête de forage.
L’invention sera mieux comprise au vu des exemples donnés à titre illustratif, avec références à la Figure 1 qui comporte deux photographies (Fig. 1A et 1 B) représentant la formation de mousse à la surface d’une boue de forage aqueuse après ajout respectivement d’additif lubrifiant 1 selon l’invention sous forme de poudre (Fig.1 A) et d’additif lubrifiant comparatif sous forme de poudre (Fig.1 B).
Exemple 1 : Préparation d’additifs lubrifiants
a) Produits utilisés
Esters d’acide gras A1 et de polyol :
o du stéarate de pentaérythritol préparé selon un procédé d’estérification classique entre de l’acide stéarique (n° CAS : 67701 - 03-5) et du pentaérythritol (n° CAS : 1 15-77-5) ; indice d’hydroxyle 100
o du béhénate de pentaérythritol préparé selon un procédé d’estérification classique entre de l’acide béhénique (n ° CAS : 1 12- 85-6) et du pentaérythritol (n° CAS : 1 15-77-5) ; indice d’hydroxyle = 98
Amide :
o de l’érucamide (n 0 CAS : 1 12-84-5) ;
Sels d’aminoalcool d’acide gras A2 :
o du sel de triéthanolamine d’acide béhénique obtenu en mélangeant la triéthanolamine (n° CAS : 102-71 -6) et l’acide béhénique (n° CAS : 1 12-85-6) à température ambiante; o du sel de triéthanolamine d’acide palmitique obtenu en mélangeant la triéthanolamine (n° CAS : 102-71 -6) et l’acide palmitique (n° CAS : 57-10-3) à température ambiante ;
- Tensioactif :
o du monostéarate de sorbitane polyoxyéthylène (20) (n° CAS : 9005-
67-8), HLB = 14,9. b) Préparation d’additifs lubrifiants
Les additifs ont été préparés en mélangeant sous agitation mécanique à dO'Ό, les composés mentionnés dans le Tableau 1 ci-dessous et selon les quantités indiquées. Après arrêt du chauffage, les additifs se solidifient et peuvent être broyés sous forme de poudre.
Au laboratoire, un broyeur Quadro Comil Model U5 a été utilisé pour mettre sous forme de poudre les additifs lubrifiants 1 et 2 selon l’invention et l’additif lubrifiant comparatif.
Figure imgf000009_0001
Les pourcentages indiqués sont des pourcentages en poids sur le poids total de l’additif lubrifiant
* le ratio molaire triéthanolamine/acide béhénique est égal à 1
Tableau 1 : Additifs lubrifiants
Les points de fusion des additifs lubrifiants obtenus sont compris entre 40 et 70 qC. Le point de fusion de l’additif lubrifiant 1 selon l’invention est de 59°C. Exemple 2 : Préparation de poudres lubrifiantes
5% en poids d’agent anti-agglomérant, du silicate de magnésium (n° CAS :1343-88-0) sont mélangés à 95% en poids de chacun des additifs lubrifiants 1 et 2 selon l’invention et de l’additif lubrifiant comparatif sous forme de poudre, les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids total de chacune des poudres lubrifiantes ainsi obtenues.
Exemple 3 : Préparation de boues de forage aqueuses
a) Boue de forage aqueuse classique à base de sel de potassium et de bentonite
(ci-après désigné « boue KCI-bentonite »)
i) Matériel
- de la bentonite: GELCLAY HR 120 de DPMF ou API Standard Evaluation Base Clay (bentonites de type Wyoming);
- du chlorure de potassium (KCI), n° CAS : 7447-40-7.
ii) Préparation
Dans un bêcher, est introduit 1 L d’eau déminéralisée, puis, sous agitation mécanique d’environ 200 tr/min, 30 g de bentonite est ajoutée. Le tout est agité pendant 18 heures. 0,5 mol (37,3 g) de KCI sont alors progressivement ajoutés. Après 1 heure d’agitation, le pH est éventuellement ajusté à 8 à l’aide d’une solution de NaOH à 30%.
La densité de la boue ainsi obtenue est de 1 ,04. b) Boue de forage aqueuse classique à base de sel de potassium et de polymères
(ci-après désigné « boue KCI-PHPA»)
i) Matériel
- des polymères :
- du polyacrylamide partiellement hydrolysé (PHPA), Flodrill PAM 1040 de SNF;
- de la gomme de xanthane (n 0 CAS : 1 1 138-66-2) ;
- de la cellulose polyanionique, Celpol SLX de CP Kelco;
- de la bentonite : GELCLAY HR 120 de DPMF ou API Standard Evaluation Base
Clay (bentonites de type Wyoming) ;
- du chlorure de potassium (KCI), (n° CAS : 7447-40-7) ;
- du sulfate de barium ou baryte (BaS04), (n° CAS : 7727-43-7).
ii) Préparation Dans un bêcher, est introduit 1 L d’eau déminéralisée, puis, sous agitation mécanique d’environ 200 tr/min, sont introduits succesivement et sur une période 15 à 30 minutes par composés : 2 g de gomme de xanthane, 2 g de cellulose polyanionique, 3 g de PHPA. Après 30 min d’agitation, sont introduits 70 g de KCI, 10 g de bentonite et 95 g de BaS04.
Le tout est agité pendant 18 heures et le pH est ajusté à 8 à l’aide d’une solution de NaOH à 30%.
La densité de la boue ainsi obtenue est de 1 ,14.
Exemple 4 : Préparation de boues de forages aqueuses comprenant un additif lubrifiant
a) Boues de forage aqueuses selon l’invention
Quatre boues de forage aqueuse selon l’invention ont été préparées en ajoutant 2% en poids par rapport au poids de la boue, d’additif lubrifiant 1 selon l’invention ou d’additif lubrifiant 2 selon l’invention sous forme de poudre, préparés à l’Exemple 1 , dans chacune des boues KCI-bentonite et KCI-PHPA préparées à l’Exemple 3, sous agitation mécanique, à une température comprise entre 55 et 60 qC. Chaque boue de forage aqueuse selon l’invention est agitée entre 3 et 5 minutes. b) Boues de forage aqueuses comparatives
Deux boues de forage aqueuse comparatives ont été préparées en ajoutant 2% en poids par rapport au poids de la boue, d’additif lubrifiant comparatif sous forme de poudre préparé à l’Exemple 1 , dans chacune des boues KCI-bentonite et KCI-PHPA préparées à l’Exemple 3, sous agitation mécanique, à une température comprise entre 55 et 60 qC. Chaque boue de forage aqueuse comparative est agitée 15 minutes. c) Dispersion et formation de mousse
Les additifs lubrifiants selon l'invention sous forme de poudre se dispersent dans chacune des boues de forage aqueuses KCI-bentonite et KCI-PHPA en maximum 5 minutes.
A l’inverse, dans des conditions identiques, à savoir sous agitation mécanique et à une température comprise entre 55 et 60°C, l’additif lubrifiant comparatif sous forme de poudre se disperse difficilement dans chacune des boues de forage aqueuses KCI-bentonite et KCI-PHPA. La dispersion est en effet incomplète au bout de 15 minutes, de la poudre étant toujours visible en surface. Après ajout d’un additif lubrifiant selon l’invention sous forme de poudre dans les boues de forage aqueuse, une fine couche de mousse se forme à la surface de chacune des boues KCI-bentonite et KCI-PHPA, comme cela est plus particulièrement illustré à la Fig.1 A avec la boue KCI-PHPA comprenant l’additif lubrifiant 1 sous forme poudre.
Beaucoup plus de mousse se forme à la surface de chacune des boues KCI- bentonite et KCI-PHPA après ajout de l’additif lubrifiant comparatif sous forme poudre, comme cela est plus particulièrement illustré à la Fig.l B avec la boue KCI-PHPA comprenant de l’additif lubrifiant comparatif sous forme poudre.
Exemple 5 : Evaluations de la propriété lubrifiante des boues de forage aqueuses a) Mesure de couples de frottement et calcul des coefficients de lubricité
Produits et matériel :
- les boues KCI-bentonite et KCI-PHPA préparées à l’Exemple 3 ;
l’additif lubrifiant 1 selon l’invention et l’additif lubrifiant comparatif sous forme de poudre préparés à l’Exemple 2 ;
un testeur de lubricité: OFITE ® EP (Extrême Pressure) and Lubricity tester #1 12-00-1 de OFI testing Equipment.
Méthode:
Les boues de forage aqueuses comprenant un additif lubrifiant sont préparées comme à l’Exemple 4 en y ajoutant la quantité d’additif lubrifiant tel que décrit dans les Tableaux 2 et 3 ci-après.
Les mesures de couple de frottement sont effectuées selon les instructions du manuel d’utilisation du matériel indiqué ci-avant, dans les conditions standards, à savoir 150 inch-pounds force et 60 tr/min, à une température comprise entre 55 et 60 °C.
Les valeurs de couple de frottement obtenues sont rassemblées dans les Tableau 2 et 3 ci-après. Plus la valeur de couple de frottement est faible, meilleure est la propriété lubrifiante de la boue testée.
Les coefficients de lubricité sont ensuite calculés sur la base des valeurs de couples de frottement. Les résultats sont rassemblés dans les Tableau 4 et 5 ci-après. Résultats:
Figure imgf000013_0001
% en poids par rapport au poids total boue + additif lubrifiant
Tableau 2 : Couples de frottement de la boue KCI-bentonite comprenant différentes quantités d’additif lubrifiant 1 ou 2 selon l’invention ou d’additif comparatif sous forme poudre
Figure imgf000013_0002
% en poids par rapport au poids total boue + additif lubrifiant
Tableau 3 : Couples de frottement de la boue KCI-PHPA comprenant différentes quantités d’additif lubrifiant 1 ou 2 selon l’invention ou d’additif comparatif sous forme poudre
Figure imgf000013_0003
% en poids par rapport au poids total boue + additif lubrifiant Tableau 4 : Coefficients de lubricité de la boue KCI-bentonite comprenant différentes quantités d’additif lubrifiant 1 ou 2 selon l’invention ou d’additif lubrifiant comparatif
Figure imgf000014_0001
% en poids par rapport au poids total boue + additif lubrifiant
Tableau 5 : Coefficients de lubricité de la boue KCI-PHPA comprenant différentes quantités d’additif lubrifiant 1 ou 2 selon l’invention ou d’additif lubrifiant comparatif
On peut constater que plus la quantité d’additif lubrifiant augmente, plus le coefficient de lubricité diminue et donc plus la propriété lubrifiante de la boue contenant l’additif lubrifiant s’améliore.
Les résultats montrent que les boues contenant un additif lubrifiant selon l’invention présentent des coefficients de lubricité plus bas que ceux obtenus avec l’additif lubrifiant comparatif. Les boues de de forage aqueuses comprenant un additif lubrifiant selon l’invention présentent donc une meilleure propriété lubrifiante. b) Mesure de couples de frottement et calcul de coefficients de lubricité après vieillissement des boues de forage (test de dispersion en « Hot Rolling »)
La performance des boues de forage en terme de lubricité peut être altérée lorsqu’elles sont soumises plusieurs heures à de hautes températures et à des pressions élevées. Ce test de vieillissement permet d’évaluer l'impact de la température et de la pression sur la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse.
Produits et matériels:
- des boues de forage aqueuses telles que préparées à l’Exemple 4 à la différence qu’elles comprennent chacune 3% en poids d’additif lubrifiant sous forme poudre. un four à rouleaux: OFITE ® Roller Oven #172-00-1 -RC 1 de OFI testing Equipment
une cellule cylindrique : OFITE Aging Cell - Inconel 600
un testeur de lubricité: OFITE ® EP (Extrême Pressure) and Lubricity tester #1 12-00-1 de OFI testing Equipment
Méthode:
Successivement, les boues de forage aqueuses selon l’invention et les boues de forage aqueuses comparatives sont introduites dans la cellule cylindrique mise sous une pression de 150 psi. La cellule est ensuite placée dans le four pendant 16h à une température de 121 qC. Les propriétés lubrifiantes sont ensuite évaluées avec le testeur de lubricité à différents couples ou moments de forces variant de 100 à 400 inch- pounds force.
Résultats :
Figure imgf000015_0001
comprenant 3% poids d’additif lubrifiant 1 selon l’invention ou d’additif comparatif soumises à différents couples
Figure imgf000016_0001
Tableau 7 : Coefficients de lubricité des boues KCI-bentonite et KCI-PHPA comprenant 3% poids d’additif lubrifiant 1 selon l’invention ou d’additif lubrifiant comparatif soumises à différents couples
Les résultats présentés aux Tableaux 6 et 7 montrent la meilleure efficacité de l’additif lubrifiant 1 selon l’invention à améliorer la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse soumise à une température de 121 °C et à des moments de force élevés variant de 100 à 400 inch-pounds force.
Ce test confirme que l’additif lubrifiant selon l’invention conserve ses capacités à améliorer la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse à température élevée et à haute pression.

Claims

REVENDICATIONS
1. Additif lubrifiant comportant:
- 35-90% en poids d’un ester d’acide gras A1 et de polyol, ledit ester ayant un indice d’hydroxyle supérieur ou égal à 50;
- 5-30% en poids d’un sel d’aminoalcool d’acide gras A2 ;
- 5-30% en poids d’un tensioactif non-ionique de HLB supérieure ou égale à
6 ;
dans lequel,
- l’acide gras A1 est saturé et comporte entre 16 et 18 atomes de carbone ;
- l’acide gras A2 est saturé et comporte entre 18 et 22 atomes de carbone ; les pourcentages en poids étant exprimés par rapport au poids de l’additif lubrifiant.
2. Additif lubrifiant selon la revendication 1 , comportant en outre un amide d’acide gras A3.
3. Additif lubrifiant selon la revendication 1 ou 2, sous forme de poudre.
4. Poudre lubrifiante comportant au moins 90% en poids d’additif lubrifiant selon la revendication 3, et de 1 à 10% en poids d’un agent anti-agglomérant.
5. Boue de forage aqueuse comportant :
- de l’eau ;
- au moins une argile et/ou un polymère; et
l’additif lubrifiant selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ou la poudre lubrifiante selon la revendication 4.
6. Boue de forage aqueuse selon la revendication 5, dans laquelle la quantité d’additif lubrifiant ou de la poudre lubrifiante est comprise entre 0,1 et 5% en poids par rapport au poids total de la boue de forage aqueuse.
7. Procédé de préparation de la boue de forage aqueuse selon la revendication 5 ou 6, comprenant une étape d’ajout d’additif lubrifiant selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ou de la poudre lubrifiante selon la revendication 4, à un mélange d’eau et d’argile(s) et/ou de polymère(s).
8. Utilisation de l’additif lubrifiant selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ou de la poudre lubrifiante selon la revendication 4, pour améliorer la propriété lubrifiante d’une boue de forage aqueuse.
9. Utilisation de la boue de forage aqueuse selon la revendication 5 ou 6, dans un puits de forage.
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