ADDITIF REDUCTEUR DE FILTRAT ET FLUIDE DE PUITS

FILTRATE REDUCING ADDITIVE AND WELL FLUID

English Abstract

The invention concerns a water-based additive for well fluid, comprising an acrylamide and branched styrene sulphonate copolymer. It also concerns a water-based fluid comprising an acrylamide and branched styrene sulphonate copolymer. The additive is useful for controlling the filtering of a well fluid through the wall. The invention is advantageously applicable to drilling and/or completion of oil wells having a temperature higher than 120 ·C.

French Abstract

La présente invention concerne un additif pour fluide de puits à base d'eau,
comportant un copolymère d'acrylamide et de styrène sulfonate ramifié.
L'invention concerne également un fluide à base d'eau comportant un copolymère
d'acrylamide et de styrène sulfonate ramifié. Application de l'additif pour
contrôler la filtration d'un fluide de puits à travers la paroi. L'invention
est avantageusement utilisée pour des opérations de forage et/ou de complétion
des puits pétroliers ayant une température supérieure à 120 ~C.

Claims

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REVENDICATIONS
1) Additif pour fluide de puits, caractérisé en ce qu'il comporte un
copolymère d'acrylamide et de styrène sulfonate constituée d'au
moins 30% de fonctions styrène sulfonate et en ce que ledit
copolymère est ramifié à l'aide d'un agent de ramification.
2) Additif selon la revendication 1, dans lequel l'agent de ramification
est choisi dans le groupe suivant:
~ les monomères à insaturation diéthylénique ou polyéthylènique,
~ les sels de métal polyvalent, le formaldéhyde, le glyoxal.
3) Additif selon la revendication 2, dans lequel ledit produit ramifiant
est du N,N'-Méthylène bis acrylamide.
4) Additif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le
rapport molaire acrylamide/styrène sulfonate est d'environ 50/50.
5) Additif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la
masse moléculaire dudit copolymère ramifié est comprise entre
500000 et 5 10 6, et de préférence entre 2 10 6 et 4 10 6 g/mole.

6) Fluide de puits à base d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un
additif selon l'une des revendications 1 à 5.
7) Application de l'additif selon l'une des revendications 1 à 5, pour
contrôler la filtration d'un fluide de puits dans la paroi dudit puits.
8) Application selon la revendication 7, pour des puits dont la
température est supérieure à 120°C.

Description

?1020W0 98/59014CA 02263952 l999-02- 16PCT/FR98/01312ADDITIF REDUCTEUR DE FILTRAT ET FLUIDE DE PUITSLes puits forés dans le sous-sol a de forte profondeur ou ayant unetemperature de fond élevée requiérent des ?uides de forage stables etprésentant des propriétés satisfaisantes vis-?a—vis de 1'environnement de fond,notarnment de la temperature. Les produits de la présente inventionprésentent des propriétés satisfaisantes de ?ltration et de viscosité jusqu'a destemperatures d’environ 200°C. Ils peuvent donc étre avantageusement utilisésdans des formulations de ?uides de puits classiques ou contenant de faiblesteneurs en solide, ou encore pour les formulations alourdies a 1'aide deproduits minéraux ou de sels solubles.Les produits connus qui sont généralement proposés pour les plushautes temperatures contiennent généralement des fonctions de type AMPS,par exemple décrit dans le document US-A-5510436. Des travauxcomplémentaires ont montré qu‘a partir d'une certaine temperature et a lasuite d’un certain temps de vieillissement, ces fonctions AMPS s'hydro1ysentavec la temperature rendant alors 1e produit trés sensible a la dégradationCOPIE DE CONFIRMATIONm«W...,..m uum,,‘..;,...M.-......mu«.........,.,.... V '1!?1020W0 98/59014CA 02263952 l999-02- 16PCT/FR98/01312moléculaire par décarboxylation (On peut se référer a la publication SPE-28953- Oil Field Chemistry International Meeting; San Antonio, Feb. 1995).Les produits de la présente invention sont stabilisés par 1'introduction defonctions styrene sulfonate qui sont tres stables vis-a-vis de la température.Ainsi, Ia présente invention concerne un copolymére d’acry1amide et destyrene sulfonate contenant au moins 30% de fonctions styrene sulfonate. Lamasse moléculaire peut étre comprise entre 100000 et 107, et de préférencecomprise entre 500000 et 5 105-Le copolymere est un produit rami?é avec un produit rami?ant.L'agent de rami?cation peut étre incorporé lors de la polymerisation, i1s'agit alors d'agents covalents, ou apres la polymérisation en post rami?cation.Les agents covalents peuvent étre des monoméres a insaturationdiéthylénique (par exemple les esters de diacrylates, tels que les diacrylates depolyethylene glycols PEG) ou polyéthylenique, comme par exemple 1e N,N'méthylénebisacrylamide (MBA), ou encore un agent de ramification acryliqueconnu, ou plus généralement une structure de type diallylamine, allyléther.Les agents de post rami?cation peuvent étre des sels de métalpolyvalent, le formaldéhyde, le glyoxal.La présente inventionsera mieux comprise et ses avantagesapparaitront plus clairement a la lecture de la description des essais suivants.Les copolymeres (S1, S3a, S3b, S3c, S3d) testés dans les essais ci—aprésont la structure de formule générale suivante :?CA 02263952 l999-02- 16W0 98/59014 PCT/FR98/01312CH2—CH — S03" , Na 2YLes polyméres utilisés (référencés en série S1) dans ces essaiscomparatifs avec un des produits selon l'invention (S3a, S3b, S3c, S3d) sont:- des copolyméres acrylamide/styrene sulfonate non rami?és ayant un3 rapport molaire d'environ 50/50 et qui se présentent sous la forme de solutionsaqueuses renfermant 10 £1 25 % de matiéres actives.- des dérivés d'acrylamide (copolymére acrylamide/acrylate) fabriquéspar la société SNF F1oerger- France,- des dérivés sulfonés (AMPS/vinylamide/acrylamide, par exemple,10 l‘Hostadri11 fabriqué par la société HOESCHT),- des dérivés cellulosiques (CMC) fabriqués par exemple par la sociétéAqualon ou Lamberti (ltalie).La série S3 se différencie de la série S1 par leur structure rami?ée.Dans les quatre structures de produit (S3a, S3b, S3c, S3d), il y a deux15 copolymeres :21 longue chaine peu rami?és et deux autres é courtes chaines derami?cation plus importante. Le rami?ant utilisé ici est le N,N'-Méthyléne bisacrylamide (MBA) de structure générale (CH2=CHCONH)2CI-I2. L'agent detransfert utilisé en synergie avec le rami?ant pour augmenter la rami?cationest 1'hypophosphite de sodium (NaH2PO2).20,..4...........«.m.....w...»....-... ?CA 02263952 l999-02- 16W0 98/59014 PCT/FR98/013124Référence Taux de Taux d'agent pMX106Echantillon rami?ant/actif de transfert/actif (g/mole)(ppm) (ppm)S1 - - 1S3a 10 0 2.2S3b 50 0 3.5S3c 500 5000 -S3d 1000 5000 -Remargues : La masse moléculaire des échantillons S3c et S3d estdif?cile a mesurer du fait de la rami?cation de ces polymeres meme pour desconcentrations élevées en LiNO3 (jusqu'a 1 M). Il est cependant possible5 d'estimer que la masse moléculaire de ces échantillons est comprise entre 2 et4><106 g/mole.Essai 1 : Etude de la stabilité en température des copolymeresacrylamide/styrene sulfonate non rami?és et rami?és S1, S3a, S3b, S3c et10 S3d, et comparaison avec un terpolymere AMPS/vinylamide/acrylamide(Hostadrill produit par le société Hoescht) et un polyacrylamide peu hydrolyséclassique (2 % de fonctions acrylate, produit par SNF Floerger) :Les conditions de l’essai sont:Temperature de 180°C et vieillissement de 24 heures a 72 heures dansI5 une cellule de tests HP/HT avec une contre-pression de 10 bar.Solutions : Preparation et vieillissement dans 1'eau désionisée entre3000 et 10000 ppm de polymere. Désaération par stripping a 1'azote dessolutions jusqu'a des taux d'oxygene compris entre 5 ppb. et 50 ppb.?CA 02263952 l999-02- 16WO 98/59014 PCT/FR98/01312[T1] est la viscosité intrinséque du polyrnere obtenue a partir des mesuresde viscosité relative a différentes concentrations et extrapolée a concentration1111116 1711/ [010 correspond a 1’évo1ution de la viscosité intrinseque aprésvieillissement en température.Caractérisations : Effectuées dans KC1 5 g/l aprés addition des sels.Temperature Temps [T1]/[1110 Taux de Taux de Taux enfonctions fonctions O2carboxylates sulfonéesDC PolyacrylamideInitiale - 1 3 - -100 5 jours — 70 - < 5100 14 jours 0.25 90 - < 5HOSTADRILLInitiale - 1 31 55 -130 14 jours 0.46 22 40 < 5150 3 jours — 20 44 < 5170 3 jours 0.53 41 23 < 5Produit S1Initiale - 1 2.4 50 -180 3 jours 0.85 37.7 50 10Produit S3aInitiale - 1 2 50 -180 3 jours 0.57 23.5 50 10Produit S3bInitiale - 1 1.2 50 -180 3 jours 0.53 26.4 50 10Produit S3cInitiale - 1 1.6 50 -180 3 jours 0.52 28.6 50 10Produit S3dInitiale - 1 2 50 -180 3 jours 0.44 27.5 50 10Remargues : On note que le polyacrylamide est totalement dégradé a100°C. 11 y a perte de viscosité (il ne reste que 25% de la viscosité initiale) ethydrolyse des fonctions acrylamide (il y a 90% de fonctions carboxylates). Les?20W0 98/59014CA 02263952 l999-02- 16PCT/FR98/01312fonctions sulfonées du 1'HOSTADRILL s'hydrolysent a partir de 150°C at courtterme et le polymére perd 50% de sa viscosité. Comparativement, lescopolymeres acrylamide/styrene sulfonate rami?és conservent leurs fonctionssulfonées méme aprés vieillissement a 180°C. De plus, les produits rami?ésselon 1'invention sont moins sensibles a l'hydrolyse.Essai 2 Comparaison de Pef?cacité des copolyméres StyreneSulfonate/Acrylamide rami?és avec S1 et des réducteurs de ?ltrat utiliséspour les hautes temperatures, pour des ?uides a base d'argile :Conditions : Standard API, température ambiante (25°C).Formulation de base FB : argile GREEN BOND 30 g/l, Xanthane 2 g/1,NaCl 10 g/l - d = 1.03Additif a FB Filtrat VP YV Cake pH Viscosité du30 min 60 min ?ltrat ?ltrat (25°C)CMC basse vis. 10 g/l 5.5 28 24 1.5 9.2 2.4HOSTADRILL 10 g/l 5.4 30 50 1.5 * 8.6 1.3S1 10 g/1 m.a 6 21 38 < 2 9 2.3S3d 10 g/l m.a 5.7 23 44 1.3 8 2*le cake de la formulation contenant l’HOSTADRILL est ?uide et se rapprocheplus d‘une structure de gel que de cake a proprement dit.La viscosité plastique et la viscosité du ?ltrat sont exprimées encentipoise (cP), la valeur de seuil, ou yield value (YV), est exprimée enlivres/100 pieds carré, le ?ltrat 30’ en millilitre (ml) et les épaisseurs de cakeen millimetre (mm).Le Xanthane de marque IDVIS et la CMC basse viscosité utilisés sontcommercialisés par la Société DOWELL-IDF.?CA 02263952 l999-02- 16WO 98/59014 PCT/FR98/01312Remargues 2 Les propriétés de ?ltration at 25°C de la formulationcontenant le copolymére acrylamide/styréne sulfonate rami?é sont similaires acelles de la CMC basse viscosité et de 1’HOSTADRILL, a des Valeurs deviscosité plastiques moins importantes..Essai 3 : In?uence de la température :Conditions : Standard API, dans une cellule de test HP/HT avec unepression de 50 bar et une contre-pression de 15 bar.Formulation de base FB : argile GREEN BOND 30 g/l, Xanthane 2 g/l,IO NaC110 g/1 - d = 1.03.Additif 2. FB Filtrat VP YV Cake pH Viscosité du30 min 60 min ?ltrat ?ltrat 30°CTempérature de ?ltration : 120°C .HOSTADRILL 10 g/l 15.5 30 50 3.5 7.4 1.1S1 10 g/l m.a 16.7 26 38 2.5 7.1 1.3S3d 10 g/l m.a 17.1 23 44 3.3 6.3 1Température de ?ltration : 140°CCMC basse vis. 10 g/l 21.5 28 24 4 7.2 1.3S3d 10 g/1 m.a 20.1 23 44 3.4 6.6 1.2Température de ?ltration : 160°CCMC basse vis. 10 g/l >300 28 24 - — -HOSTADRILL 10 g/l 28 30 50 3.5 7.9 8.8S1 10 g/l m.a 20.5 26 38 3 8 1.5S3a 11 g/l m.a 23.8 21 32 3 6.8 1.6S3b 9 g/l m.a 19.7 21 38 3 6.8 -S3c 10 g/l m.a 18.9 22 38 2.5 7 1.1S3d 8 g/l m.a 19.9 22 42 2.7 7.2 1.2S3d 10 g/l m.a 19.2 23 44 2.5 6.6 1.1Température de ?ltration : 180°CHOSTADRILL 10 g/l * * * * * *S1 10 g/l m.a 27.1 26 38 3.5 7.5 1.7S3d 10 g/1 m.a 20 23 44 2.6 6.1 1.2* : ces valeurs ne sont pas présentées car le ?uide est totalement géli?é.?1020CA 02263952 l999-02- 16W0 98/59014 PCT/FR98/013128Remargues A 160°C, la formulation contenant 1'HOSTADRILLprésente une perte de ses propriétés de ?ltration puisque le ?ltrat, tresvisqueux, indique une dégradation du produit malgré une valeur de seuil (YV)élevée. Comparativement, les formulations a base de copolymereacrylamide/styrene sulfonate rami?és donnent des ?ltrats moins importants,méme lorsque la concentration est diminuée au sein de la formulation, et avecdes valeurs de seuil moins élevées et des Viscosités de ?ltrat proches dusolvant. A 180°C, le ?ltrat brun et la gélification complete, apr‘esrefroidissement, de la formulation contenant le HOSTADRILL, con?rme lesrésultats obtenus at 160°C. Ceci n'a pas été observé avec les formulationscontenant les copolyméres acrylamide/styréne sulfonate rami?és mais uneConstance des ?ltrats 30' quelles que soient la température et la baisse de laperméabilité des cakes a partir de 120°C. On notera la dégradation de la CMCbasse viscosité a 160°C dans ce type de formulation.Essai 4: Comparaison de 1'ef?cacité descopolyméresacrylamide/styrene sulfonate rami?és en température avec un homopolymérestyrene sulfonate :Conditions : Standard API, dans une cellule de test HP/HT avec unepression de 50 bar et une contre-pression de 15 bar.Formulation de base FB : argile GREEN BOND 30 g/l, Xanthane 2 g/l, NaCl 10 g/l — d = 1.03.?CA 02263952 l999-02- 16W0 98/59014 PCT/FR98/013129Additif 231 FB Filtrat VP YV Cake pH ?ltrat Viscosité du30 min 60 min ?ltrat 30°CTempérature de ?ltration : 160°CHomopolymére 30.8 20 34 < 9 6.6 3.3Styréne Sulfonate10 g/1 m.aS1 10 g/l m.a 22.2 26 38 3 7.5 1.3S3d 10 g/1 m.a 19.2 23 44 2.5 6.6 1.1Remargues : L'utilisation d'un copolymére acrylamide/styréne sulfonaterami?é permet de diminuer le volume ?ltré et 1'épaisseur du cake de ?ltration.5Comparativement, un homopolymére sulfoné donne de moins bons résultatsque les copolyméres présentés ici.Essai 5 : In?uence du vieillissement en température (160°C)Conditions : Dans une cellule de test HP/HT avec une pression de 50 bar10et une contre-pression de 15 bar, mais aprés vieillissement de 16 heures fa unetempérature de 160°C.Formulation de base FB : argile GREEN BOND 30 g/1, Xanthane 2 g/l,NaCl 10 g/l - d = 1.03.Additif £1 FB Filtrat VA/V A0 VP YV Cake pH Viscosité du30 min 60 min ?ltrat ?ltrat 30°CHOSTADRILL 18.9 0.69 23 30 3 7.4 1S1 10 g/l m.a 24.8 0.58 18 16 3 8.3 1.3S3d 10 g/l m.a 21.9 1.1 31 36 2.9 6.1 1.315VA : viscosité apparenteVAO : viscosité apparente initiale?101520W0 98/59014CA 02263952 l999-02- 16PCT/FR98/0131210Remargues La rami?cation des copolyméres acrylamide/styrenesulfonate permet une meilleure tenue en temperature des formulations, et deconserver des propriétés de ?ltration tout a fait acceptables.Essai 6 :Comparaison de Pef?cacité en dynamique d’une formulation 51 base decopolymere Styrene Sulfonate/Acrylamide rami?é avec des formulationscommerciales utilisées pour les hautes temperatures:I MMH, commercialisée par IDF-DOWELL,I THERMADRILL commercialisée par BAROlD;Conditions : Vitesse de rotation 1000 RPM, dP = 35 bar, températureambiante (25°C). La méthodologie de la ?ltration dynamique a été appliquéetelle que décrite dans le document de Y. LI et al., Revue IFP, vol 52, no2,Mars-Avril 1997.Formulation de base FB 2 argile GREEN BOND 30 g/l, Xanthane 2 g/l,NaCl 10 g/l - d = 1.03.Additif a FB Formulations Filtrat VP YV Pente C.O.Tcommerciales 30’ ?ltratMMH 13 - - 0.009 800THERMADRILL 22 - - 0.018 1300CMC basse visco. 10 g/l 8 28 24 0.005 1000S1 10 g/l m.a 10 21 38 0.005 200S3d 10 g/l m.a 6 23 44 0.004 700La viscosité plastique est exprimée en centipoise (cP), la valeur de seuil,ou yield value (YV) est exprimée en livres/100 pieds carré, le ?ltrat 30’ en?CA 02263952 l999-02- 16WO 98/59014 PCT/FR98/01312llmillilitre (ml), la pente en cm/minute et la concentration organique totale des?ltrats (C.O.T) est exprimée en ppm de carbone.Remargues : En ?ltration dynamique, la formulation contenant les5 copolymeres acrylamide/styrene sulfonate rami?és possédent les meilleurespropriétés de ?ltration et contribuent a la diminution de la perméabilité descakes d’o1‘1 des concentrations en carbone plus faibles dans les ?ltrats,comparativement aux formulations commerciales.10 Essai 7 : Comparaison de l'ef?cacité des copolyméres StyreneSulfonate/Acrylamide rami?és avec des réducteurs de ?ltrat utilisés pour leshautes temperatures, pour des ?uides a base de calcite et d’argile de charge, alimiter l’endommagement des formations.15 Conditions : Standard API, temperature ambiante (25°C).Formulation de base FB1 :Xanthane 4 g/l, HYMOD PRIMA (ou HMP) 28.5 g/1, NaCl 20 g/l,KC1 20 g/l, IDCARB75 360 g/l - NaOH 2M pour pH = 9.5 — d = 1.20.Additif a FB1 Filtrat VP YV Gel Gel Cake C.O.T ?ltrat30’ 0 10 120’CMC basse visco. 10 g/l 3.3 17 30 10 13 1 de 700 a 1000HOSTADRILL 5 g/l 7.7 39 24 10 17 1.8 900S1 5 g/l m.a 6.9 14 22 9 14 1.6 700S3d 5 g/l m.a 6.7 15 22 10 18 1.4 90020?CA 02263952 l999-02- 16W0 98/59014 PCT/FR98/0131212La viscosité plastique est exprimée en centipoise (cP), la valeur de seuil,ou yield value (YV), le Gel 0 et le Gel 10 sont exprimés en livres/100 piedscarré, le ?ltrat 30’ en millilitre (ml), les épaisseurs de cake en millimetre (mm)et la concentration organique totale des ?ltrats (C.O.T) est exprimée en ppmde carbone.L’HYMOD PRIMA, ou HMP, est une argile de charge commercialiséepar la société DOWELL-IDF, ainsi que la calcite IDCARB75 dont lagranulométrie varie de 0.1 a 10 um.Remargues les formulations contenant YHOSTADRILL ou lescopolymeres acrylamide/styrene sulfonate ont des propriétés de ?ltrationcomparables dans ces conditions, mais pour des viscosités plastiques moinsimportantes pour ces dernieres. On notera une concentration en carbonecroissante, de 700 a 1000 ppm, tout le long de la ?ltration pour la formulation21 base de CMC basse viscosité, non observée avec les formulations contenantles copolymeres acrylamide/styrene sulfonate rami?és.Essai 8 2In?uence de la temperature g110°C 2:Conditions : Standard API, dans une cellule de test HP/HT avec unepression de 50 bar et une contre—pression de 15 bar.?CAWO 98/59014Formulation de base FB1 :1302263952 1999-02-16IDCARB75 360 g/l - NaOH 2M pour pH = 9.5 — d = 1.20.PCT/FR98/01312Xanthane 4 g/l, Hymod Prima ( HMP ) 28 .5 g/l, NaCl 20 g/l, KC1 20 g/l,Additif a FB1 Filtrat VP YV Gel Gel Cake C.O.T ?ltrat30’ 0 10 120’CMC basse visco. 10 g/l 13.5 17 30 10 13 9.4 de 600 a 900HOSTADRILL 5 g/l 40.1 39 24 10 17 5.5 1600S1 5 g/l m.a 26.6 14 22 9 14 3.9 1500S3d 5 g/l m.a 35.1 15 22 10 18 4.4 1600Remargues : A 110°C et dans ce type de formulation, PHOSTADRILLperd ses propriétés de ?ltration (augmentation du ?ltrat 30’ et de 1’épaisseurdu cake)contrairement aux formulationscontenant lescopolyméresacrylamide/styréne sulfonate rami?és. La forte épaisseur de cake observéepour la formulation renfermant la CMC basse viscosité con?rme unedégradation du produit et la perte de ses propriétés, ce qui n’a pas été observépour les formulations contenant les copolyméres acrylamide/styréne sulfonaterami?és.