Polímeros basados en fuentes renovables como aditivos en fluidos de perforación en base agua para formaciones Shale de Argentina

Abstract

El diseño de fluidos de perforación en base agua (WBMs) tiene una gran importancia en la implementación de nuevas tecnologías para la extracción de hidrocarburos a partir de reservorios no convencionales tipo “shale”. Actualmente, las principales estrategias empleadas para la obtención de recursos energéticos provenientes de fuentes no convencionales, se basan en WBMs que permiten reemplazar los fluidos de perforación en base aceite (OBMs) tradicionalmente utilizados, pero con ventajas económicas y ambientales. En la presente Tesis se estudia el diseño de WBMs sustentables desde el punto de vista económico, ambiental y de performance, aplicados a formaciones “shale” de Argentina. A tales efectos, los fluidos se preparan siguiendo las recomendaciones de las normas API (American Petroleum Institute) y se caracterizan en cuanto a sus propiedades reológicas, de filtración, térmicas, morfológicas y estructurales. Además, el comportamiento reológico se estudia teóricamente mediante la implementación de diferentes modelos. Por otra parte, se investiga el reemplazo de un aditivo tradicionalmente utilizado en los WBMs, la goma xantana (XGD), por nanofibrillas de celulosa (CNFs), obtenidas mediante diferentes tratamientos, procurando obtener ventajas económicas y ambientales y a la vez asegurando una adecuada performance. En el Capítulo 1 se presenta una breve descripción de las diferentes fuentes de energía utilizadas tradicionalmente y la evolución de la producción y consumo energético a nivel mundial. Se describe otra fuente de energía a partir de hidrocarburos provenientes de reservorios no convencionales tipo “shale”. Se presentan las etapas necesarias para la extracción de hidrocarburos a partir de reservorios convencionales y no convencionales, detallando la metodología correspondiente a la etapa de perforación. Se describen aspectos generales de los fluidos de perforación, tales como su clasificación, composición, propiedades y funciones durante dicha operación. Se clasifican los diferentes aditivos utilizados y se indican sus funciones en los fluidos, haciendo énfasis en los aditivos poliméricos. Finalmente se presenta una revisión bibliográfica del desarrollo actual de los WBMs. En el Capítulo 2 se formula un WBM (denominado fluido base) con características reológicas similares a los OBMs utilizados en formaciones “shale” de Argentina (Vaca Muerta). Sobre la base del fluido base se preparan diferentes fluidos variando la concentración de dos importantes aditivos polimérico, la XGD y la celulosa polianiónica (PAC), con el fin de evaluar el efecto de la concentración sobre las propiedades funcionales de los fluidos. Además, se presenta la caracterización de la formación “shale” para determinar el tipo y el contenido de arcillas presentes como asi también otros componentes. También se caracteriza la bentonita (BT) ya que es el constituyente base del fluido diseñado y su caracterización es vital para el estudio de las interacciones fisicoquímicas con los otros componentes del WBM. Por otra parte, se emplean modelos reológicos combinados con análisis estadístico para describir teóricamente el comportamiento reológico de los fluidos en función de la concentración de los aditivos poliméricos. En el Capítulo 3 se estudia el posible reemplazo de la XGD por CNFs en WBMs para “shale” de Argentina. Para ello se estudian dos tipos de CNFs, una totalmente blanqueada (B-CNF) y otra sin blanquear (L-CNF). Esta última proviene de un proceso de obtención más amigable con el medio ambiente y exhibe un atractivo económico adicional. Las CNFs se caracterizan reológica, térmica, superficial (densidad de carga y potencial Z) y morfológicamente. El reemplazo se evalúa estudiando el efecto de las CNFs sobre las propiedades reológicas, de filtración, térmicas, morfológicas y estructurales de los WBMs. Para el estudio se utilizan diferentes fluidos. En primer lugar, se preparan sistemas simples conteniendo pocos aditivos [S-BCNF (BT / B-CNF / PAC / H2O), S-LCNF (BT / L-CNF / PAC / H2O), y S-XGD (BT / XGD / PAC / H2O)]. Estos sistemas simples permiten un mejor entendimiento de las interacciones que pueden existir entre los diferentes componentes. Luego se extiende el análisis a fluidos de composición más compleja como el fluido base para una formación “shale” de Argentina. Por otra parte, se implementan modelos reológicos para estudiar teóricamente el comportamiento de los fluidos. En el Capítulo 4, siguiendo una metodología análoga a la del Capítulo 3, se estudia el posible reemplazo de la XGD utilizando nanofibrillas de celulosa carboxiladas (R-CNF) procedentes del remanente de la producción de nanocristales de celulosa (CNC), que presenta ventajas económicas y medioambientales adicionales. Se evalúan fluidos simples basados en BT / R-CNF / PAC / H2O (sistema S-RCNF), como así también WBMs específicos para “shale” de Argentina. Además, a efectos de estudiar las interacciones interfaciales de la R-CNF y algunos de los aditivos presentes en los WBMs se implementa la novedosa técnica QCM-D (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring). En el Capítulo 5 se presenta un estudio preliminar sobre la caracterización del comportamiento viscoelástico de algunos de los fluidos estudiados en los Capítulos previos. Para dicha caracterización se utilizan técnicas reométricas dinámicas. Se realizan ensayos oscilatorios tales como barridos de deformación, de frecuencia, de temperatura y de tiempo. Estos ensayos permiten complementar la caracterización del comportamiento reológico de los fluidos a bajas velocidades de deformación. Además, se aplica la regla de Cox-Merz a fin de obtener el comportamiento reológico de los fluidos en un amplio rango de velocidad de deformación. Finalmente, en el Capítulo 6 se extraen las principales conclusiones del trabajo de investigación y se formulan algunas sugerencias para trabajos futuros.