MXPA98002378A - Procedimiento para conversion de recortes de perforacion de pozos en materia prima para la fabricacion de cemento y las composiciones cementiciasasi obtenidas - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para la conversión de recortes de perforación de pozos a materia prima en la fabricación de cemento, a un método para desechar y recuperar ciertos componentes de los fluidos materiales de perforación que se generan durante el proceso de perforar pozos de gas y petróleo y semejantes, y las composiciones cementicias asíobtenidas.

Description

PROCEDIMIENTO PARA CONVERSIÓN DE RECORTES DE PERFORACIÓN DE POZOS EN MATERIA PRIMA PARA LA FABRICACIÓN DE CEMENTO Y LAS COMPOSICIONES CEMENTICIAS ASI OBTENIDAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS La patente de los E.U.A. No. 4,793,423 con título "PROCESS FOR TREATING DRILLED CUTTINGS " (PROCEDIMIENTO PARA TRATAR CORTES PERFORADOS) de Beth C. Knol , otorgada el 27 de diciembre de 1988, se refiere a procesar fluidos de perforación usados, cortes taladrados y terreno contaminado con sal, etc., para producir agua de lavado salina para inyectar aun pozo de desecho y materiales substancialmente libres de sal con tamaño graduado para operaciones de construcción o desecho no peligroso. La patente de los E.U.A. No. 4,809,791 con título "REMOVAL OF ROCK CUTTINGS WHILE DRILLING UTILIZING AN AUTOMATICALLY ADJUSTABLE SHAKER SYSTEM" (REMOCIÓN DE CORTES DE ROCAS DURANTE PERFORACIÓN UTILIZANDO UN SISTEMA AGITADOR AUTOMÁTICAMENTE AJUSTABLE) de Asadollah Hayatdavoudi , otorgada el 7 de marzo de 1989, se refiere a un sistema para optimizar la separación de partículas en un sistema agitador de un sistema de perforación de pozos. La patente de los E.U.A. No. 4,880,468 con título "WASTE SOLIDIFICATION COMPOSITION AND METHODS" (COMPOSICIÓN Y MÉTODOS DE SOLIDIFICACIÓN DE DESECHO) de David A. Bowlin, Michael J. Seuman otorgada el 14 de noviembre de 1989, se refiere a una composición para solidificación de desecho que comprende cemento hidráulico, cenizas volantes y material de sílice ahumada; a un método para disponer de materiales de desecho tales como lodos y cortes de perforación que resultan de taladrar un pozo de petróleo y gas. La patente de los E.U.A. No. 4,942,929 con título "DISPOSAL AND RECLAMATION OF DRILLING WASTES" (RECUPERACIÓN Y DESHECHO DE DESPERDICIOS DE PERFORACIÓN) de Edward Malachos y y Donna M. Lantero otorgada el 24 julio de 1990, se refiere a cortes de perforación que comprenden grava útil, cienos, arcillas y fluido de perforación agotado, que se recuperan y deshechan durante o después del proceso de perforación de un pozo al separar grava de grado de construcción del fluido de perforación y lavado de la grava, de ser necesario, antes de almacenamiento o colocarla en uso como material de construcción. La patente de los E.U.A. No. 5,058,679 con título "SOLIDIFICATION OF WATER BASED MUDS" (SOLIDIFICACIÓN DE LODOS DE BASE AGUA) de Arthur H. Hale y Kenneth M. Cowan otorgada el 22 de octubre de 1991, se refiere a un lodo de perforación que se convierte in-situ a un cemento por adición de escoria de alto horno.

La patente de los E.U.A. No. 5,277,519 con título "WELL DRILLING CUTTINGS DISPOSAL" (DESECHO DE CORTES DE PERFORACIÓN DE POZO) de James J. W. Nahm, otorgada el 11 de enero de 1994 en la que se descartan los cortes taladrados por solidificación al taladrar con un fluido de perforación que contiene escoria de alto horno, produciendo de esta manera cortes de perforación y otros desechos sólidos, concentrar los desechos y luego solidificar los desechos concentrados. Los desechos de perforación solidificados con la escoria de alto horno son duros y no lixiviables y la escoria de alto horno es compatible tanto con lodos de perforación de base aceite como de base acuosa y con los cortes de perforación. La patente de los E.U.A. No. 5,213,160 con título "METHOD FOR CONVERSIÓN OF OIL-BASE MUD TO OIL MUD-CEMENT" (MÉTODO PARA LA CONVERSIÓN DE LODO DE BASE ACEITE EN CEMENTO-LODO-ACEITE) de James J. W. Nahm y Reece E. Wyant, otorgada en mayo 25 de 1993 se refiere a un fluido de perforación que es una emulsión de agua-en-aceite, el cual puede convertirse en un fango de cemento-lodo-aceite para utilizar en procedimientos de cementado de pozos de petróleo. En la patente de los E.U.A. No. 5,314,882 con título "WELL DRILLING CUTTINGS DISPOSAL" (DESECHO DE CORTES DE PERFORACIÓN DE POZO) de Arthur H. Hale, otorgada el 30 de agosto de 1994, se descartan los cortes taladrados por solidificación al combinar los cortes con agua y escoria de alto horno e inyección de los cortes agua y escoria en un anillo que circunda una chaqueta de perforación y solidificarlos. La solidificación en cemento con escoria de alto horno es económica y la escoria de alto horno es compatible tanto con lodos de perforación de base aceite como base agua. La patente de los E.U.A. No. 5,580,379 con título "EMULSIÓN IN BLAST FURNACE MUD SOLIDIFICATION" (EMULSIÓN EN SOLIDIFCACION DE FANGO CON ESCORIA DE ALTO HORNO) otorgada en diciembre 3, 1996, se refiere a un fango cementicio que se prepara a partir de fluido de perforación, escoria de alto horno y una emulsión que comprende una fase externa de aceite y una fase interna acuosa. Después que el fango cementicio se mezcla y bombea en posición en un pozo, la emulsión se rompe y se liberan los aditivos. La patente de los E.U.A. No. 5,476,144 con título "CONVERSIÓN OF OIL-BASE MUD TO OIL MUD-CEMENT" (CONVERSIÓN DE LODO BASE ACEITE A CEMENTO-LODO DE ACEITE) otorgada el 19 de diciembre de 1995, se relaciona a un fluido de perforación con emulsión de agua-de-aceite que puede convertirse en un lodo de cemento-lodo de aceite para utilizar en procedimientos de cementado de pozos de petróleo.

La patente de los E.U.A. No. 5,370,185 con título "MUD SOLIDIFICATION WITH SLURRY OF PORTLAND CEMENT" (SOLIDIFlCATIÓN DE LODO CON FANGO DE CEMENTO PORTLAND) otorgada el 6 de diciembre de 1994, se refiere a producir 5 un fango cementicio al combinar un fluido de perforación acuoso con un fango de cemento Portland en aceite . La composición resultante tiene utilidad particular en operaciones de cementado primario para pozos de petróleo . 1. Campo de la Invención 10 La presente invención se refiere a un método y sistema para concluir el beneficio de juntar las sinergias a través de los recortes entre los procesos de perforación y el proceso de cemento, sea por el aprovechamiento de las materias primas y/o el de la energía térmica. 15 Tal como se muestra en las patentes anteriormente citadas, actualmente existen pocas alternativas de disposición final insuficientes para tratar dichos residuos respecto a las grandes cantidades generadas con el desarrollo de la explotación del petróleo. 20 COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Durante la perforación de pozos petroleros se generan básicamente dos tipos de residuos arcillosos, los primeros son denominados ^lodos de recortes base agua", los cuales son el producto de la perforación en zonas geológicas estables, los segundos resultan durante la # perforación en zonas geológicas inestables, a estos últimos se les adiciona durante la perforación del pozo materiales como aceites minerales, naftas, asfaltos, diesel, aditivos densificantes, emulsificantes, dispersantes, reductores de 5 pérdidas de fluidez y viscosificantes, formando en conjunto con las arcillas los llamados "lodos de recortes de emulsión inversa o base aceite" . Ambos residuos en forma genérica contienen materiales arcillosos, con contenidos de óxidos de silicio, aluminio y calcio principalmente, siendo estos óxidos parte de los que conforman la composición química de las materias primas para la fabricación del cemento, de aquí la denominación de "Conversión de recortes de perforación de pozos a cemento", en particular en pozos petroleros. 15 Este proceso de integración de los lodos de recortes de perforación al proceso del cemento, tiene además de la ventaja de aprovecharlos como parte de la materia prima en la fabricación del cemento, "El aprovechamiento de la energía y/o la destrucción térmica de los lodos base aceite que han sido contaminados durante la perforación . " Esta disposición final segura de los residuos generados de la perforación de los pozos en el proceso del cemento, tiene como resultado el evitar o reducir la contaminación de los suelos, el reciclaje de los materiales arcillosos y la destrucción térmica de estos lodos contaminados con hidrocarburos , favoreciendo de esta manera nuestro medio ambiente en forma sustentable . En muchas operaciones de pozos de petróleo y gas, el fluido de perforación y los materiales atrapados en el fluido durante el proceso de operación, generan un problema creciente en su manejo y desecho. Los reglamentos y consideraciones ambientales prohiben o hacen indeseable el desecho superficial de los lodos y cortes de perforación. Por otro lado, ciertas categorías de material que se produce en el proceso de perforación pueden recuperarse como materiales de construcción útiles tales como diversos grados de arena o grava. OBJETIVOS Un objeto de la presente invención es la conversión de recortes de perforación de pozos petroleros, a materia prima en la fabricación de cemento. Un objeto de la presente invención es un proceso para llevar a cabo dicha conversión. Otro objetivo de la presente invención es el desarrollo de una solución a los problemas de contaminación de suelos y aguas en los alrededores de las perforaciones de pozos petroleros. La invención tiene como otro objetivo el reciclar y/o destruir térmicamente los lodos contaminados con hidrocarburos, favoreciendo de esta manera nuestro medio ambiente en forma sustentable . Adicionales características de la invención, su naturaleza y diversas ventajas serán más aparentes a partir de los dibujos acompañantes y la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama esquemático en el que se ilustra la distribución de diámetros de tuberías en el lado izquierdo contra profundidades de perforación en el lado derecho, para la perforación típica de un pozo. La Figura 2 representa de manera diagramática las etapas del procedimiento para conversión de recortes de perforación de pozos a materia prima en la fabricación de cemento . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN De la Figura 1, en donde A representa representan recortes de lodos base de aceite, litologla: arcillas y arenas (zona de presiones anormales) , se deducen aproximadamente 500 m3 equivalentes a aproximadamente 1,000 Toneladas, que representan la generación promedio de los lodos de recortes por pozo en función de sus profundidades, que pasan a ser considerados como residuos. La composición de manera general de estos residuos resulta, en arcillas en un 80 %, cuarzo en 10 %, calcita en 3 %, hematita en 4 %, muscovita en 2% y en ocasiones clorita en 0.7 %. En general entre 2.5 a 5.5 Km. de profundidad se encuentran zonas inestables con presiones anormales donde 5 precisa la adición de los hidrocarburos y aditivos, de aquí que los lodos de los recortes salen del pozo contaminados en forma general con materiales como aceites minerales, diesel, naftas, asfaltos, sílicas y arcillas organofílicas, * usados como densificantes, emulsificantes, dispersantes, 10 reductores de pérdida de fluidez, emulsificantes y viscosificantes .

El resto de los recortes del pozo no precisa la adición de hidrocarburos y son denominados recortes base agua.

Características típicas de aditivos para perforación de pozos petroleros : Aceite mineral y destilado de petróleo (Naftas) , asfalto, caolín, sílica, gilsonite asfalto, alcohol metílico, diesel, ácido graso de cadena larga en aceite mineral, 20 mezcla de sal graso de imidazolina y sulfonato orgánico de calcio, arcilla organofílica, resinas orgánicas, mezcla de diamina modificada y ácido polibásico (solvente isoparafínico) , CaCl2, ácido graso oxidado derivado de aceite, dipropileno glicol metil éter, amonio y ácido húmico derivado de la Leonardita, arcilla organofílica derivada de un compuesto cuaternario de amonio y 5 montmorillonita, acondicionadores para emulsiones inversas . La Figura 2 comprenden por una parte la generación de recortes de perforación en pozos petroleros y por la otra la integración de los recortes en las etapas del proceso de cemento. En 10 se ilustra la alimentación de las materias primas, a una etapa de trituración y prehomogeneización 20 a la cual se suministran los recortes de perforación base agua 25, de ahí se pasa a la etapa de molienda de materias primas 30, de donde se procede a la fabricación de clinker 40, en donde se suministran los recortes de perforación base aceite 45, a continuación se pasa a la molienda del cemento 50 y de ahí pasa a almacenamiento y distribución del cemento 60. El siguiente ejemplo es meramente ilustrativo y no pretende limitar en forma alguna la invención. 20 EJEMPLO Para la corroboración de los beneficios de la presente invención desarrollada en ECOLTEC, empresa filial de Cementos Apasco, S.A. de C.V., fue preciso involucrar al Instituto Nacional de Ecología para contar con su autorización, a la Universidad Autónoma Metropolitana como aval de los protocolos realizados, el Instituto Mexicano del Petróleo con sus equipos de medición y análisis y obviamente de Petróleos Mexicanos del área de Perforación. El objetivo se basó en incorporar los lodos base 5 agua exentos de hidrocarburos en la etapa de Trituración- Prehomogenización del proceso de cemento y los lodos base aceite en la etapa de la Fabricación de Clinker entre 1,000 - 1,100°C, en un lugar específico del sistema del horno. Para comprobar los beneficios se realizaron 10 protocolos de prueba con y sin los lodos base aceite, en relación al comportamiento de los mismos lodos, el proceso del horno, el del cemento y las emisiones en chimeneas. El desarrollo de las pruebas de incorporación de los residuos, se efectuó durante el mes de Agosto de 1997, en la planta 15 de cemento en Macuspana, Tabasco, México. Los resultados de los protocolos se pueden resumir en los puntos siguientes: Respecto a las emisiones de gases como NOx, S02, HCt, HCl, CO, C02, 02 y las Partículas Suspendidas Totales en 20 la chimenea resumimos que el NOx y el HCl, no tiene influencia durante la incorporación de los lodos, los S02; CO y C02 resultaron reducidos con los recortes y el HCt y las Partículas requieren tener un mejor control de mezcla y dosificación del recorte.

Tomando cifras resultantes de los metales pesados Cd, Hg, As, Co, Ni, Se, Sb, Pb, Cr, Cu, Mn, V y Sn, tenemos que la suma de los valores máximos de las emisiones de todos los metales tanto en gases como sólidos resultan 5 en 0.0282 mg/Nm3, cifra bastante despreciable. Con esto es comprueba y justifica la razón de la incorporación de dichos residuos, pues una vez que los metales pesados en general, exceptuando el Hg, están en el "clinker-cemento-concreto" donde no son solubles 10 quedando encapsulados. De acuerdo con el comportamiento químico la incorporación de los recortes resultó entre un 1.5 - 4 % del total de las materias primas . El resultado en términos energéticos fue bastante relativo, 15 en uñ "caso se perdió el 3 % y en otro se ganó el 1 % del consumo térmico total del sistema haciendo que lo más relevante como reciclaje sea por las materias primas . Por los resultados resumidos anteriormente este 20 proceso se convierte en una disposición final segura de los residuos generados de la perforación de los pozos, reduciendo la contaminación de los suelos y aguas, pasando a ser un reciclaje y/o destrucción térmica de estos lodos contaminados con hidrocarburos, favoreciendo de esta manera 25 nuestro medio ambiente en forma sustentable .

El desarrollo de las pruebas de incorporación de los residuos, se efectuó durante el mes de Agosto de 1997, en la planta de cemento en Macuspana, Tab . , la cual es parte del Grupo Apasco junto con las Plantas en Orizaba, Veracruz; Apaxco, Estado de México; Ramos Arizpe, Coahuila; Acapulco Guerrero y Tecomán, Colima. Las pruebas se efectuaron con la Autorización del Instituto Nacional de Ecología, participando la Coordinación de Tecnología Ambiental del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) a través de sus Laboratorios Móviles de Monitoreo de Emisiones Contaminantes en Fuentes Fijas y la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Azcapotzalco (UAM-AZC) , participando como órgano colegiado de certificación . Se comprenderá que lo anterior solo es ilustrativo de los principios de la invención, y que diversas modificaciones pueden hacerse por aquellos con destreza en la especialidad sin apartarse del alcance y espíritu de la invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes :

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES 1. Procedimiento para conversión de recortes de perforación de pozos en materia prima para la fabricación de cemento, que comprende las etapas de a) extracción de calizas y arcillas para suministrarlas a la siguiente etapa b) de trituración y prehomogeneización de donde se obtienen los materiales con tamaño no mayor a 2.54 cm (1 pulgada) (máximo 5% de retenido en la malla de 3.81 cm (1.5 pulgadas) ) , de donde se alimentan los materiales a c) molienda de crudo, en donde se ajusta la mezcla de los materiales adicionando correctivos de sílica, aluminio, fierro o calcio y en donde además la mezcla se seca hasta una humedad final al 1%, obteniéndose una harina que se almacena, a la cual se insufla aire comprimido para homogeneizarla y se alimenta a la etapa d) de fabricación de clinker que comprende precalentar la harina en ciclones entre 280 y 350°C, precalcinarla entre 1,000 y 1,100°C en un quemador secundario, para alimentarla al horno rotatorio donde se alcanzan temperaturas de 1,450°C en el material (harina) y en los gases de 1,800 a 2,000°C, y e) molienda de cemento; caracterizado el procedimiento porque comprende introducir en la etapa b) de trituración y prehomogeneización los recortes de perforación de base agua que contienen partículas con tamaño entre .03 y .06 mm e introducir los recortes de perforación base aceite en la etapa c) de fabricación de clinker, para la destrucción térmica de los contaminantes .
2. 2. Procedimiento para conversión de recortes de perforación de pozos a materia prima en la fabricación de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el lodo del recorte se mezcla entre capas de las pilas de materiales con dosificación en función del S03.
3. 3. Procedimiento para conversión de recortes de perforación de pozos a materia prima en la fabricación de cemento de conformidad con la reivindicación 1 o 2 , caracterizado porque la dosificación está entre 1.5 y 4.0%.
4. 4. Procedimiento para conversión de recortes de perforación de pozos a materia prima en la fabricación de cemento de conformidad con las reivindicaciones 1 a 3 , caracterizado porque los pozos son de petróleo y/o gas .
5. 5. Método para desechar y recuperar ciertos componentes de los fluidos y materiales de perforación que se generan durante el proceso de perforar pozos de gas y petróleo y "semejantes, caracterizado porque comprende extraer del pozo, lodos de recortes de perforación base agua y base aceite, y en la etapa de trituración y prehomogeneización de fabricación de cemento, introducir los recortes de perforación de base agua que contienen partículas con tamaño entre .03 y .06 mm e introducir los recortes de perforación base aceite en la etapa de fabricación de clinker, para la destrucción térmica de los contaminantes .
6. 6. Composiciones cementicias caracterizadas porque comprenden lodos de recortes de perforación base agua suministrados en la etapa de trituración y prehomogeneización de las materias primas, esto es arcillas y calizas. 7. Composiciones cementicias caracterizadas porque se obtienen a partir de lodos de recortes de perforación base aceite suministrados en la etapa de fabricación de clinker. 8. Los cementos producidos a partir de la composiciones cementicias de conformidad con las reivindicaciones 6 y
7. 7.