Síntesis y caracterización de hidrogeles y matrices poliméricas con aplicaciones potenciales en agentes de sostén autosuspendidos

Abstract

Durante la estimulación hidráulica de un pozo destinado a la explotación de hidrocarburos, se inyectan agentes de sostén (materiales granulados también llamados apuntalantes o proppant) con el objeto de mantener la fractura abierta y conductiva durante la producción. El transporte, colocación y estabilidad del agente de sostén resulta crítico para la producción final de cada etapa de fractura de un pozo, especialmente en yacimientos no convencionales. Durante la operación de estimulación los agentes de sostén inyectados se sedimentan rápidamente dentro de la fractura y en general no llegan a cubrir las zonas más alejadas del pozo. Para colocar el agente de sostén a mayores profundidades se utilizan diferentes estrategias, tales como el uso de mallas más finas de arenas, la inyección de apuntalantes poliméricos de muy baja densidad, o la suspensión en fluidos de alta viscosidad. Todas estas técnicas tienen diferentes grados de éxito y asimismo conllevan algunas desventajas. El presente proyecto está basado en una de las soluciones para transportar agentes de sostén naturales (arenas) a mayores distancias, colocarlo en forma más uniforme a lo alto y largo de la fractura y usar una única granulometría que maximice la conductividad. Una de las nuevas tecnologías emergentes en el área de fractura hidráulica es el uso de agentes de sostén autosuspendidos. Esta tecnología consiste en recubrir las arenas (o en ocasiones cerámicos) con hidrogeles. Cuando los granos recubiertos entran en contacto con el fluido de fractura el hidrogel se hidrata absorbiendo grandes volúmenes de agua que permanece ligada al grano. De esa forma, un grano de agente de sostén puede reducir su densidad efectiva de 2,65 g/cm3 (en el caso de arenas) a 1,4 g/cm3. Esto permite transportar el agente de sostén en forma más efectiva hasta distancias mayores, alejadas de los punzados del pozo, sin la necesidad de un fluido de transporte diferente del agua y con el uso de bajos caudales de bombeo. Dentro del primer y segundo capítulo se realiza una introducción para poner en contexto al lector sobre la extracción de hidrocarburos, los tipos de agentes apuntalantes, sus características y un panorama sobre hidrogeles sensibles a estímulos como así la hipótesis y objetivos de este trabajo. Luego se detallan, en el tercer capítulo, la síntesis y preparación de los sistemas estudiados, la elección y características de los derivados de acrilamida utilizados (N-isopropilacrilamida y N-isopropilmetacrilamida) y la combinación con poliuretano (híbridos) justificando la selección de estos reactivos para la elaboración de este trabajo. Se plantea la síntesis de los homopolímeros y de los híbridos poliuretano-acrilamida. En el cuarto capítulo se detallan los métodos instrumentales utilizados para la caracterización de estas dispersiones, sus fundamentos y los resultados obtenidos como así también el análisis de éstos. Dentro de las metodologías utilizadas podemos mencionar la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para el seguimiento de las reacciones, la espectroscopia UV-Visible para estudiar la velocidad de colapso de las dispersiones coloidales obtenidas, frente a iones mono y divalentes como así sus propiedades superficiales y su estabilidad mediante el estudio de potencial zeta. Asimismo, se muestra el hinchamiento en agua (swelling) de los sistemas sintetizados al verse sometidos, en forma de películas, en agua a diferentes temperaturas como así la variación del diámetro hidrodinámico mediante la utilización de dispersión dinámica de luz para comprender el comportamiento de las dispersiones al verse sometidas a diferentes estímulos como temperatura, pH y fuerza iónica. Mediante calorimetría diferencial de barrido y análisis termogravimétrico se pudo estudiar las transiciones y las temperaturas de degradación de los híbridos obtenidos, sus diferencias con respecto a ellos y al homopolímero poliuretánico. En el capítulo 5 se presenta la caracterización de la arena mediante el estudio de ensayos basados en la norma API 19 C mientras que, en el capítulo 6, se describe una simulación donde se compara el agente apuntalante con y sin recubrimiento para demostrar su posible eficiencia en el pozo en conjunto con ensayos a nivel laboratorio para avalar los resultados obtenidos en las simulaciones. Por último, en el capítulo 8, 9 y 10 se detallan las conclusiones obtenidas a partir de los análisis anteriores, las actividades y líneas de estudio que pueden ser motivo de trabajos futuros.