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Enahpe 2019 - 063 ENAHPE 2019 – Encontro Nacional de Construção de Poços de Petróleo e Gás

Serra Negra – SP, 19 a 22 de Agosto de 2019

Fluidos viscoelásticos para mitigação da perda de

circulação: Um estudo reológico e numérico

F.A. Tapias Hernández1*, K. J. Clinckspoor2*, Walter L.F. Antelo3*, Rosangela B.Z.L. Moreno4*

* Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Energia, Rua Mendeleyev 200, Campinas, São Paulo,

Brasil, CEP 13083-860. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumo Este trabalho apresenta um estudo reológico de diferentes formulações de fluidos viscoelásticos base água

(FBA) como soluções para a perda de circulação. As formulações propostas baseiam-se em duas abordagens, a saber,

estruturas supramoleculares conhecidas como micelas gigantes, com e sem nanopartículas, crosslinking entre

polímeros comerciais sintéticos e biopolímeros. Os fluidos de teste foram preparados em salmouras saturadas com

NaCl, pH entre 9 – 10. Testes reológicos oscilatórios e curvas de fluxo em três temperaturas diferentes foram

realizados. O comportamento reológico do fluido foi aproximado ao do modelo de Herschel-Bulkley e o ajuste foi

usado como dado de entrada em um modelo numérico bidimensional que assume fluxo laminar na fratura. Uma

análise de sensibilidade foi realizada visando prever o raio de invasão atingido com as novas formulações em função

da espessura da fratura e diferencial de pressão, em comparação com o comportamento exibido por um FBA

usualmente empregado pela Petrobras. No caso das soluções compostas por micelas gigantes foi possível observar

um patamar Newtoniano maior até taxas de cisalhamento mais altas e também para temperaturas mais elevadas, isto

é, a taxa de início do regime pseudoplástico aumenta. Por outro lado, a presença de nanopartículas de sílica

melhoraram o comportamento reológico das micelas gigantes devido a sua atuação como agente de pseudo-

crosslinking nesses sistemas. As soluções de crosslinking de polímeros compostas por polímeros sintéticos e

biopolímeros comerciais foram avaliadas reologicamente a fim de avaliar a ação dos íons metálicos empregados

como agentes de crosslinking, bem como o efeito da concentração destes íons no comportamento do fluido de teste.

Comparando a eficácia dos cátions de Cr+3 e Fe+3 foi possível concluir que o cromo gera uma tensão limite de

escoamento maior. Finalmente, a perda de circulação foi estimada com base no comportamento reológico das

formulações propostas. De acordo com os resultados, os fluidos baseados em micelas gigantes e nanopartículas, e

sujeitos a temperaturas inferiores a 40°C, poderiam mitigar a perda de circulação em fraturas com até 5 mm de

espessura e um diferencial de pressão até 500 psi. Já, as formulações com crosslinking poderiam ser consideradas

como mitigadores de perda de circulação sob tais condições em temperaturas até 60°C.

1. Introdução A descoberta de grandes reservas de petróleo e gás no

pré-sal Brasileiro tem motivado a continua melhora das

operações de perfuração, sendo necessário desenvolver

novas tecnologias e práticas operacionais. O pré-sal

brasileiro é um reservatório de rochas carbonáticas

altamente heterogêneo, localizado abaixo de 2000

metros da capa de sal, com um conteúdo variável de

CO2 e fluidos com um gradiente composicional em

função da profundidade [1]. As perfurações conduzidas

pela Petrobras nas bacias brasileiras têm atingido

profundidades até 7000 metros em condições extremas

[2]. Devido a isso, diferentes desafios têm se

apresentado, tais como, reservatórios depletados, capas

de sub-sal, pré-sal, e reservatórios naturalmente

fraturados.

Os fluidos de perfuração usados para perfurar zonas de

sal precisam ser customizados cuidadosamente visando

prevenir o colapso da parede do poço, evitar torques

altos, reduzir a dissolução de sal, desvios da trajetória,

colapso do casing e especialmente, evitar a perda do

poço [3]. Outro importante desafio a ser superado ou

minimizado nesse tipo de reservatório é a perda de

circulação, situação na qual a quantidade de fluido que

retorna do poço é menor que a quantidade de fluido

bombeada durante a perfuração [4] em operações

sobre-balanceadas. Além dos riscos técnicos

mencionados acima, a perda de circulação gera

impactos econômicos devido ao aumento do tempo

improdutivo, adição de custos imprevistos devido aos

fluidos perdidos e tratamento utilizado para minimizar

ou mitigar o problema.

Existem duas soluções principais para combater a

perda de circulação. A primeira delas e mais

comumente usada é o uso de material sólido particulado

(LCMs-Lost Circulation Materials) tais como grafite

sintético, carbonato de cálcio, micas, gilsonita e fibras.

A segunda solução é baseada em fluidos sem alto

conteúdo de sólidos cujo mecanismo de combate à

perda de circulação é a regulagem da viscosidade,

projeto da tensão limite de escoamento, fluidos

espessantes, entre outros [5].

mailto:[email protected]






Este trabalho visa o estudo reológico de diferentes

formulações de fluidos viscoelásticos base água (FBA)

como soluções para a perda de circulação. As

formulações propostas baseiam-se em duas abordagens

diferentes. Primeiro, são consideradas as estruturas

supramoleculares conhecidas como micelas gigantes,

com e sem nanopartículas, crosslinking de polímeros

comerciais sintéticos (Poliacrilamida parcialmente

Hidrolisada - HPAM) e biopolímero (HEC -

Hidroxietilcelulose). O comportamento reológico do

fluido foi aproximado ao do modelo de Herschel-

Bulkley e o ajuste foi usado como dado de entrada em

um modelo de previsão de perda de circulação

bidimensional que assume fluxo laminar numa fratura

infinita [6]. Uma análise de sensibilidade foi realizada

visando conhecer o volume da perda e prever o raio de

invasão atingido em função da espessura da fratura com

as formulações propostas neste trabalho, em

comparação com o comportamento exibido por um

FBA usualmente empregado pela Petrobras.

2. Marco teórico Durante a perfuração de um poço, os fluidos

empregados têm tido os seguintes propósitos: servir

como um veículo para a remoção de cascalhos do poço,

resfriar e limpar a broca, reduzir o atrito entre a coluna

de perfuração e as paredes do poço, manter a

estabilidade das seções não revestidas do poço,

prevenir a entrada de fluidos a partir das rochas

permeáveis penetradas, formar um reboco fino, entre

outras [7].

O projeto dos fluidos viscoelásticos propostos neste

estudo fundamenta-se em avaliar reologicamente

fluidos capazes de desenvolver uma alta tensão de

escoamento em função de variáveis, tais como, tensão

taxa de cisalhamento, temperatura ou pH.

A seguir, apresenta-se brevemente conceitos

essenciais para o correto entendimento deste trabalho.

2.1. Classificação de perdas de circulação As perdas de fluido de perfuração são classificadas

segundo a vazão volumétrica perdida, parâmetro

associado à severidade do problema [4].

Perda menor: taxa de perda menor que 10

barris por hora (bbl/h);

Perda parcial: 10 – 100 bbl/h;

Perda severa: maior que 100 bbl/h;

Perda total: Fluido não retorna à superfície.

Perdas severas e totais em reservatórios

naturalmente fraturados no oriente médio [8] e em

poços offshore no leste da África [9] tem sido

reportadas. Além disso, tem-se evidências de perdas

severas em reservatórios carbonáticos offshore no golfo

de México [10]. Esses eventos têm gerado impactos

econômicos entre 10% e 20% do preço total em poços

exploratórios e de produção, respectivamente [11].

Geralmente, um terço dos poços perfurados pela

Petrobras apresentam perda de circulação [12].

Os sistemas de controle de perda baseados no

comportamento reológico dos fluidos devem atender

alguns critérios principais de desempenho para serem

considerados eficientes. A solução deve ser capaz de:

1) manter suas propriedades sob pressão; 2) minimizar

a invasão de fluido para a formação; 3) possibilitar a

remoção do fluido invasor, de forma a minimizar o

dano à formação.

Normalmente, estas soluções são usadas como

pílulas de controle que são bombeadas até a zona que

requer controle temporário [13]. Esse tipo de sistemas

constituem um desafio na indústria do petróleo, pois

exigem estudos detalhados visando superar

dificuldades como o tempo de reação e a dinâmica

apropriada de injeção dos fluidos até o ponto alvo.

2.2. Caracterização reológica A representação gráfica entre a tensão e a taxa de

cisalhamento é conhecida como curva de fluxo (Figura

1). A equação de fluxo correspondente a cada curva é

apresentada na Tabela 1.

Figura 1 Curvas de fluxo e diferentes tipos de fluidos. [14]

Tabela 1 Equações de fluxo dos diferentes tipos de fluidos

Tipo de fluido Equação de fluxo Observação

Dilatante 𝜏 = 𝐾(�̇�)𝑛 n > 1

Newtoniano 𝜏 = 𝜇�̇�

Pseudoplástico 𝜏 = 𝐾(�̇�)𝑛 n < 1

Dilatante com tensão

limite de escoamento 𝜏 = 𝜏0 +𝐾(�̇�)𝑛 n > 1

Plástico de Bingham 𝜏 = 𝜏0 + 𝑉𝑝�̇�

Pseudoplástico com

tensão limite de

escoamento ou

Herschel-Bulkley

𝜏 = 𝜏0 +𝐾(�̇�)𝑛 n < 1

Na Tabela 1, K é o índice de consistência, n é o índice

de comportamento, μ é a viscosidade dinâmica, Vp é a

viscosidade plástica, e 𝜏0 é a tensão limite de

escoamento.

A tensão limite de escoamento é a tensão mínima

suficiente que tem que ser aplicada para romper a



estrutura em gel dos materiais e iniciar o escoamento.

A viscosidade de um fluido é a medida da resistência

ao escoamento desse fluido. Essa resistência é o

resultado do atrito das espécies constituintes e é

proporcional ao gradiente de velocidade entre elas.

Uma representação típica da relação entre a viscosidade

aparente (η) e a taxa de cisalhamento para soluções

poliméricas é apresentada na Figura 2. Pode-se

observar que a curva de fluxo possui três regiões

distintas. Em taxas de cisalhamento suficientemente

baixas, a viscosidade atinge um patamar conhecido

como viscosidade na taxa de cisalhamento zero (𝜂0). À

medida que a taxa de cisalhamento atinge um valor

crítico (�̇�𝑐), a viscosidade começa a cair e o

comportamento do fluido muda de Newtoniano para

pseudoplástico. Para taxas de cisalhamento muito

elevadas, um segundo patamar de viscosidade é obtido,

semelhante à viscosidade do solvente. Este segundo

patamar é referido como viscosidade na taxa de

cisalhamento infinita (𝜂∞).

Figura 2 Comportamento de fluidos pseudoplástico [15]

2.2. Micelas gigantes Micelas gigantes referem-se a soluções de surfactante

(moléculas anfifílicas) cuja concentração é maior que

uma dada quantidade, chamada de concentração

micelar crítica (cmc) [16]. Estas condições resultam na

formação de diferentes estruturas moleculares com

características diversas. Fatores como a concentração

do surfactante, a adição de outros componentes, a força

iônica e a temperatura do meio determinam as possíveis

morfologias dos agregados, os quais podem se

apresentar como micelas esféricas ou até fases

estruturalmente mais complexas, tais como, bastões,

lamelas e vesículas [17]. A micela gigante (Fig. 3), ou

alongada (wormlike micelles -WLM), é um tipo de

agregado gerado a partir da adição de uma espécie,

chamada cossoluto, capaz de alterar o empacotamento

crítico (cpp) do surfactante através do posicionamento

entre os grupos polares [18]. Este mecanismo permite

que o agregado cresça unidimensionalmente, gerando

estruturas com altos valores de razão aspecto [19].

Figura 3 Representação esquemática do processo de

formação de uma micela gigante [19].

As micelas gigantes exibem um comportamento

reológico análogo ao dos polímeros lineares, porém

com a característica adicional de serem agregados

reversíveis, o que permite chamá-los de polímeros

vivos – living polymers [20]. Adicionalmente, estas

estruturas exibem um comportamento viscoelástico

excepcional no regime semidiluído devido ao

emaranhamento das cadeias. O módulo de

armazenamento (G’), também chamado módulo

elástico, está relacionado com a lei de Hooke [15] e

associado com a memória ou elasticidade da solução

micelar. Ou seja, G’ determina como o material retorna

à sua configuração inicial. Por outro lado, as mudanças

geradas no módulo de perda (G’’) [21], também

chamado de módulo viscoso, proporcionam

informações sobre as propriedades viscosas da solução.

Se G’ e G’’ existem simultaneamente e são

horizontalmente paralelas durante um teste de

varredura de amplitude, pode-se afirmar que o material

possui uma região viscoelástica linear (LVR) [22].

As micelas gigantes têm sido amplamente usadas

em produtos da indústria cosmética e farmacêutica,

empregando surfactantes que contêm grupos

etoxilados, amônio quaternário ou carboxilatos, devido

à sua natureza não contaminante e biodegradável [23].

As aplicações desses sistemas supramoleculares na

indústria do petróleo estão principalmente relacionadas

ao faturamento hidráulico [24] e à recuperação

avançada de petróleo [25]. Devido às propriedades

elásticas e viscosas excepcionais, as micelas gigantes

são consideradas alvo de estudo neste trabalho visando

avaliar sua possível contribuição no combate à perda de

circulação.

2.3. Polímeros reticulados (Crosslinking) Os polímeros podem ser classificados estruturalmente

como termoplásticos e termofixos (ou termorrígidos).

No primeiro caso, as cadeias da macromolécula têm um

tamanho microscopicamente finito, ou seja, os

polímeros termoplásticos são caracterizados como

sequências em série de unidades monoméricas, tendo

início e fim. No caso dos polímeros termofixos,

também denominados reticulados, os mesmos possuem

tamanho microscopicamente infinito, sendo

caracterizados por uma rede tridimensional formada

η0

η∞

log η

log



pela união de vários segmentos de cadeia. Em contato

com solventes, esses polímeros sofrem um processo de

inchamento (intumescimento) produzindo géis de

polímero-solvente. O grau desse intumescimento

depende da interação polímero-solvente e do grau de

reticulação do polímero [26].

A principal vantagem desde sistemas baseia-se na

possibilidade de induzir o crosslinking no ponto alvo

através da modificação de variáveis que impactam

diretamente na cinética molecular, tais como,

temperatura, pH, pressão, cisalhamento, entre outras.

Sistemas reticulados conformados por polímeros

sintéticos e biopolímeros tem sido usados para perfurar

formações altamente heterogêneas ou como tratamento

para o gerenciamento da produção de água na indústria

petroleira [5], [27]–[33]. A maioria destes trabalhos

refere-se a sistemas reticulados através de misturas de

polímeros aniônicos com sais de metais de transição

com alta carga, por exemplo, Fe3+, Cr3+ ou Zr4+. Estas

espécies são altamente deficientes em elétrons,

sofrendo atração forte por múltiplos grupos

negativamente carregados. Dessa maneira, os metais de

transição servem de pontos de ancoragem através de

coordenação, para que diversas cadeias vizinhas

fiquem presas, dando origem à rede tridimensional.

2.4. Modelagem numérica Um modelo [6] de previsão de perda circulação num

sistema radial conformado por um poço de raio (rw) e

uma fratura infinita de espessura (w) foi usado neste

estudo (Equação 1). O modelo numérico considera que

o fluido se comporta como um fluido de Herschel-

Bulkley. As equações do modelo foram obtidas

baseando-se nos princípios de conservação de massa e

momento linear para o fluido, e diferencial de pressão

(∆𝑝) de interesse. O uso desse modelo permite

determinar o raio de invasão (rf), a quantidade de fluido

perdido e o tempo da perda.

(1)

3. Metodologia O trabalho foi divido em duas partes. A primeira

corresponde à parte experimental incluindo a

preparação de fluidos e posterior analise reológica. A

segunda parte abrange a aplicação do modelo de

previsão de perda de circulação escolhido. Em seguida,

a parte experimental é abordada com maior detalhe.

3.1. Materiais Para a execução deste trabalho, foram utilizados os

seguintes materiais: cloreto de sódio com pureza > 99%

(CAS 7647-14-5), goma xantana (CAS 11138-66-2),

óxido de magnésio, pureza > 98% (CAS 1309-48-4),

brometo de cetiltrimetilamônio (CAS 57-09-0),

salicilato de sódio, pureza > 99,5% (CAS 54-21-7) e

nanopartículas de Sílica, pureza 99.8% (CAS 112945-

52-5), todos adquiridos da Sigma Aldrich. Também

foram utilizados o Liovac 4260 e Liocide 35,

fornecidos pela Miracema – Nuodex, e o hidroxipropil

amido e carbonato de cálcio, fornecidos pela Petrobras.

3.2. Preparação dos fluidos

Inicialmente, um fluido base água sugerido pela

Petrobras (Tabela 2) foi preparado seguindo a norma

API 13B-1. Os demais fluidos foram preparados em

salmoura sintética de NaCl 110 lb/bbl.

Tabela 2 Composição do fluido base água

Fluido Base Água Concentração Unidade

Agua Industrial QSP

NaCl 110 lb/bbl

Goma Xantana 1.5 lb/bbl

Hidroxipropil amido 8 lb/bbl

Óxido de Magnésio 1.5 lb/bbl

Liovac 4260 2 %v/v

Liocide 35 0.5 lb/bbl

Carbonato de Cálcio QSP/9.5 ppg

Fonte: Petrobras

As soluções micelares a base de brometo de

cetiltrimetilamônio (CTAB) foram preparadas usando

um agitador magnético visando reduzir a produção de

espuma durante a preparação. Posteriormente, com

base nas concentrações de CTAB testadas, foi

escolhida a concentração necessária para obter um

fluido com comportamento reológico similar ao fluido

base água. Além disso, foi testado o efeito de

nanopartículas de sílica em três concentrações, de 0,1,

0,5 e 1,0 % mássica (wt), e o efeito do cossoluto

salicilato de sódio (NaSal).

Duas formulações de polímeros reticulados foram

preparadas conforme descrição a seguir.

A primeira delas composta por 8000 ppm de HPAM

6030S e 4000 ppm hidroxipropilamido (HPA) e

reticulada com uma solução de salmoura sintética e

uma concentração de Cr3+ apropriada para que a

proporção molar de grupos acrilato do HPAM e Cr3+

fosse aproximadamente 3 [29]. Duas misturas desses

fluidos foram testadas numa proporção volumétrica de

50/50 e 75/25.

A segunda formulação de polímero reticulado

consistiu de uma solução composta por HEC,

persulfato de amônio (APS), ácido acrílico (AA) e

cloreto de ferro (III) visando produzir um hidrogel de

alta resistência mecânica a partir da combinação de

duas formulações (fluido A + fluido B), conforme a

formulação apresentada por Hussain et. al. [34].

Na Tabela 3 são apresentadas as formulações, as

condições e os testes conduzidos.



Tabela 3 Teste Reológicos conduzidos.

Formulação Tempe

ratura

Tipo de

Teste

F1 Fluido base água 25,40,60 CF*

F2 CTAB 25 mM 25,40,60 CF OSC





F7 CTAB 35 mM - NaSal

2.5 25,40,60 CF OSC

F8 CTAB 35 mM - SiO2

0.1 wt 25,40,60 CF OSC


0.5 wt 25,40,60 CF OSC


1 wt 25,40,60 CF OSC

F11 CTAB 35 mM - -

NaSal - SiO2 0.1 wt 25,40,60 CF OSC

F12 CTAB 35 mM - -

NaSal - SiO2 0.5 wt 25,40,60 CF OSC

F13 CTAB 35 mM - -

NaSal - SiO2 1 wt 25,40,60 CF OSC

F14 (HEC-AA) + (APS -

Fe3+) 25 CF

F15 (HPAM - HPA) +

Cr3+ (50/50) 25 CF

F16 (HPAM - HPA) +

Cr3+ (75/25) 25,60 CF

CF*: Curva de Fluxo, OSC: Teste oscilatório.

3.2. Caracterização Reológica Os parâmetros reológicos e viscoelásticos foram

medidos com o reômetro HAAKE MARS III. Os

rotores usados foram os cilindros concêntricos (Z41) e

placa-placa (P35), de acordo com os valores de

viscosidade observados. As curvas de fluxo foram

adquiridas em taxas de cisalhamento entre 10-1 e

103 s-1 com 20 pontos de medição. Essas curvas de

fluxo foram utilizadas para a avaliação da viscosidade

aparente, tensão limite de escoamento e efeitos da

temperatura. O comportamento viscoelástico das

soluções baseadas em micelas gigantes foram

estudados por meio de testes de varredura de amplitude

(AST – amplitude sweep tests) entre 0.001 – 100 [Pa]

visando escolher uma tensão que estivesse dentro da

LVR. Posteriormente, foi conduzida a varredura de

frequência (FST – Frequency sweep tests) entre 0.01 –

10 Hz. No caso das WLM, as medidas foram

conduzidas em três temperaturas 25, 40 e 60 °C. No

caso das soluções de polímero reticulado, as medidas

foram conduzidas a 25°C e a solução mais promissora

foi testada a 60°C.

4. Resultados e discussão

4.1 Curvas de fluxo Nesta seção são apresentados os resultados da

caracterização reológica dos sistemas moleculares de

interesse. Em todos os gráficos das Figuras 5.a, 6.a e

7.a, os resultados obtidos para as formulações F2 a F6

e F14 a F16 foram comparadas com os resultados da

formulação F1 (região azul sombreada) para os limites

de temperatura de interesse. Na Fig. 5.b, 6.b e 7.b são

apresentados os resultados dos efeitos do NaSal e do

SiO2 na formulação com CTAB 35mM (F7 a F13).

É possível afirmar que todos os sistemas

apresentaram um comportamento pseudoplástico nas

temperaturas testadas. O fato de usar uma salmoura

saturada de NaCl (concentração maior que 300.000

ppm) favorece a formação de micelas gigantes quando

o CTAB é adicionado à solução. Devido à blindagem

das cargas superficiais da micela de CTAB, ocorre uma

alteração do cpp, diminuindo a curvatura do agregado,

levando ao crescimento micelar.

Nas Figura 6.a , 7.a e 8.a observa-se que o patamar

Newtoniano nas soluções com estruturas

supramoleculares (F2 a F6) estende-se até taxas de

cisalhamento maiores e diminui com o aumento da

concentração de CTAB, já que a quantidade de solvente

em solução é maior e portanto, afasta-se do regime

semidiluído das micelas. Isso indica que esses efeitos

resultam em uma relaxação micelar mais rápida.

Com base na análise de sensibilidade da

concentração de CTAB, foi escolhida uma

concentração de 35 mM como referência para

prosseguir com estudo da influência das

nanopartículas. Esta concentração de CTAB também

for escolhida com base no fato da formulação

apresentar viscosidade dentro da faixa do FBA. A

presença desse nano-material gerou um efeito deletério

na viscosidade do material, que se acentuou quando a

concentração de SiO2 atingiu 1 %wt.

O NaSal foi escolhido como cossoluto a ser

adicionado na solução de CTAB inicial devido à

capacidade de penetrar na paliçada micelar,

neutralizando as cargas e afetando o empacotamento,

favorecendo o crescimento micelar [35]. A

concentração usada foi 2.5 vezes a concentração de

CTAB usada em cada caso. No entanto, numa solução

altamente salina, a carga superficial micelar, que é

positiva, diminui com a introdução de salicilato,

induzindo maior flexibilidade na micela e, portanto,

diminuindo sua viscosidade. Com o objetivo de superar

este efeito negativo, testou-se então a adição de

nanopartículas de sílica. Soluções contendo CTAB – NaSal – SiO2

conseguem reestruturar a micela (Figuras 5.b, 6.b e 7.b)

pois o SiO2 atua como ponto de ancoragem para o

crescimento das micelas (Figura 4) além de exercer um

pseudocrosslinking que aumenta sua rigidez [24].

As curvas de fluxo das micelas com nanopartículas

(Figura 6.b, 7.b e 8.b) apresentam mudanças no

comportamento pseudoplástico em taxas de

cisalhamento superiores a 10 s-1. Tem-se a hipótese de

que esse comportamento é gerado pelo fenômeno

conhecido como shear-banding. Resultados similares

tem sido reportados [36], [37].



Figura 4 Ilustração do mecanismo de melhoramento da

micela gigante [24].

Por outro lado, em relação aos fluidos reticulados,

pode-se concluir que o polímero reticulado com Fe3+

não exibe um patamar Newtoniano evidente (Figura

6.a), provavelmente porque o hidrogel formado durante

o processo de polimerização do HEC (Figura 5) possui

uma alta resistência mecânica [34].

Figura 5 Solução resultante do processo de polimerização

do (HEC-AA) + (APS - Fe3+)

Figura 6.a Curvas de fluxo para sistemas micelares e

polímeros reticulados a 25 C. Figura 5.b Curvas de fluxo para sistemas micelas com

nanopartículas a 25 C

Figura 7.a Curvas de fluxo para sistemas micelares a 40 C Figura 6.b Curvas de fluxo para sistemas micelares com

nanopartículas a 40 C

Figura 8.a Curvas de fluxo para sistemas micelares e

polímeros reticulados a 60 C Figura 7.b Curvas de fluxo para sistemas micelares e

polímeros reticulados a 60 C



No caso das soluções reticuladas com Cr3+ o

patamar Newtoniano tende a aumentar quando a

concentração de solução HPAM-HPA aumenta na

solução, o que faz com que haja uma maior quantidade

de cadeia polimérica disponível para interagir com os

cátions metálicos (Figura 6.a).

Entre os polímeros reticulados, a solução contento

uma proporção volumétrica de 75/25 foi escolhida para

ser testada em na temperatura mais elevada. Isto devido

a seu comportamento reológico em taxas superiores a 1

s-1. A temperatura apresentou um efeito deletério nas

soluções de micelas gigantes testadas, como era

esperado. Como a energia coesiva do solvente, que

modula o efeito hidrofóbico, a fator motriz para

micelização diminui com a temperatura, e por isso, é

natural que a micelização seja negativamente afetada.

No caso do polímero reticulado com Cr+3, o

acréscimo da temperatura aumenta o tempo de

gelificação, justificando a resposta viscosa elevada

desta formulação a 60 °C (Figura 7.a). Tal formulação

a 60 °C tem um comportamento viscoso similar à

formulação base água a 25 °C.

4.2 Testes oscilatórios Os resultados das varreduras de amplitude e frequência

são apresentados a seguir. As micelas gigantes com e

sem nanopartículas apresentaram uma região

viscoelástica linear a 25 e 40 °C (Figura 9.a, Figura 10.a

e Figura 11.a). Uma tensão de 1 [Pa] foi escolhida para

conduzir as varreduras de frequência de todas as

amostras. Os resultados das soluções sem

nanopartículas elucidam que, a 40°C, predomina o

comportamento viscoso (G’’). Tal comportamento está

presente nas soluções com nanopartículas também.

O comportamento elástico é predominante só a 25

°C (Figura 9.b, Figura 10.b e Figura 11.b) caracterizado

por uma redução da interseção entre o G’ e G’’, também

conhecido como tempo de relaxação do sistema.

Figura 9.a AST de uma solução de CTAB 35 mM em

salmoura sintética saturada a diferentes temperaturas Figura 9.b FST de uma solução de CTAB 35 mM em

salmoura sintética saturada a diferentes temperaturas

Figura 10.a AST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com

diferentes concentrações de SiO2 a 25 C Figura 10.b FST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com

diferentes concentrações de SiO2 a 25 C

Figura 11.a AST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com

diferentes concentrações de SiO2 a 40 C Figura 11.b FST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com

diferentes concentrações de SiO2 a 40 C



4.1 Previsão de perda de Circulação A partir dos dados obtidos nos testes reológicos, pode-

se estimar a perda de circulação em uma situação de

campo. Para isso, foi utilizado o modelo de previsão de

perda desenvolvido por Majidi (2008) [6], cujos

parâmetros de entrada são a tensão limite de

escoamento, o índice de consistência e o índice de

comportamento dos fluidos de interesse (Equação 1).

Para obter esses parâmetros, as formulações testadas

foram ajustadas segundo o modelo reológico de

Herschel-Bulkley.

Somente os fluidos que apresentaram uma tensão

limite de escoamento similar ou maior que o fluido base

foram utilizados na estimativa de perda de circulação

(Tabela 4 e Tabela 5). Para a análise de sensibilidade

foi considerado um diferencial de pressão de 500 psi,

uma espessura de fratura de 5 milímetros e um raio de

poço de 4.125 polegadas.

Segundo as sensibilizações de propriedades, as

formulações escolhidas poderiam mitigar a perda de

circulação em comparação com o fluido base água

testado. Observa-se que no modelo matemático

escolhido, além da tensão limite de escoamento, o

índice de consistência do fluido influencia

significativamente o volume de perda e raio de invasão

durante o processo (Vide Figs. 12 e 13)

Os sistemas micelares exibem resultados

promissores. No entanto, pressões elevadas podem

comprometer o estado de agregação destes sistemas

[38], [39] e gerar um rompimento das micelas

diminuindo sua eficácia e alterando suas propriedades

reológicas.

Assim sendo, devido às respostas exibidas pelos

sistemas reticulados, acredita-se que os mesmos sejam

mais apropriados para testes experimentais de filtração

estática e dinâmica.

Tabela 4 Parâmetros usados para a análise numérica das

diferentes formulações testadas a 25 C

Formulação Tensão

Limite K n

F1 FBA 5.018 1.902 0.445

F5 CTAB 75 mM 48.810 0.100 0.936

F6 CTAB 100 mM 89.843 0.586 0.743

F11 CTAB 35 mM -NaSal

- SiO2 0.1 wt 32.155 0.001 1.642

F12 CTAB 35 mM -NaSal

- SiO2 0.5 wt 25.125 1.403 0.509

F13 CTAB 35 mM - NaSal

- SiO2 0.1 wt 22.756 0.283 0.718

F14 (HEC-AA) + (APS -

Fe3+) 101.400 2.092 0.882

F15 (HPAM - HPA) +

Cr3+ (50/50) 26.860 0.844 0.526

F16 (HPAM - HPA) +

Cr3+ (75/25) 46.639 8.127 0.318

Tabela 5 Parâmetros usados para a análise numérica

soluções micelares testas 40 C / polímero reticulado a 60 C

Formulação Tensão

Limite K n

F1 FBA 1.001 2.394 0.365

F2 CTAB 25 mM 7.903 0.184 0.689

F3 CTAB 35 mM 13.060 0.059 0.967

F4 CTAB 50 mM 26.211 2.0E-04 1.898

F5 CTAB 75 mM 45.439 0.0049 1.419

F6 CTAB 100 mM 48.44 2.7E-05 2.252

F16 (HPAM - HPA) + Cr3+ (75/25)*

27.96 0.377 0.738

* Polímero reticulado e testado a 60 C

Figura 12.a Volume de perda em função do tempo para as

diferentes formulações testadas a 25 C Figura 12.b Raio de invasão em função do tempo para as

diferentes formulações testadas a 25 C



Figura 13.a Volume de perda em função do tempo para as

soluções micelares a 40 C e o polímero reticulado a 60 C Figura 13.b Raio de invasão em função do tempo para as

soluções micelares a 40 C e o polímero reticulado a 60 C

5. Conclusões Com base no estudo reológico e viscoelástico é possível

concluir que:

Em soluções saturadas de NaCl, o CTAB gera

estruturas supramoleculares de alta viscosidade e

viscoelasticidade a 25 °C devido à blindagem das

cargas superficiais da micela diminuindo a

curvatura do agregado, levando ao crescimento

micelar;

A presença do NaSal em soluções saturadas de

NaCl gera a diminuição da carga superficial

micelar, induzindo maior flexibilidade da micela

e, portanto, diminuindo sua viscosidade;

Através das curvas de fluxo, pode-se confirmar a

melhora do comportamento reológico das micelas

gigantes segundo reportado na literatura. Assim,

nanopartículas de SiO2 conseguem reestruturar a

micela atuando como pontos de ancoragem para o

crescimento das micelas.

Os polímeros reticulados exibem propriedades

viscosas similares às micelas gigantes

caracterizados por uma estrutura molecular mais

robusta e resistente.

Baseado no estudo e sensibilização numérica conclui-

se que:

As formulações testadas são possíveis candidatos

para mitigar a perda de circulação do ponto de

vista reológico nas condições de temperatura e

cisalhamento testadas;

Os sistemas de polímeros reticulados são a

solução mais apropriada a ser considerada em

situações com temperaturas superiores a 40

°C.

É necessário testar estas formulações sob pressões

mais elevadas para conhecer o comportamento

reológico em condições análogas às

experimentadas durante uma operação em campo.

Agradecimentos Os autores agradecem à Petrobras e à ANP pelo suporte

durante a execução deste trabalho.

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Documents

Fluidos viscoelásticos para mitigação da perda de ...enahpe2019.ipt.br/Arquivos Anais do evento/063.pdf · de sub-sal, pré-sal, e reservatórios naturalmente fraturados. Os fluidos