FORMULAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PASTAS DE …sicbolsas.anp.gov.br/sicbolsas/Uploads/TrabalhosFinais/2007.1172-7/... · bruno do nascimento e silva formulaÇÃo e caracterizaÇÃo

Natal – 2009

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

BRUNO DO NASCIMENTO E SILVA

FORMULAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PASTAS

DE CIMENTO COM ADIÇÃO DE POLIURETANA

PARA A CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO

SUJEITOS À INJEÇÃO DE VAPOR

BRUNO DO NASCIMENTO E SILVA

FORMULAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PASTAS DE CIMENTO COM

ADIÇÃO DE POLIURETANA PARA A CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE

PETRÓLEO SUJEITOS À INJEÇÃO DE VAPOR

Monografia apresentada ao

programa de recursos humanos da ANP

para o setor petróleo e gás – PRH30 da

Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, referente à especialização em

Ciência e Tecnologia de Materiais

Aplicados à Indústria de Petróleo e Gás

Natural. Sob a orientação do Prof. Dr.

Antonio Eduardo Martinelli e co-

orientação da Prof.ª Dr.ª Dulce Maria de

Araújo Melo.

Natal – 2009

A minha irmã, Viviane,

pelo apoio e confiança em mim

depositada. E a Sabrina que

durante esses meses vem me

apoiando e participando da

minha vida, compartilhando

alegria, amor e companheirismo.

Aos meus pais, Edvaldo

e Aldeci, que lutaram contra

tantas dificuldades para deixar

aos seus dois filhos uma das

maiores heranças que estes

podem receber: educação.

"Não fomos todos criados para

sermos perfeitos, alunos nota dez,

celebridades, atletas mundiais ou

administradores de uma importante

corporação. Porém, fomos criados para

fazermos o máximo das qualificações e

habilidades que possuímos. Talvez a

realização mais esplêndida de todas seja a

luta contínua para superarmos a nós

mesmos"

DENIS WAITLEY

Agradecimentos

Agradeço à minha família que esteve sempre presente comigo

dando todo o apoio necessário para a conclusão deste trabalho. E me sinto

extremamente feliz em poder propiciar aos meus pais a felicidade de poder ver

seus dois filhos concluírem um curso superior, depois de tantos desafios

superados.

A Sabrina, o meu imenso agradecimento pelo apoio incondicional,

incentivo constante, e sobretudo, por muita compreensão e carinho.

Ao meu orientador e professor Antonio Eduardo Martinelli, pelo

apoio, pelos incentivos, pelos “puxões de orelha” e por ter acreditado em mim.

Uma pessoa pelo qual tenho grande respeito e consideração.

Aos professores Marcus Melo e Dulce Melo, pela confiança depositada

em mim e por oferecer sua orientação sempre que precisei.

As meninas: Rose, Petrúcia e Danielle, por desenvolverem grande parte

deste trabalho comigo, agradeço por sua ajuda e amizade.

As amizades que fiz durante o período de realização do trabalho e se

estendem até hoje: Diego, Danilo, Júlio, Daniel, Erica, Rodrigo, Alexandre,

Renata, Andreza, Kelly, Iran, Ana Cecília. Em especial à Priscila e Sibelle pela

convivência, ajuda e atenção.

Aos amigos que cultivei durante meu período de graduação: Tiago

(Raru), Dyego (Emo), Thiago (Cabeça), Fernando, Hirlan, Kim, Arthur, Rafael

(Maguila), Thales, Erik (Sansão), Erik (Zacarias) e aos demais.

A Laís, uma verdadeira irmã que encontrei nesse mundo, alguém

conquistou todo meu respeito e amizade.

Aos grandes irmãos que fiz durante meu período na equipe Car-Kará de

AeroDesign: Ramsés, Antonio, Calmon, Pepeu, Gabriela, Ranier, Raphael,

Josiane e o Prof. Cleiton Rubens. Fico feliz pelos desafios que vencemos, tanto

na conquista do título brasileiro quanto do título mundial.

As minha amigas de enfermagem, pela amizade e por estarem presente

nos momentos de descontração: Bia Medeiros, Bia Gondim, Gisele, Marilia,

Babi e Priscila.

E por fim, ao Laboratório de Cimentos (LABCIM/UFRN) pela

infraestrutura. À PETROBRAS pela colaboração e a Agência Nacional do

Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), por meio do PRH30, pelo

apoio financeiro.

Sumário

Lista de Figuras ........................................................................................ i

Lista de Tabelas ...................................................................................... iii

Resumo ................................................................................................... iv

Abstract .................................................................................................... v

1. Introdução ..................................................................................... 16

2. Aspectos Teóricos ........................................................................ 22

2.1 Petróleo ..................................................................................... 22

2.1.1 Óleos Pesados .................................................................... 23

2.1.2 Refino .................................................................................. 25

2.2 Recuperação do Petróleo .......................................................... 25

2.3 Cimento Portland ....................................................................... 26

2.3.1 Origem e Características ..................................................... 26

2.3.2 Composição Química .......................................................... 27

2.3.3 Hidratação do Cimento Portland ......................................... 30

2.3.4 Classificação ....................................................................... 35

2.4 Cimentação de Poços Petrolíferos ............................................ 36

2.4.1 Cimento Para Poços Petrolíferos ........................................ 36

2.4.2 Aditivos Utilizados em Pastas de Cimento .......................... 37

2.5 Sistema Cimento/Polímero ........................................................ 38

3. Estado da Arte .............................................................................. 43

4. Materiais e Métodos Experimentais .............................................. 46

4.1 Materiais de Partida................................................................... 46

4.2 Cálculos e Formulações das Pastas Cimentantes .................... 46

4.3 Preparação e Homogeneização das Pastas Cimentantes ........ 47

4.4 Caracterização das Pastas Cimentantes................................... 48

4.4.1 Ensaios Reológicos ............................................................. 48

4.4.2 Ensaio de Determinação do Tempo de Espessamento

(Tempo de Pega) ...................................................................................... 50

4.4.3 Ensaio de Resistência à Compressão ................................. 51

4.4.4 Ensaio de Avaliação de Estabilidade .................................. 52

4.4.5 Ensaio de Controle de Filtrado ............................................ 54

5. Resultados e Discussão ............................................................... 56

5.1 Reologia .................................................................................... 56

5.2 Tempo de Espessamento .......................................................... 59

5.3 Resistência à Compressão ........................................................ 61

5.4 Estabilidade ............................................................................... 64

5.5 Controle de Filtrado ................................................................... 65

6. Conclusões ................................................................................... 68

7. Sugestões para trabalhos futuros ................................................. 70

Referências ............................................................................................ 72

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Esquema de injeção de vapor contínua (ELECTRIC POWER

RESEARCH INSTITUTE, 1999). ...................................................................... 17

Figura 1.2 - Esquema de injeção de vapor por ciclagem térmica

(ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, 1999). ................................... 17

Figura 1.3 - Esquema de poço com falha na cimentação (NELSON,

1990). ............................................................................................................... 18

Figura 1.4 - Formação do reboco em função da perda de filtrado

(NELSON, 1990). ............................................................................................. 20

Figura 2.1 - Óleo pesado fluindo lentamente em um becker (CURTIS, et

al., 2002) .......................................................................................................... 24

Figura 2.2 - Micrografia de uma lâmina de clínquer com um aumento de

150x (PETRUCCI, 1978). ................................................................................. 30

Figura 2.3 - Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais

típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita, formados

pela mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio (METHA,

et al., 1994). ..................................................................................................... 31

Figura 2.4 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento

Portland com 3 dias de idade, mostrando os cristais de C-S-H (METHA, et al.,

1994). ............................................................................................................... 33

Figura 2.5 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento

Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)2 (1), a estrutura fibrosa

formada pelo C-S-H (2) e um vazio capilar (3) (MORANVILLE-REGOURD,

1992). ............................................................................................................... 34

Figura 2.6 - Modelo simplificado da formação da co-matriz

cimento/polímero (OHAMA, 1998). .................................................................. 40

Figura 2.7 - Modelo do mecanismo de modificação em sistemas

cimento/polímero (SAKAI, 1995). ..................................................................... 40

Figura 4.1 - Programa de teste do viscosímetro (LIMA, 2006). ............. 49

Figura 4.2 – Esquema do consistômetro pressurizado Chandler modelo

7716 (ABNT / NBR9831, 2006). ....................................................................... 51

Figura 4.3 – Ilustração do seccionamento da amostra de cimento curada:

Topo (I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV). .................................................. 53

Figura 5.1 – Tensão de cisalhamento em função da taxa de

cisalhamento para as pastas de 500 m. ........................................................... 57

Figura 5.2 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento

para as pastas de 800 m. ................................................................................. 57

Figura 5.3 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento

para as pastas de 1000 m. ............................................................................... 58

Figura 5.4 - Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas

concentrações (FREITAS, 2008). ..................................................................... 59

Figura 5.5 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas

formuladas para 500 m. ................................................................................... 60


formuladas para 800 m. ................................................................................... 60


formuladas para 1000 m. ................................................................................. 61

Figura 5.8 - Resistência compressiva das pastas de 500 m .................. 62

Figura 5.9 - Resistência compressiva das pastas de 800 m .................. 62

Figura 5.10 - Resistência compressiva das pastas de 1000 m .............. 63

Figura 5.11 - Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com 25%

de PUW320 (aumento de 6000x) (NASCIMENTO, 2006). ............................... 64

Figura 5.12 – Estabilidade das pastas formuladas ................................ 65

Figura 5.13 – Gráfico do volume de filtrado das pastas ensaiadas. ...... 65

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - ºAPI sugerido por alguns instituições/setores da indústria

petrolífera (MOTHÉ, et al., 2007). .................................................................... 23

Tabela 2.2 - Principais Constituintes do Cimento Portland Comum

(MINDESS, et al., 1981). .................................................................................. 28

Tabela 2.3 - Classes do cimento Portland (CAMPOS, et al., 2002). ...... 35

Tabela 2.4 - Comparação dos cimentos G e H com outros cimentos

comerciais (TAVARES, et al., 2008). ............................................................... 37

Tabela 4.1 - Composições das pastas formuladas variando a

profundidade. ................................................................................................... 47

Tabela 5.1 - Resultados de viscosidade plástica e limite de escoamento

em cada pasta formulada. ................................................................................ 56

Resumo

Levando-se em consideração que cerca de 70% das reservas mundiais

de óleo são compostas por óleos pesados (ºAPI < 20), existe grande interesse

da indústria neste tipo de óleo. Um dos problemas encontrados para sua

produção é a elevada viscosidade, o que dificulta seu escoamento até a

superfície, sendo necessária a utilização de métodos avançados de

recuperação, tais como a injeção de vapor. Os cimentos usados para tais

poços devem resistir às ciclagens térmicas promovidas pela técnica da injeção

de vapor. Desta forma, adiciona-se polímero nas pastas cimentantes para

aumentar a resistência à propagação de trincas na bainha cimentante. Este

trabalho teve como objetivo principal a formulação e a caracterização de pastas

de cimento Portland Especial contendo látex de poliuretana, adequadas à

cimentação de poços de petróleo sujeitos à injeção de vapor. Foram realizados

ensaios reológicos, ensaios de determinação do tempo de espessamento,

ensaios de resistência à compressão, ensaios de estabilidade e ensaios para

determinação da perda por filtrado. Foi verificado que a adição do látex

aumenta a absorção de energia das pastas, aumentando a resistência às

solicitações sofridas durante a ciclagem térmica além de diminuir o volume de

filtrado, reduzindo a quantidade de aditivo para essa função.

Palavras chave: injeção de vapor; poliuretana; cimento Portland

Abstract

Taking into account that about 70% of the world oil reserves consist of

heavy oil (ºAPI <20), there is great industrial interest for this type of oil. One of

the problems encountered in its production is the high viscosity, which hinders

the flow to the surface, requiring the use of enhanced methods of recovery such

as steam injection. The cement used for such wells must withstand thermal

cycling promoted by steam injection. Polymeric admixtures can be added to

cement slurries to increase their resistance to crack propagation in the cement

casing. This work aimed at formulating and characterizing special Portland

cement slurries containing polyurethane latex, suitable for cementing oil wells

subjected to steam injection. In addition to mechanical characterization,

rheological, thickening, compressive strength, stability and filter loss tests were

also carried out. The addition of polyurethane improved the energy absorption

of the slurries increasing its resistance to thermal cycling. In addition, the

presence of polyurethane also improved the filter loss, reducing the

concentration of admixture to that end.

Keywords: steam injection, polyurethane, Portland cement

CAPÍTULO I:

Introdução

Capítulo I: Introdução

16

1. Introdução

A indústria de petróleo tem voltado bastante atenção aos óleos pesados

e extrapesados. Cerca de 70% das reservas mundiais são compostas por óleo

pesado, óleo extrapesado e betume (ALBOUDWAREJ, et al., 2006). Tendo em

vista que à medida que as reservas de óleo convencional vão se exaurindo,

torna-se viável o investimento para a recuperação dos óleos pesados.

A maior dificuldade na recuperação de óleos pesados é sua alta

viscosidade, bem como a questão da molhabilidade da rocha pelo óleo. Sendo

assim, é necessário utilizar métodos especiais de recuperação, tais como

injeção de vapor, água ou CO2 (GALVÃO, 2008).

No nordeste brasileiro, o método mais utilizado é a recuperação por

injeção de vapor, por apresentar tecnologia amplamente dominada e obter

bons resultados no volume de óleo recuperado. Ao ser aquecido, o óleo tem

sua viscosidade substancialmente reduzida (THOMAS, 2001). Baseado nessa

constatação, os métodos de recuperação térmicos visam facilitar a migração do

óleo até a superfície, entre outras formas, injetando vapor a altas temperaturas

no reservatório de forma cíclica ou contínua.

Na injeção contínua de vapor são utilizados um ou mais poços injetores

próximos ao poço produtor, com o objetivo de criar uma zona de calor que se

expande deslocando o óleo pesado em direção ao poço produtor, como pode

ser observado na Figura 1.1. Na ciclagem térmica somente um poço é utilizado.

A produção no poço produtor é paralisada para se efetuar a injeção de vapor e

em seguida retomada, com a recuperação do óleo já aquecido, como pode ser

visto na Figura 1.2.

Figura 1.1 - Esquema de injeção de vRESEARCH INSTITUTE, 1999)

Figura 1.2 - Esquema de injeção de vapor por ciclagem tPOWER RESEARCH INSTITUTE, 1999)

A injeção de vapor

problemas à estrutura do poço.

revestimento presente no interior do poço dilata, gerando


17

Esquema de injeção de vapor contínua (ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, 1999).

Esquema de injeção de vapor por ciclagem térmicaPOWER RESEARCH INSTITUTE, 1999).

A injeção de vapor, apesar de ser amplamente utilizada

problemas à estrutura do poço. Com o aumento de temperatura

presente no interior do poço dilata, gerando falhas na cimentação

(ELECTRIC POWER

érmica (ELECTRIC

apesar de ser amplamente utilizada, acarreta

temperatura, a coluna de

falhas na cimentação

devido a sua natureza

formação, na presença de

interface coluna/cimento

a comunicação indesejável entre diferentes zonas pro

entre zonas produtoras de

relacionadas com a contaminação

de gás pelo anular (MARINHO, 2004)

Figura 1.3 - Esquema de poço com f

Uma das formas de se minimizar o problema gerado pela dilatação

térmica da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do

cimento, especialmente sua tenacidade ou energia de fratura

na capacidade do cimento absorver energia

na quantidade de falhas provocadas

Um método bastante estudado para se

cimento e, assim, sua resistência à fratura após ciclagens térmicas, é a adição

de polímeros ao cimento Portland


18

devido a sua natureza frágil, deixando a coluna de revestimento expost

presença de zonas de gás ou sulfatos, além de danificar a

interface coluna/cimento (Figura 1.3). Esse descolamento da interface permite

a comunicação indesejável entre diferentes zonas produtoras. A comunicação

entre zonas produtoras de óleo, e gás e aquíferos é indesejável, por estarem

relacionadas com a contaminação da água ou com a produção descontrolada

(MARINHO, 2004).

Esquema de poço com falha na cimentação (NELSON, 1990)


da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do

especialmente sua tenacidade ou energia de fratura. Com

na capacidade do cimento absorver energia, espera-se observar uma redução

falhas provocadas pela dilatação da coluna de revestimento.

Um método bastante estudado para se aumentar a plasticidade do


ao cimento Portland (NELSON, 1990). As mudanças nas

de revestimento exposta à

além de danificar a

Esse descolamento da interface permite

dutoras. A comunicação

é indesejável, por estarem

ou com a produção descontrolada

(NELSON, 1990).


da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do

Com o aumento

se observar uma redução

pela dilatação da coluna de revestimento.

aumentar a plasticidade do


As mudanças nas

Bainha

Cimentante

Coluna de

Revestimento

Exposta à

Formação com

Zonas de Gás

ou Sulfatos

Falhas na

Cimentação


19

propriedades do cimento Portland dependem significativamente da natureza e

concentração de polímero presente no sistema (OHAMA, 1998).

A poliuretana vem sendo estudada devido a sua resistência a altas

temperaturas e boas propriedades mecânicas. Porém, a adição de poliuretana

ao cimento Portland especial altera as propriedades globais da pasta, tais

como reologia, controle de filtrado, água livre, espessamento, entre outras,

sendo necessário o uso de aditivos, a fim de manter estas propriedades dentro

das normas especificadas.

O controle de filtrado é uma propriedade importante da pasta de

cimento. Um dos problemas enfrentados durante a cimentação de um poço é a

perda de água da pasta de cimento para a formação geológica pela filtração

em zonas permeáveis de maneira estática ou dinâmica. Essa quantidade de

água perdida pode originar invasões na formação produtora de óleo e

consequentes danos à mesma, além de causar endurecimento prematuro do

reboco de cimento que é formado após a desidratação (Figura 1.4) (BENSTED,

1993). Geralmente são utilizados aditivos poliméricos para controle de filtrado

nas pastas de cimento. Acredita-se que os sistemas de pastas de cimentos

contendo látex de poliuretana, além de atuarem como controlador de filtrado,

podem também impedir a migração de gás pelo bloqueio da matriz da pasta de

cimento quando da transição de liquido para sólido (NELSON, 1990).

Figura 1.4 - Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON,

Este trabalho tem

pastas de cimento Portland E

cimentação de poços de petróleo

comparação com resultados de pastas atualmente utilizadas

de verificar possíveis alterações

poliuretana. As pastas formuladas

reologia, determinação de

de espessamento e resistência mecânica.


20

Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON, 1990).

e trabalho tem como objetivo a formulação e a caracterização

pastas de cimento Portland Especial contendo poliuretana,

de petróleo sujeitos a injeção de vapor. Foi realizada

comparação com resultados de pastas atualmente utilizadas em poços

de verificar possíveis alterações em suas propriedades com o uso da

As pastas formuladas foram caracterizadas por meio de ensaios de

de volumes de filtrado, avaliação de estabilidade, tempo

espessamento e resistência mecânica.

Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON,

caracterização de

adequadas à

Foi realizada uma

em poços, a fim

propriedades com o uso da

caracterizadas por meio de ensaios de

estabilidade, tempo

CAPÍTULO II:

Aspectos Teóricos

Capítulo II: Aspectos Teóricos

22

2. Aspectos Teóricos

Neste capítulo, são apresentados os principais aspectos teóricos que

fundamentam a compreensão do método proposto.

2.1 Petróleo

O petróleo (do latim petra (pedra) e oleum (óleo)) é o nome dado as

misturas naturais de hidrocarbonetos, que podem ser encontradas no estado

sólido, líquido ou gasoso, a depender das condições de pressão e temperatura

a que estão submetidos (ROSA, et al., 2006).

O petróleo pode se apresentar em uma ou mais fases. É uma mistura de

compostos químicos, principalmente hidrocarbonetos. Cuja estrutura química

contém elementos como nitrogênio, enxofre, oxigênio, níquel, vanádio, entre

outros.

Os diversos tipos de óleos existentes na natureza apresentam uma

diversidade de valores de densidade e viscosidade. A densidade é uma das

características mais importantes para se determinar como o fluido vai se

comportar no processo de produção, ou seja, durante o escoamento dentro do

reservatório e em tubulações. Enquanto a viscosidade é um dado de grande

importância para o refino. Entretanto a classificação do óleo é feita a partir de

sua densidade, já que a viscosidade é altamente influenciada pela temperatura.

De acordo com essas propriedades, os petróleos crus podem ser classificados

como: leves, médios, pesados ou ultrapesados.

O petróleo é classificado de acordo com o ºAPI (grau API), do American

Petroleum Institute, determinado utilizando a correlação abaixo:

º�� = ��,�

− 131,5 (2.1)

Onde:

� é a densidade específica do óleo.


23

De acordo com diversas instituições ligadas à indústria de petróleo,

listadas na Tabela 2.1, existem diferentes classificações de petróleos crus em

relação ao ºAPI.

Tabela 2.1 - ºAPI sugerido por alguns instituições/setores da indústria petrolífera (MOTHÉ, et al., 2007).

Órgão ºAPI (Grau API)

óleo leve óleo médio óleo pesado óleo ultrapesado

Alberta Government/Canadá ≥34 25 - 34 10 - 25 ≤10

U.S. Department of Energy ≥35,1 25 - 35,1 10 - 25 ≤10

OPEP ≥32 26 - 32 10,5 - 26 ≤10,5

Petrobras offshore ≥32 19 - 32 14 - 19 ≤14

Petrobras onshore ≥32 18 - 32 13 - 18 ≤14

ANP/Brasil ≥31,1 22,3 - 31,1 12 - 22,3 ≤12

Quanto maior o ºAPI do petróleo, menor é a sua densidade relativa, o

que equivale a dizer que o petróleo é mais leve, portanto mais rico em voláteis

(partes leves), o que lhe garante maior valor comercial (GALVÃO, 2008).

2.1.1 Óleos Pesados

Óleos pesados são caracterizados por altas viscosidades e altas

densidades quando comparados aos óleos convencionais. A viscosidade do

óleo pesado (Figura 2.1) e ultrapesado pode variar entre 20 cp e 1,000,000 cp

(ALBOUDWAREJ, et al., 2006). O óleo pesado é ligeiramente menos denso

que a água, com o ºAPI variando entre 10 e 25, dependendo da classificação

adotada.

Figura 2.1 - Óleo pesado

A produção de óleo pesado representa uma série de desafios

tecnológicos, desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo

pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas

isso apresenta densida

complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro

que exige unidades de refino específicas

óleo pesado geralmente é mais elevado do que as unidades de

leves. Também são encontradas dificuldades no transporte d

dutos, devido a sua alta viscosidade e

encontrado neste tipo de óleo

Apesar de possuir menor valor comercial

de produção que os óleos leves e médios, existem previsões econ

que até 2025 o óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo

(MOTHÉ, et al., 2007), devido

Somente nas Américas do Sul e Central

reservas seja de óleo pesado

No Brasil, o local com maior incidência de óleos pesados está em águas

profundas da Bacia de Campos,

produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região


24

esado fluindo lentamente em um becker (CURTIS, et al., 2002)


desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo

pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas

isso apresenta densidades e viscosidades elevadas. A quebra destas

complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro

que exige unidades de refino específicas. O custo de uma unidade de refino de

óleo pesado geralmente é mais elevado do que as unidades de

Também são encontradas dificuldades no transporte do óleo pesado em

devido a sua alta viscosidade e alto teor de parafina geralmente

encontrado neste tipo de óleo (LANE, 2004).

Apesar de possuir menor valor comercial, aliado a uma maior dificuldade

que os óleos leves e médios, existem previsões econ

óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo

devido a enorme quantidade presente nos reservatórios.

Somente nas Américas do Sul e Central é estimado que cerca de 60% d

reservas seja de óleo pesado (ALBOUDWAREJ, et al., 2006).


da Bacia de Campos, offshore, no estado do Rio de Janeiro, que

produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região

(CURTIS, et al.,


desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo

pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas, e por

A quebra destas

complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro,

O custo de uma unidade de refino de

refino de óleos

óleo pesado em

alto teor de parafina geralmente

aliado a uma maior dificuldade

que os óleos leves e médios, existem previsões econômicas para

óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo

enorme quantidade presente nos reservatórios.

é estimado que cerca de 60% das


estado do Rio de Janeiro, que

produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região Nordeste, há


25

poços onshore de óleo pesado localizados no estado do Rio Grande do Norte

(MOTHÉ, et al., 2007).

2.1.2 Refino

Devido às suas características, o óleo pesado não pode ser processado

da mesma maneira que o óleo leve, por possuir elevado teor de ácidos

naftênicos, os quais se não forem eliminados, podem causar graves problemas

de corrosão nas refinarias (LANE, 2004). Outro problema observado está

relacionado ao baixo rendimento de produtos leves, que são de alto valor

comercial (como a gasolina) (OLSEN, et al., 1992).

2.2 Recuperação do Petróleo

Esta atividade visa remover o maior volume de óleo possível da rocha

reservatório, deslocando-o através do meio poroso até os poços produtores.

Comumente divido em três processos, a recuperação do óleo pode ser

classificada em recuperação primaria, secundária e ternária.

A recuperação primaria, utiliza a diferença de pressão entre o

reservatório e a superfície pra realizar o deslocamento do óleo, na maioria dos

casos é utilizada uma bomba de superfície (cavalo mecânico) para auxiliar

neste deslocamento. Porém quando essa pressão diminui, ocorre uma redução

na produção do óleo, sendo necessária uma recuperação secundária

(DONALDSON, et al., 1985).

Esta segunda fase da recuperação é realizada injetando-se água ou gás

no interior do reservatório, a fim de repor sua pressão. A adição de água no

interior do reservatório aumentará a quantidade de água produzida. Tal

recuperação é mantida enquanto for economicamente viável o tratamento para

a remoção de água do óleo produzido (DONALDSON, et al., 1985). A

recuperação secundária pode ser implementada diretamente em um

reservatório sem que tenha sido utilizado o sistema de recuperação primária

(PETROBRAS, 2003).


26

A produção combinada dos métodos de recuperação primária e

secundária geralmente é menor que 40% da quantidade de óleo original do

reservatório (DONALDSON, et al., 1985).

Devido as características do óleo pesado, como alta viscosidade e baixa

solubilidade de gás, métodos convencionais de recuperação são raramente

aplicados.

A recuperação avançada ou EOR (Enhanced Oil Recovery) é

considerada como a terceira ou ultima fase da produção do petróleo, algumas

vezes é chamada de recuperação ternária. Ela é caracterizada pela injeção de

materiais normalmente estranhos aos presentes no reservatório. Com

pequenas exceções, os métodos de recuperação avançada do petróleo podem

ser classificados em três categorias: químicos, solventes ou térmicos. Entre os

químicos, podemos citar a injeção de polímeros, surfactantes e de produtos

alcalinos. A injeção de solventes engloba os casos de hidrocarboneto miscível,

CO2 ou imiscível, N2 e gás combustível. E os métodos térmicos incluem a

injeção de vapor, água quente e combustão in situ.

A recuperação avançada do petróleo, também pode ser considerada

como uma técnica que modifica características do meio, alterando as

permeabilidades relativas ou viscosidades das fases, aumentando assim a

produção do petróleo (PIRES, 2003). Este método pode ser implementado

diretamente em um reservatório sem que tenham sido utilizados os sistemas de

recuperação primária ou secundária (PETROBRAS, 2003).

2.3 Cimento Portland

2.3.1 Origem e Características

O termo cimento originou-se de “caementum”, nome dado a uma pedra

natural de um rochedo na Roma antiga. Já era utilizado pelos egípcios há

alguns milhares de anos antes de Cristo, composto de gesso e calcário

calcinado para unir as pedras de seus monumentos. Em 1764 o inglês Joseph

Aspdin patenteia o "Cimento Portland", que recebe este nome por apresentar

cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às das rochas da ilha


27

britânica de Portland. Seu primeiro uso propriamente em poço de petróleo

ocorreu na Califórnia em 1883, mas só em 1902 passou-se ao uso do cimento

Portland em processo manual de mistura com água, para obtenção da “pasta”

de cimento, e em 1910 foi patenteado o método de bombear a pasta para o

poço, por Perkins (CAMPOS, et al., 2002).

O cimento Portland é composto de clínquer e de adições. O clínquer é o

principal componente e está presente em todos os tipos de cimento Portland.

As adições podem variar de um tipo de cimento para outro e são

principalmente elas que definem os diferentes tipos de cimento. O clínquer tem

como matérias-primas o calcário e a argila, ambos obtidos de jazidas, em geral

situadas nas proximidades das fábricas de cimento. A rocha calcária é

primeiramente britada, depois moída e em seguida misturada em proporções

adequadas com argila moída. A mistura formada atravessa então um forno

giratório de grande diâmetro e comprimento, cuja temperatura interna chega a

alcançar 1450º C. O intenso calor transforma a mistura em um novo material,

denominado clínquer, que se apresenta sob a forma de pelotas. Na saída do

forno o clínquer, ainda incandescente, é bruscamente resfriado para

posteriormente ser finamente moído, transformando-se em pó (ABCP, 2002).

Este tipo de cimento pertence à classe de materiais denominados

aglomerantes hidráulicos. Esta denominação compreende aquelas substâncias

que endurecem uma vez misturadas a água e resistem a esta com o passar do

tempo (KIAHARA, 1983). O endurecimento ocorre não apenas se a mistura

cimento/água é posto ao ar, mas também se colocado em água. O

desenvolvimento de resistência é uniforme e relativamente rápido. O cimento

também dispõe de baixa permeabilidade e é quase insolúvel em água. Tais

atribuições são essenciais para um cimento manter a zona de isolação

(NELSON, 1990).

2.3.2 Composição Química

O cimento Portland é um material em forma de pó, constituído de

silicatos e aluminosilicatos de cálcio, praticamente sem cal livre. Esses silicatos

e aluminosilicatos complexos, ao serem misturados com água, hidratam-se e


28

produzem o endurecimento da massa, que pode então oferecer elevada

resistência mecânica (PETRUCCI, 1978).

Os principais óxidos formadores do clínquer são o silicato tricálcico

(C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminato tricálcico (C3A) e ferroaluminato

tetracálcico (C4AF), são designados na química do cimento respectivamente

como C, S, A e F (ver Tabela 2.2). Também é adicionada a gipsita (CaSO4 .

2H2O) ou gesso de paris (CaSO4 . ½H2O) para inibir a tendência de pega

instantânea do clínquer devido a grande reatividade do C3A (KAEFER, 2002).

Tabela 2.2 - Principais Constituintes do Cimento Portland Comum (MINDESS, et al., 1981).

Nomenclatura Química Fórmula Química Abreviatura Notação

Simplificada

Silicato Tricálcico 3CaO . SiO2 C3S C

Silicato Dicálcico 2CaO . SiO2 C2S S

Aluminato Tricálcico 3CaO . Al2O3 C3A A

Ferroaluminato Tetracálcico 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 C4AF F

O silicato tricálcico (alita) (Figura 2.2 - A) é o mais importante constituinte

do clínquer, o qual se apresenta na faixa de 50–70%. Reage rapidamente com

água e desenvolve resistência em curas superiores a 28 dias (TAYLOR, 1990).

É o composto de maior concentração no cimento classe G, depois do aluminato

tricálcico é o que apresenta maior velocidade de hidratação. A sua

concentração é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à

água livre, e diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento

aos géis e à resistência à compressão (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).

O silicato dicálcico (belita) (Figura 2.2 - B) constitui 15–30%. Reage

lentamente com água, assim contribui pouco para a resistência durante os


29

primeiros 28 dias, mas substancialmente para o aumento de resistência em

idades superiores (TAYLOR, 1990). É o composto do cimento que apresenta

menor velocidade de hidratação, exerce pouca influência sobre as

propriedades físicas iniciais das pastas de cimento, preparadas com o cimento

classe G, no entanto tem grande contribuição na resistência final do cimento

(BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).

O ferroaluminato tetracálcico (Figura 2.2 - C) se apresenta 5–15%. A

taxa em que reage com água geralmente é alta inicialmente e intermediária

entre aquelas da alita e belita em idades superiores (TAYLOR, 1990). É um

composto de baixa concentração, próxima a do aluminato tricálcico, entretanto

apresenta menor velocidade de hidratação que este composto. Tem pequena

contribuição na resistência do cimento (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).

O aluminato tricálcico (Figura 2.2 - D) constitui 5–10% do clínquer.

Reage rapidamente com água e pode causar indesejável e rápido

endurecimento (TAYLOR, 1990). É o composto do cimento que apresenta

maior velocidade de hidratação, embora seja o composto de menor

concentração no cimento classe G. Sua função é de grande importância, já que

juntamente com o gesso é um dos principais responsáveis pelo controle do

tempo de pega e pela suscetibilidade ao ataque de águas sulfatadas. O seu

teor é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e

diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento, aos géis e à

resistência à compressão. Estas propriedades físicas devem ser perfeitamente

ajustadas na fase de projeto da pasta (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).

Figura 2.2 - Micrografia de uma

2.3.3 Hidratação do Cimento Portland

A hidratação do cimento

de cura cerca de 70–80% de grau de hidratação

aos 365 dias (TAYLOR, 1990)

e da finura do cimento, da relação entre água e cimento, da

cura e da presença de aditivos químicos e minerais. Basicamente, a reação de

hidratação consiste na formação do silicato de cálcio hidratado, aluminato de

cálcio hidratado, etringita,

cálcio, a partir da reação dos compostos do cimento (C

com a água (GONÇALVES, et al., 2006)

endurecimento (evolução da resistência)

hidratação dos aluminosilicatos

2002).

O processo de hidratação

utilizando-se as técnicas

e indiretamente, pela determinação


30

Micrografia de uma lâmina de clínquer com um aumento de 150x(PETRUCCI, 1978).

Hidratação do Cimento Portland

A hidratação do cimento Portland evolui com o tempo, tendo aos 28 dias

80% de grau de hidratação, e praticamente completa

(TAYLOR, 1990). Mas o processo de hidratação depende do tipo

e da finura do cimento, da relação entre água e cimento, da t



álcio hidratado, etringita, sulfaluminato de cálcio hidratado e do hidróxido de

, a partir da reação dos compostos do cimento (C2S, C3S, C

(GONÇALVES, et al., 2006). Sendo o enrijecimento

endurecimento (evolução da resistência) da pasta, caracterizado

hidratação dos aluminosilicatos e dos silicatos, respectivamente

hidratação do cimento pode ser avaliado diretamente,

técnicas de microscopia ótica ou analise de difração

determinação do calor desenvolvido na hidratação

com um aumento de 150x

Portland evolui com o tempo, tendo aos 28 dias

e praticamente completa-se

. Mas o processo de hidratação depende do tipo

temperatura de



sulfaluminato de cálcio hidratado e do hidróxido de

S, C3A e C4AF)

Sendo o enrijecimento e o

caracterizados pela

ectivamente (KAEFER,

do cimento pode ser avaliado diretamente,

difração de raios X,

hidratação, pelas

técnicas de analise térmica

a compressão (NEVILLE, 1988)

a. Hidratação dos Aluminatos

A reação do C3A com a água é imediata

adição de sulfato (gipsita) para retardar a reação. A hidratação dos aluminatos

na presença de sulfato resulta na etringita (C

aciculares e em monossulfatos hidratados

delgadas (KAEFER, 2002)

etringita e monossulfato de cálcio) ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos

na pasta hidratada (METHA, et al., 1994)

Figura 2.3 - Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita

mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio


31

térmica diferencial e termogravimétrica, ou pela

(NEVILLE, 1988).

Hidratação dos Aluminatos

A com a água é imediata, por isso há a necessidade de


na presença de sulfato resulta na etringita (C6AS3H32), que assumem formas

sulfatos hidratados, com forma de placas hexagonai

(KAEFER, 2002). Os sulfatoaluminatos de cálcio (principalmente


(METHA, et al., 1994).

icrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita, formados pela

mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio al., 1994).

pela resistência

por isso há a necessidade de


que assumem formas

com forma de placas hexagonais

Os sulfatoaluminatos de cálcio (principalmente


icrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos formados pela

mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio (METHA, et


32

A formação das agulhas de etringita começa minutos após o inicio da

hidratação, sendo responsáveis pelo fenômeno de pega e desenvolvimento da

resistência inicial. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato

do cimento Portland, a etringita, pode se tornar instável e decompor-se para

formar o monossulfato hidratado, que é uma forma mais estável (METHA, et

al., 1994).

O processo de hidratação do C4AF, pelo fato deste designar

genericamente uma série de compostos, é de difícil caracterização e tem pouca

influencia na pasta endurecida (KAEFER, 2002). Os compostos resultantes do

C4AF são estruturalmente similares aos formados a partir do C3A (METHA, et

al., 1994).

b. Hidratação dos Silicatos

A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o inicio da

hidratação do cimento. A hidratação do C3S e do C2S origina silicatos de cálcio

hidratados, que possuem composição química muito variada e são

representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio Ca(OH)2,

compostos estes que preenchem o espaço ocupado pela água e pelas

partículas do cimento em dissolução (KAEFER, 2002).

O C-S-H tem morfologia que varia de fibras pouco cristalinas a uma

malha reticulada (ver Figuras 2.4 e 2.5). É o principal responsável pela

resistência a esforços mecânicos, representa de 50 a 60% o volume de sólidos

de pasta de cimento Portland completamente hidratada (METHA, et al., 1994).

Figura 2.4 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade

O Ca(OH)2 tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos

(ver Figura 2.5), sendo que

o espaço livre (aumento do fator água/cimento)

Ca(OH)2 diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos.

hidróxido de cálcio contribui pouco para a resistência da pasta de cimento

endurecida, em virtude de sua baixa superfície

baixo poder de adesão e

Representa de 20 a 25% do vo

completamente hidratada


33

Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade, mostrando os cristais de C-S-H (METHA, et al.,

1994).

tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos

), sendo que o tamanho dos cristais aumenta conforme aumenta

o espaço livre (aumento do fator água/cimento). Uma maior quantidade de

diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos.


em virtude de sua baixa superfície especifica, que lhe c

baixo poder de adesão e é facilmente carreado pela água (KAEFER, 2002)

Representa de 20 a 25% do volume de sólidos da pasta de cimento

completamente hidratada (METHA, et al., 1994).

Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento (METHA, et al.,

tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos

ristais aumenta conforme aumenta

Uma maior quantidade de

diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos. O


que lhe confere um

(KAEFER, 2002).

lume de sólidos da pasta de cimento

Figura 2.5 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)formada pelo C-S-H (2) e um vazio capilar (3)

Cálculos estequiométricos determinaram que a reação de hidratação do

C3S resulta em 61% de C

C3S2H3 e 18% de Ca(OH)

C2S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas

como (NEVILLE, 1988):

Verifica-se que um cimento com

resistência mecânica e ao ataque á

rapidamente e é responsável por desenvolver a resistência do cimento nas

primeiras etapas, sendo que a gipsita

C3S (KAEFER, 2002).


34

Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)2 (1), a estrutura fibrosa

(2) e um vazio capilar (3) (MORANVILLE-1992).


S resulta em 61% de C3S2H3 e 39% de Ca(OH)2,e a do C2

e 18% de Ca(OH)2. O C3S precisa de 24% de água pa

S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas

2C3S + 6H2O → C-S-H + 3Ca(OH)2

2C2S + 4H2O → C-S-H + Ca(OH)2

se que um cimento com maior teor de C3S resulta em menor

sistência mecânica e ao ataque ácido. Entretanto, o C3S hidrata mais


primeiras etapas, sendo que a gipsita aumenta a velocidade de hidratação do

Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento a estrutura fibrosa

-REGOURD,


2S em 82% de

ara hidratar e o

S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas

S resulta em menor

S hidrata mais


aumenta a velocidade de hidratação do


35

2.3.4 Classificação

O American Petroleum Institute (API) estabeleceu o primeiro comitê para

o estudo de cimentos para poços de petróleo em 1937 (BP & CHEVRON-

TEXACO, 2002). Especificações para diferentes cimentos foram discutidas, e a

indústria desenvolveu métodos de modificar suas propriedades através de

aditivos e mudanças na composição química, a fim de obter propriedades em

função das condições do poço.

O API classifica o cimento Portland em oito classes designadas de A a H

(Tabela 2.3), em função da composição química, que deve estar arranjada de

acordo com a profundidade as quais podem ser aplicadas, pressões e

temperaturas aos quais estão expostos (CAMPOS, et al., 2002).

Tabela 2.3 - Classes do cimento Portland (CAMPOS, et al., 2002).

Tipo Características

Classe A Utilizado em profundidades de até 1830 m quando não

há necessidade de propriedades especiais.

Classe B

Utilizado em profundidades de até 1830 m em

condições onde não há a necessidade de moderada a alta

resistência a sulfato.

Classe C

Utilizado em profundidades de até 1830 m em

condições onde há necessidade de uma alta resistência à

compressão inicial.

Classe D Utilizado em profundidades de até 1830 m a 3050 m

sob condições de pressões e temperaturas moderadas a altas.

Classe E Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4270m

sob condições de pressões e temperaturas altas.

Classe F

Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4880 m

sob condições de pressões e temperaturas extremamente

altas.


36

Classe G e H

Utilizados em operações básicas de cimentação de

poços de petróleo de revestimentos de superfície até

profundidade de 2440 m. Podendo ainda ser utilizado com

diversos aditivos químicos, de modo a contemplar uma série

de aplicações distintas a depender da profundidade e

temperatura.

2.4 Cimentação de Poços Petrolíferos

2.4.1 Cimento Para Poços Petrolíferos

Os cimentos utilizados na cimentação de poços devem possuir baixo

teor de aluminato tricálcico (C3A), diminuir sua finura para reter grande

quantidade de água, possuir um elevado fator água/cimento para a pasta

permanecer fluida por várias horas durante o bombeamento, e depois

endurecer rapidamente a altas temperaturas e pressão (METHA, et al., 1994),

além de conter baixa quantidade de cal livre (CaO) (SAOUT, et al., 2004).

A completação dos poços é geralmente realizada com o cimento classe

G ou H, que são similares quimicamente com o cimento Tipo I da ASTM

(Tabela 2.4). Porém, comparativamente, o cimento de classe H apresenta

tamanho de partícula maior, e as fases de aluminato das classes H e G estão

principalmente sob a forma de C4AF, com baixo teor de C3A (< 3,0%), além

destes cimentos serem particularmente ricos em silicatos. O conteúdo de

aluminato tricálcio nestes cimentos determina as categorias de resistência ao

sulfato, variando entre moderada e alta (NELSON, 1990). A Tabela 2.4

apresenta uma comparação dos requerimentos químicos dos cimentos classe

G e H, com o cimento Tipo I da ASTM, CP IV e outros dois cimentos nacionais,

o CP V e o CP I (TAVARES, et al., 2008).


37

Tabela 2.4 - Comparação dos cimentos G e H com outros cimentos comerciais (TAVARES, et al., 2008).

Requerimentos

Químicos

(%)

Tipo de Cimento

API 10A

G

API 10A

H

ASTM

TIPO I CP IV CP V CP I

Óxido de magnésio

(MgO) 6,0 6,0 6,0 6,5 6,5 6,5

Trióxido de enxofre

(SO3) 3,0 3,0 3,0–3,5 4,0 3,5–4,5 4,0

Perda ao fogo 3,0 3,0 3,0 4,5 4,5 2,0

Resíduo insolúvel 0,75 0,75 0,75 – 1,0 1,0

Silicato Tricálcio

(C3S) 48–65 48–65 50–55 – – –

Aluminato Tricálcio

(C3A) 3,0 3,0 5,0–12 8,0 8,0 –

Óxido de sódio

(Na2O) 0,75 0,75 0,60 – – –

Água por peso de

cimento 44 38 – – – –

O processo de elaboração de pastas de cimento tem sua importância na

definição das propriedades da mesma, e na quantificação dos materiais

utilizados para fabricá-la, tanto a nível laboratorial quanto em nível de campo.

O conhecimento das características que determinarão as propriedades da

pasta é essencial para que sua formulação atenda aos requisitos de um poço,

em virtude de cada poço possuir propriedades específicas como profundidade,

temperatura e pressão (THOMAS, 2001).

2.4.2 Aditivos Utilizados em Pastas de Cimento

Uma boa pasta de cimento para a maioria das operações de cimentação

deve ter baixa viscosidade, não gelificar quando estática, manter sua

consistência por maior tempo possível até a ocorrência da pega, ter baixa

perda de filtrado e não apresentar efeito de separação de água livre ou


38

decantação de sólidos (NELSON, 1990). Para manter estas propriedades nas

varias condições que um poço pode apresentar como, por exemplo, variações

de temperaturas abaixo de zero (zonas permanentemente congeladas) até

acima dos 300º C (métodos de recuperação térmica), entre outras, é

necessária a utilização de aditivos na pasta de cimento.

A combinação de dois ou mais aditivos pode gerar um efeito sinergético

que, em alguns casos, pode ser deletério a pasta desejada. A maioria dos

aditivos é fortemente influenciada pelas propriedades físicas e químicas do

cimento, as quais são altamente variáveis. Conseqüentemente, um largo

espectro de resultados pode ser obtido com o mesmo projeto de pasta (PAIVA,

2003).

Atualmente existe uma gama muito grande de aditivos fornecidos por

companhias de serviço, tanto na forma líquida quanto na sólida. Os aditivos

utilizados em pastas de cimento são classificados em várias funções, sendo as

principais: aceleradores de pega, retardadores de pega, adensantes,

dispersantes, agentes antiretrogressão, antiespumantes, estendedores e

controladores de filtrado (CAMPOS, et al., 2002).

2.5 Sistema Cimento/Polímero

Poliuretano (ou PU) é qualquer polímero que compreende uma cadeia

de unidades orgânicas unidas por ligações uretânicas. É amplamente usado

em espumas rígidas e flexíveis, em elastômeros duráveis, em adesivos de alto

desempenho, em selantes, em fibras, vedações, gaxetas, preservativos,

carpetes e peças de plástico rígido (FREITAS, 2008).

O látex é uma suspensão coloidal de polímero em água, geralmente

contém cerca de 50% em peso de partículas esféricas muito pequenas de

polímeros mantidas em suspensão na água por agentes tensoativos (METHA,

et al., 1994). Tende a incorporar grandes quantidades de ar,

consequentemente é necessário adicionar agentes desincorporadores de ar.


39

Podem ser divididos em três classes, de acordo com a carga elétrica das

partículas, que é determinada devido ao tipo de tensoativo usado na dispersão.

Os três tipos são: catiônicos (ou positivamente carregados), aniônicos (ou

negativamente carregados) ou não-iônicos (sem carga elétrica) (WALTERS,

1987).

Normalmente, látex que utilizam surfactantes catiônicos ou aniônicos

não são adequados para o uso conjunto com aglomerantes hidráulicos porque

lhes falta adequada estabilização. A maioria dos látex utilizados com cimento

Portland é estabilizada com surfactantes não-iônicos (AMERICAN CONCRETE

INSTITUTE, 1995).

Neste trabalho foi utilizado o látex de poliuretana, o qual pôde ser

adicionado normalmente durante a mistura dos materiais, sem a necessidade

da introdução de novas tecnologias para sua utilização. Além disso, a

polimerização no CML (Cimento Modificado com Látex) ocorre naturalmente

por perda de água (FREITAS, 2008). Uma fase co-matriz é formada pela

hidratação do cimento e pela formação do filme polimérico, de acordo com o

modelo simplificado apresentado na Figura 2.6. As partículas esféricas de

polímero (adicionado ao cimento sob forma de látex), independentemente,

ocupam a interface entre as partículas do cimento e os hidratos formados em

torno das partículas do polímero, após ocorrer o enrijecimento dos

aglomerados de cimento (SAKAI, 1995), como pode ser observado por meio da

Figura 2.7.


40

Figura 2.6 - Modelo simplificado da formação da co-matriz cimento/polímero (OHAMA, 1998).

Figura 2.7 - Modelo do mecanismo de modificação em sistemas cimento/polímero (SAKAI, 1995).


41

A pasta de cimento endurecida é predominantemente uma estrutura

aglomerada de silicatos de cálcio, aluminatos e hidróxidos mantidos juntos por

forças de van der Waals, que são relativamente fracas.

Microfissuras são induzidas na pasta devido às solicitações causadas

pela evaporação em excesso de água (retração por secagem). A modificação

com látex ajuda de duas formas: as partículas do látex não somente reduz a

quantidade da movimentação de água através do bloqueio dos capilares,

naturalmente ocorrendo nos dois sentidos, aumentando assim a proteção a

ataques de agentes químicos, como também ajuda quando há fissuração, o

filme de látex polimérico tampa estes canais e restringe a propagação da trinca,

isto resulta no incremento de resistência à flexão. A modificação com látex

também gera uma maior resistência ao congelamento (AMERICAN

CONCRETE INSTITUTE, 1995).

Ainda segundo o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995), o ponto

ótimo de modificação com polímero situa-se entre 5% e 10% do teor de sólidos

por peso de cimento.

Percentagens menores não propiciam mudanças significativas nas

propriedades dos concretos e argamassas modificados. Além disso, não trarão

os benefícios da redução significativa da quantidade de água de amassamento,

visto que os látex possuem propriedades plastificantes no concreto fresco. O

uso de sólidos em excesso torna-se inviável economicamente e pode causar

elevada incorporação de ar (FREITAS, 2008).

CAPÍTULO III:

Estado da Arte

Capítulo III: Estado da Arte

43

3. Estado da Arte

Pastas de cimento modificadas com látex vêm sendo utilizadas em

poços de petróleo desde 1957. Quando Rollins e Davidson estudavam o

desempenho de pastas de cimento, acrescentaram látex na água de mistura,

observando uma redução na perda de filtrado, melhora na durabilidade e boas

propriedades reológicas, seguido de menor quantidade de água (de 20% a

30%) na água de mistura devido à presença de água na solução látex

(NELSON, 1990).

Os estudos continuam até os dias de hoje, pois cada vez se tem

encontrado uma maior gama de usos e novas propriedades em pastas de

cimento modificadas com diferentes tipos látex.

Zhao e Luo (2004) estudaram o desempenho do látex SBR em pastas

de cimento Portland e verificaram que a adição deste polímero modifica as

propriedades reológicas, água livre, resistência à compressão e à tração. O

aumento da concentração deste polímero na pasta diminui sua resistência.

Liang et al (2004) desenvolveram um látex SBR carboxílico para

cimentação de poços de petróleo. A diferença entre esse látex e os já

estudados é apenas nos compostos usados na sua síntese: butadieno,

fenileteno, ácido sulfônico e carboxilatos.

Çolak (2005) estudou pastas de cimento Portland modificado com látex

com e sem a adição de superplastificantes. Como a trabalhabilidade destas

pastas diminui com o aumento da concentração de látex, Çolak verificou que

isso depende do fator água/cimento da mistura e pode ser fortemente reduzida

utilizando um superplastificante apropriado.

Michaux et al (2006) patentearam novos agentes controladores de

filtrado base látex SBR e polímero solúvel em água de copolímero acrílico e

acrilamida. Nessa patente foi estudada a eficiência desses controladores em

diferentes concentrações em pastas de cimento Portland tipo G, foi observado

que ambos mostraram-se eficientes controladores de filtrado até em

temperaturas de 150° C.

Capítulo III: Estado da Arte

44

Chougnet et al (2006) aplicaram látex estireno acrílico em pasta de

cimento Portland Classe G. Eles viram que com a adição desse polímero a

pasta, houve uma considerável diminuição da Portlandita (Ca(OH)2) e etringita

(C6AS3H32) na microestrutura do cimento devido à influência do polímero na

cinética de hidratação da pasta. Houve também uma grande diminuição da

permeabilidade e porosidade da pasta.

Plank e Gretz (2008) realizaram estudos sobre a interação entre látex

iônicos e cimento Portland. Eles confirmaram que ocorre uma interação entre

as partículas iônicas no látex com a superfície das partículas de cimento nos

processos iniciais de hidratação e que o processo de adsorção das partículas

de látex pode ser influenciado pela presença de outros aditivos com, por

exemplo, um superplastificante aniônico altamente carregado.

CAPÍTULO IV:

Materiais e Métodos Experimentais

Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais

46

4. Materiais e Métodos Experimentais

4.1 Materiais de Partida

Para a formulação das pastas foram utilizados:

a) Cimento Portland Classe A modificado industrialmente, passando

a possuir propriedades semelhantes ao cimento Portland Classe

G. Este cimento modificado recebe o nome de Portland Especial.

As bateladas utilizadas foram fornecidas pela CIMESA

(Laranjeiras – SE);

b) Poliuretana em dispersão aquosa não iônica utilizada é

denominada PUW320, fornecida pela CROMPTON (São Paulo –

SP);

c) Aditivos do tipo anti-espumante, acelerador de pega, dispersante

e controlador de filtrado;

d) Água potável.

4.2 Cálculos e Formulações das Pastas Cimentantes

A formulação de uma pasta de cimento se inicia com o cálculo do

rendimento, fator água-cimento (FAC), fator água de mistura e das

concentrações de cada produto utilizado. Para obtenção das diversas

propriedades de uma pasta, fixam-se o peso específico da mesma e as

concentrações de aditivos sólidos e líquidos. Todos esses cálculos são

efetuados de acordo com a norma API RP 10B em uma tabela específica.

Realizados os cálculos, foram formuladas pastas contendo látex de

poliuretana em concentrações de 0 e 8% para operação de correção em

profundidades de 500, 800 e 1000 m e ensaiadas em suas respectivas

temperaturas de circulação, 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C . As pastas formuladas

com 0% de PUW320 são para efeito de comparação dos resultados.


47

A composição das pastas formuladas pode ser visto na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Composições das pastas formuladas variando a profundidade.

Composição

Profundidade

(m)

PU

W320

(%)

Água

(gpc)

Cimento

(%)

Anti-

espumante

(gpc)

Acelerador

de pega

(%)

Dispersante

(gpc)

Controlador

de filtrado

(%)

500 0 5,02 68 0,010 1,00 0,02 0,60

500 8 2,91 66 0,020 1,30 0,02 0,10

800 0 5,06 68 0,010 0,20 0,03 0,50

800 8 2,93 66 0,020 0,70 0,02 0,10

1000 0 5,03 69 0,010 --- 0,04 0,60

1000 8 3,00 66 0,012 --- 0,02 0,10

4.3 Preparação e Homogeneização das Pastas Cimentantes

Para a preparação das pastas foi utilizada uma balança com resolução

de ± 0,05% da carga indicada, para a determinação das massas dos

componentes da mesma.

Para realização da mistura foi utilizado um misturados Chandler modelo

30 – 60. Uma vez pronta a água de mistura (água e aditivos), adicionou-se o

cimento, através de funil de colo curto pela abertura central da tampa da jarra.

A adição do cimento foi realizada sob uma taxa uniforme, a uma velocidade de

4000 rpm ± 200 rpm, durante 15 s ininterruptamente. Instalou-se a tampa

central e agitou-se a pasta por 35 s a uma velocidade de 12000 rpm ± 500 rpm.

O tempo de adição foi controlado pelo temporizador do misturador (ABNT /

NBR9826, 1993).

Imediatamente após a mistura das pastas, realizou-se a

homogeneização das mesmas em uma célula do consistômetro atmosférico


48

Chandler modelo 1200. A pasta foi colocada em banho na sua respectiva

temperatura de circulação por 20 min a 150 rpm ± 15 rpm.

4.4 Caracterização das Pastas Cimentantes

Para a caracterização das pastas foram realizados os seguintes ensaios:

4.4.1 Ensaios Reológicos

Serve para determinar as propriedades reológicas das pastas de

cimento utilizando um viscosímetro rotativo, de acordo com o modelo adotado:

(a) Modelo de Bingham: viscosidade plástica (VP) e limite de escoamento (LE);

(b) Modelo de Potência: índice de comportamento de fluxo (n) e índice de

consistência (�). Determina-se também o gel inicial (Gi) e gel final (Gf). Tais

parâmetros são utilizados para a determinação do regime de escoamento e

previsão das pressões geradas durante as operações de cimentação (LABCIM,

2008).

Os ensaios reológicos foram realizados de acordo com a norma API,

segundo API Spec 10: API SPEC 10A – Specifications for Cements and

Materials for Well Cementing e API SPEC 10B – Recommended Practice for

testing Well Cements. As leituras obtidas no viscosímetro rotacional são

aplicadas ao modelo de fluido que o represente melhor, geralmente, modelo de

potência ou modelo de Bingham. O equipamento utilizado para realizar as

medidas reológicas foi um viscosímetro Chandler, modelo 3500.

Após o procedimento descrito no item 4.3, as pastas foram vertidas em

copo térmico e cisalhadas em viscosímetro aplicando-se várias taxas, de

acordo norma de ensaios reológicos definidas pela API. As leituras foram

realizadas aplicando-se taxas de cisalhamento ascendentes e descendentes a

intervalos de 10 s, mantendo-se a temperatura constante de 47,8°C, 51,7°C e

57,8°C para as respectivas profundidades (500, 800 e 1000 m). As taxas

empregadas foram de 3, 6, 10, 20, 60, 100, 200 e 300 rpm.

Após a segunda leitura de 3 rpm, aumentou-se a velocidade do rotor

para 300 rpm, mantendo-a por 1 min. Em seguida, o motor é desligado e após

Capítulo

10 s, o mesmo foi novamente ligado acionado a 3

deflexão máxima observada (gel inicial: Gi). Desligou

por 10 min, no fim dos qual o motor foi ligado, registrando

máxima observada (gel fi

mostrador foi efetuada imediatamente antes de cada redução de velocidade.

As medidas de gel foram realizadas para se ter conhecimento do grau de

tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do visco

descrito anteriormente encontra

Figura 4.1 - Programa de teste do viscosímetro

Ao final, determinaram

Escoamento (LE) e Viscosidade Plástica (VP), aplicando

matemático de Bingham, o qual relaciona linearmente estes dois parâmetros,

de acordo com a equação


49

s, o mesmo foi novamente ligado acionado a 3 rpm, registrando

deflexão máxima observada (gel inicial: Gi). Desligou-se mais uma vez o motor

por 10 min, no fim dos qual o motor foi ligado, registrando-

máxima observada (gel final: Gf) (ABNT / NBR9830, 1993). Cada leitura no



tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do visco

descrito anteriormente encontra-se ilustrado na Figura 4.1.

Programa de teste do viscosímetro (LIMA, 2006)

Ao final, determinaram-se os seguintes parâmetros: Limite de

Viscosidade Plástica (VP), aplicando-


de acordo com a equação abaixo:

� = ��

rpm, registrando-se a

se mais uma vez o motor

-se a deflexão

. Cada leitura no



tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do viscosímetro,

LIMA, 2006).

se os seguintes parâmetros: Limite de

-se o modelo


(4.1)


50

4.4.2 Ensaio de Determinação do Tempo de Espessamen to (Tempo de Pega)

Os resultados deste teste indicam o período de tempo que a pasta

permanecerá bombeável durante uma operação de cimentação.

O tempo de espessamento é o período de tempo que uma pasta leva até

que ocorra sua cura. O tempo de bombeabilidade é o tempo máximo que a

pasta pode ser bombeada para o interior do poço. O tempo de espessamento é

atingido quando a pasta apresenta consistência de 100 Uc enquanto que o

tempo de bombeabilidade é atingido quando a pasta alcança 50 Uc.

Este ensaio foi realizado preparando-se as pastas conforme o item 4.3, e

em seguida, a pasta foi adicionada a uma célula cilíndrica, onde foi colocado

um conjunto eixo-palheta. Depois de fechada, a célula, contendo a pasta de

cimento foi levada ao consistômetro pressurizado Chandler modelo 7716, e

colocada sobre a mesa rotativa dentro da câmara, conforme a Figura 4.2.

Depois da colocação do termopar e do completo preenchimento da câmara

com óleo, iniciou-se a pressurização e o aquecimento da pasta de acordo com

as condições pré-estabelecidas que geram uma tabela de aquecimento e

pressurização para ensaios com pastas de cimentos. Estes parâmetros foram

mantidos constantes até o final do ensaio, ou seja, até a pasta de cimento

atingir a consistência de 100 Uc (API, 2000).

Capítulo

Figura 4.2 – Esquema do

4.4.3 Ensaio de Resistência

Este ensaio possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida

apresentará no poço (LABCIM, 2008)

determinam a resistência à compressão são padronizados no apêndice da API

SPEC 10. As amostras são preparadas conforme

colocadas em moldes cúbicos de

e 7d a temperatura de

profundidades (500, 800 e 1000m)

realizados nesta tese for

universais da Shimadzu, série Autograph AG

NBR9828, 1993). Os ensaio


51

Esquema do consistômetro pressurizado Chandler m(ABNT / NBR9831, 2006).

Ensaio de Resistência à Compressão

possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida

(LABCIM, 2008). Os procedimentos para os ensaios que


SPEC 10. As amostras são preparadas conforme o item 4.3

colocadas em moldes cúbicos de 5 cm de aresta e curadas por

de 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas

profundidades (500, 800 e 1000m). Os ensaios de resistência à compressão

realizados nesta tese foram conduzidos em um equipamento de ensaios

universais da Shimadzu, série Autograph AG-I conforme a norma

ensaios foram realizados a temperatura ambiente

essurizado Chandler modelo 7716

possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida

s procedimentos para os ensaios que


e em seguida

de aresta e curadas por 8 h, 24 h, 48 h

47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas

. Os ensaios de resistência à compressão

am conduzidos em um equipamento de ensaios

conforme a norma (ABNT /

s foram realizados a temperatura ambiente.


52

4.4.4 Ensaio de Avaliação de Estabilidade

Este ensaio visa avaliar a segregação de sólidos na pasta de cimento

quando submetida às condições encontradas nas cimentações de poços de

petróleo (LABCIM, 2008).

Neste ensaio, a pasta foi preparada conforme o item 4.3 e, em seguida,

colocada dentro de um tubo decantador previamente engraxado. Bateu-se

levemente no interior do cilindro com um bastão de vidro de modo a eliminar as

bolhas de ar aprisionadas. Completou-se o volume até o transbordamento do

recipiente, enroscou-se a tampa superior vazada e levou-se o cilindro à câmara

de cura com água à temperatura de aproximadamente 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C

para as respectivas profundidades (500, 800 e 1000 m) (API, 2000).

O cilindro foi posicionado verticalmente na câmara, submetendo-se às

condições de temperatura e pressão similares ao teste de resistência a

compressão, mantendo-se a cura pó 24 horas. O aquecimento foi desligado 1 h

e 45 min antes do término da cura. Em seguida, o mesmo foi resfriado em água

corrente por 5 mim (API, 2000).

Após o resfriamento, desenroscou-se a tampa superior do cilindro,

eliminando-se os fluidos existentes no topo do cilindro por meio de papel

absorvente; com auxilio de uma seringa, injetou-se um volume, medido em

cm3, de água até completar o volume total do cilindro. Converteu-se esse

volume em comprimento, expresso em mm, denominando-se Rebaixamento de

Topo, pela multiplicação do volume medido na extremidade inferior com um

martelo de borracha para retirada do cilindro endurecido de pasta curada. A

amostra foi lavada em água corrente, deixada imersa em água na temperatura

ambiente (API, 2000).

Procedeu-se então, o corte do cilindro em quatro partes iguais, conforme

o esquema da Figura 4.3, identificando as seções da seguinte maneira: Topo

(I), Intermediárias (II e III) e Fundo (IV), recolocando-as em água novamente

por 30 min (API, 2000).

Capítulo

Figura 4.3 – Ilustração do s(I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV).

Cada seção foi presa a um suporte com garra, garantindo maior

estabilidade e precisão na leitura, depois cada seção foi imersa em água em

um béquer. Registrou-se o peso da seção como

seguida, cada seção foi rebaixada e apoiada n

o fio não ficasse tensionado, registrando

Seção no Ar”.

Os cálculos dos pesos específicos em lb/gal de cada seção foram

determinados por meio da equação:

Onde:

�: Peso específico da Seção (lb/gal);

��: Peso da Seção no Ar;

�Á��: Peso da Seção na Água.


53

Ilustração do seccionamento da amostra de cimento curada: Topo (I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV).



se o peso da seção como “Peso da Seção na Água”

seguida, cada seção foi rebaixada e apoiada no fundo do béquer, de modo que

o fio não ficasse tensionado, registrando-se o peso indicado como


minados por meio da equação:

� = �� Á�� 8,33

Peso específico da Seção (lb/gal);

Peso da Seção no Ar;

Peso da Seção na Água.

eccionamento da amostra de cimento curada: Topo



“Peso da Seção na Água”. Em

o fundo do béquer, de modo que

se o peso indicado como “Peso da


(4.2)


54

4.4.5 Ensaio de Controle de Filtrado

Este ensaio determina a perda da fase líquida, em condição estática, a

partir do volume de pasta de cimento contido num filtro-prensa API, através de

um elemento filtrante, submetido a um diferencial de pressão e na temperatura

requerida para o teste. Tal informação possibilita estimar a suscetibilidade da

pasta de cimento em perder parte de sua fase aquosa para a formação

(LABCIM, 2008).

Para a realização deste teste, as pastas formuladas foram preparadas e

homogeneizadas conforme o item 4.3. Em seguida, a pasta foi colocada em

uma célula do Filtro-prensa Fann HPHT Série 387, a temperatura de teste foi

de 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas prof undidades (500, 800 e

1000m). Antes do fechamento da célula, é foi colocado uma peneira com filtro,

de abertura de 44 µm (#325 mesh), para filtrar a pasta que foi pressurizada a

1000psi com N2 durante 30 min ou até completar a desidratação completa da

pasta, registrando-se o período de tempo e encerrando o teste (API, 2000).

Para os testes de filtrado que atingiram o período de tempo final de 30

min, a perda de fluido foi calculada multiplicando-se por dois o volume de fluido

coletado durante o teste. Para os testes que apresentaram desidratação da

pasta em um período de tempo inferior a 30min, extrapolou-se o volume de

filtrado para um tempo igual a 30min, mediante a equação abaixo.

!" = (2� %�5,477)/*�/+ (4.3)

Onde:

!": Perda de fluido extrapolado a um tempo de 30min, em centímetros

cúbicos (ou mL);

%: Volume de fluido coletado até o momento “*” da desidratação, em

centímetro cúbico (ou mL);

*: Tempo em que ocorreu a desidratação (final do teste), em minutos.

CAPÍTULO V:

Resultados e Discussão

Capítulo V: Resultados e Discussão

56

5. Resultados e Discussão

Os resultados obtidos na fase experimental são apresentados e

discutidos de acordo com a ordem descrita a seguir:

• Reologia;

• Tempo de Espessamento (Tempo de Pega);

• Resistência à compressão;

• Estabilidade

• Filtrado.

Os ensaios, simulando operação de squeeze para 500, 800 e 1000 m,

foram realizados com as formulações calculadas na Tabela 4.1. Para efeito de

comparação foram formuladas pastas contendo 0 e 8% de poliuretana, e

posteriormente discutido como a poliuretana influência nas propriedades de

uma pasta cimentante.

5.1 Reologia

As medidas reológicas para as pastas formuladas com 0 e 8 % de látex

PU W320 em diferentes profundidades são necessárias para possível

aplicação da pasta em operações de cimentação. Os resultados estão

expostos na tabela 5.1 e nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3.

Tabela 5.1 - Resultados de viscosidade plástica e limite de escoamento em cada pasta formulada.

Pasta

(Profundidade / % PU)

Gi

(Pa)

Gf

(Pa)

Vp

(cP)

LE

(Pa)

500m / 0% 2 6 131,80 3,39

500m / 8% 9 12 105,58 16,59

800m / 0% 1 6 51,01 1,22

800m / 8% 9 10 111,36 18,25

1000m / 0% 1 6 59,26 1,45

1000m / 8% 7 9 106,84 13,71


57

0 100 200 300 400 500

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Tens

ão d

e C

isal

ham

ento

(Pa

)

Taxa de Cisalhamento (s-1

)

500m / 0% PU 500m / 8% PU

Figura 5.1 – Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 500 m.

0 100 200 300 400 500

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Tens

ão d

e C

isal

ham

ento

(Pa

)


)

800m / 0% PU 800m / 8% PU

Figura 5.2 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 800 m.


58

0 100 200 300 400 500

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Tens

ão d

e C

isal

ham

ento

(Pa

)


)

1000m / 0% PU 1000m / 8% PU

Figura 5.3 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 1000 m.

Foi observado que para as três profundidades, a adição de PU W320

aumentou a tensão de cisalhamento. Isso se deve à influência do polímero na

microestrutura da pasta, pois o látex PU W320 reage com o C3A, que é o

produto de hidratação inicial responsável pelas propriedades reológicas das

pastas de cimento, diminuindo a fluidez e aumentando a viscosidade plástica e

o limite de escoamento.

Outro fator que pode ter aumentado os valores de viscosidade plástica e

limite de escoamento (que estão diretamente relacionados aos valores de

tensão de cisalhamento), é a possível interação entre as longas cadeias

moleculares da PU W320 que se interligam umas com as outras,

emaranhando-se e produzindo interações físicas e químicas formando uma

grande rede tridimensional (MACHADO, 2002), como representado na Figura

5.4.

Capítulo

Figura 5.4 - Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas concentrações

Os valores de gel inicial

adição da poliuretana, mas permanecendo

permitidos por norma (G

sempre são maiores que os valores de gel

prosseguimento do processo de hidratação das partículas de cimento com o

tempo.

5.2 Tempo de Espessamento

Pode ser observado

as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc).

redução ocorreu devido

de minimizar a ação retardante do


59

Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas concentrações (FREITAS, 2008).

Os valores de gel inicial (Gi) e final (Gf) sofreram um acréscimo com

poliuretana, mas permanecendo abaixo dos valoras máximos

(Gi de 12 Pa e Gf de 17 Pa). Os valores de gel

ão maiores que os valores de gel inicial, isso


Tempo de Espessamento

Pode ser observado nas Figura 5.5, Figura 5.6 e Figura

as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc).

redução ocorreu devido à necessidade do uso de um acelerador de pega

de minimizar a ação retardante do látex.

Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas

sofreram um acréscimo com

abaixo dos valoras máximos

). Os valores de gel final

inicial, isso se deve ao


Figura 5.7, que todas

as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc). Esta

acelerador de pega a fim


60

0 50 100 150 200 250 300 350 40010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Con

sist

ênci

a

(Uc

)

Tempo de Espessamento (min )

500m / 0% PU 500m / 8% PU

Figura 5.5 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas formuladas para 500 m.

0 50 100 150 200 250 300 3500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Con

sist

ênci

a

(Uc

)

Tempo de Espessamento (min ) 800m / 0% PU 800m / 8% PU



61

0 50 100 150 200 250 3000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Con

sist

ênci

a

(Uc

)

Tempo de Espessamento (min )

1000m / 0% PU 1000m / 8% PU


Os estudos realizados por NASCIMENTO (2006) comprovaram a ação

retardante do látex, devido a sua interferência na reação entre o C3A e o gesso

no início da hidratação da pasta de cimento. O látex forma um complexo com

íons cálcio e sulfatos presentes nessa reação, dificultando a formação da

etringita, que é um produto secundário da reação do aluminato tricálcico com o

gesso, bem como a difusão da água.

Observou-se que para todas as profundidades com a adição de PU

W320, as pastas apresentaram tempo de espessamento requerido para

operação em campo (< 5 h), conforme especificado na norma ABNT /

NBR9831 (2006).

5.3 Resistência à Compressão

Analisando as Figura 5.8, Figura 5.9 e Figura 5.10 é possível observar

um aumento da resistência compressiva com o aumento da profundidade e

consequente ganho de temperatura. Verifica-se ainda, para todas as

profundidades aumento da resistência com o aumento do tempo de cura da

pasta. A esperada elevação da resistência da pasta com o tempo é resultado

do prosseguimento das reações de hidratação.


62

8 16 240

500

1000

1500

2000

2500

Res

istê

ncia

à C

ompr

essã

o

(Psi

)

Tempo de Cura (h )

500m / 0% PU 500m / 8% PU

Figura 5.8 - Resistência compressiva das pastas de 500 m

8 16 240

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Res

istê

ncia

à C

ompr

essã

o

(Psi

)

Tempo de Cura (h )

800m / 0% PU 800m / 8% PU



63

8 16 240

500

1000

1500

2000

2500

Res

istê

ncia

à C

ompr

essã

o

(Psi

)

Tempo de Cura (h )

1000m / 0% PU 1000m / 8% PU


Com relação às pastas formuladas com PUW320, exceto a pasta

formulada para 500 m com 8 dias de cura, pôde-se observar uma diminuição

na resistência compressiva em relação às pastas formuladas sem PUW320.

Isso é decorrente da comatriz polimerica formada, existindo a presença de uma

rede polimérica, conforme pode ser vista na micrografia da Figura 5.11. Esta

absorve parte da energia gerando um acréscimo na tenacidade, mas reduz a

resistência mecânica,. O aumento da energia absorvida foi observado na

forma de um aumento na deformação do corpo de prova antes da ruptura,

quando comparado à pasta com 0% de PU W320. Com relação ao aumento do

tempo de cura, observou-se também um aumento da resistência compressiva,

devido ao avanço nas etapas da hidratação do cimento.

Capítulo

Figura 5.11 - Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com PUW320 (aumento de 6000x)

5.4 Estabilidade

Na Figura

das pastas. Ao formulá

entanto, as pastas com PU W320

bastante inferiores a este valor pré

possivelmente a alguns

na pasta, formação de espuma e inte

Ao misturar a p

acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação dur

aproximadamente 5 minutos.

Apesar disso, todas as pastas

estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que

menor ou igual a 0,5 lb/gal


64

Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com (aumento de 6000x) (NASCIMENTO, 2006)

Figura 5.12 estão representados os valores de estabilidade

das pastas. Ao formulá-las definiu-se o peso específico de 15,6 lb/gal, no

as pastas com PU W320, os valores de densidade das pastas foram

bastante inferiores a este valor pré-estabelecido. Este f

fatores, tais como: mistura, formação de bolhas de ar

na pasta, formação de espuma e interação entre água e polímero.

Ao misturar a pasta com PU W320, observou-se

acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação dur

aproximadamente 5 minutos.

so, todas as pastas formuladas com PU

estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que

menor ou igual a 0,5 lb/gal.

Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com 25% de (NASCIMENTO, 2006).

os valores de estabilidade

ico de 15,6 lb/gal, no

os valores de densidade das pastas foram

Este fato deve-se,

mistura, formação de bolhas de ar

ração entre água e polímero.

se a formação

acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação durante

mantiveram-se

estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que ∆ρ deve ser

PU W320


65

1000m8%

PU

1000m0%

PU

800m8%

PU

800m0%

PU

500m8%

PU

500m0%

PU

∆ρ Fundo II I Topo0,120,33

16,02 14,68

14,3216,06

16,15 14,11

16,35 14,81

0,14 0,04

16,11 14,40

0,09 0,48

16,01 14,30

16,12 14,53

16,05 14,31

16,00 14,76

16,08 14,61

16,25 14,44 16,10 14,78

Figura 5.12 – Estabilidade das pastas formuladas

5.5 Controle de Filtrado

Os resultados encontrados nos ensaio de controle de filtrado estão

demonstrados na Figura 5.13:

0

20

40

60

80

100

Volu

me

de F

iltra

do

(ml

)

Tempo (30 min )

( 500m / 0% PU ) ( 800m / 0% PU ) ( 1000m / 0% PU )

( 500m / 8% PU ) ( 800m / 8% PU ) ( 1000m / 8% PU )

Figura 5.13 – Gráfico do volume de filtrado das pastas ensaiadas.

Os volumes de filtrado permaneceram dentro de requerido para

operações de correção, situado entre 30 e 50 mL (LIMA, 2004). Também é


66

possível perceber que as pastas com 8% de PU W320, apesar de possuírem

cerca de 5 ou 6 vezes menos controlador de filtrado apresentam um volume de

filtrado menor ou semelhante ao das pastas sem PU. Esta redução se deu em

função do bloqueio das redes poliméricas formado pela deposição do polímero

nos espaços vazios entre os grãos de cimento, o que dificultou o fluxo da água

nas pastas de cimento (OHAMA, 1998).

Nos estudos da influencia do látex no controle de filtrado que foram

feitos por NASCIMENTO (2006) e FREITAS (2008) é comprovada a eficiência

do látex na microestrutura do cimento, resultando em excelentes volumes de

filtrados.

CAPÍTULO VI:

Conclusões

Capítulo VI: Conclusões

68

6. Conclusões

Este trabalho foi elaborado com o intuito de caracterizar sistemas de

pastas de cimento Portland com a adição de látex de poliuretano, para

utilização em poços sujeitos a injeção de vapor. O sistema Portland/poliuretano

se mostrou promissor nesse quesito, apresentando ganhos interessantes nas

pastas estudadas.

Deste estudo, concluem-se os seguintes pontos com relação às pastas

formuladas:

• A adição de PU W320 aumentou a tensão de cisalhamento e os

valores de gel inicial e final, mas permanecendo abaixo dos

valoras máximos permitidos por norma.

• A PU W320 se apresentou como um retardante no tempo de pega

da pasta cimentante, sendo necessária a utilização de um

acelerador de pega para controlar esse efeito, e adequar a pasta

à norma.

• Pôde-se observar uma diminuição na resistência compressiva em

relação às pastas formuladas sem PUW320, decorrente da

formação de uma comatriz polimerica. Esta absorve parte da

energia de fratura, promove maior deformação, aumentando a

resistência às solicitações durante ciclagem térmica, mas reduz a

resistência mecânica.

• As pastas com PU W320 apresentaram valores de densidade

bastante inferior ao valor pré-estabelecido (15,6 lb/gal), apesar

disso, todas as pastas mantiveram-se estáveis e não

apresentaram rebaixamento de topo.

• É possível perceber que as pastas com 8% de PU W320, apesar

de possuírem cerca de 5 ou 6 vezes menos controlador de filtrado

apresentam volumes de filtrado menores ou semelhantes aos das

pastas sem PU. Com isso foi possível verificar a ação de controle

no filtrado da PU.

CAPITULO VII

Sugestões para trabalhos futuros

Capítulo VII: Sugestões para Trabalhos Futuros

70

7. Sugestões para trabalhos futuros

� Estudar a influencia da poliuretana no comportamento das pastas

com a adição de sílica.

� Estudar o comportamento das pastas sob altas temperaturas e

pressões (condições HPHT).

� Averiguar a possibilidade de aplicações do sistema na indústria

da construção civil, se aproveitando de suas boas propriedades

mecânicas relacionada à energia de fratura.

� Estudar a possibilidade de aplicação em poços produtores de gás,

em função de esta pasta possuir características como redução da

porosidade e da permeabilidade, controle na perda de filtrado e

rápida formação da força gel.

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