TESE DE DOUTORADO - core.ac.uk .A minha pacincia e perseveran§a. A Michele minha esposa e companheira

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of TESE DE DOUTORADO - core.ac.uk .A minha pacincia e perseveran§a. A Michele minha esposa e...

TESE DE DOUTORADO

ADIO DO RESDUO DE BIOMASSA DA CANA-DE-ACAR

EM PASTAS PARA CIMENTAO DE POOS PETROLFEROS

PRODUTORES DE LEOS PESADOS

Marcos Alyssandro Soares dos Anjos

Natal, abril de 2009.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

Marcos Alyssandro Soares dos Anjos

ADIO DO RESDUO DE BIOMASSA DA CANA-DE-ACAR EM PASTAS PARA

CIMENTAO DE POOS PETROLFEROS PRODUTORES DE LEOS PESADOS

Tese de Doutorado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Cincias e

Engenharia de Materiais da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como

parte dos requisitos para a obteno do

ttulo de Doutor.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Eduardo

Martinelli

Co-Orientador: Prof. Dr. Marcus Antonio

Freitas Melo

Natal, abril de 2009.

Ao meu Pai Marcos Pereira dos Anjos (em memria).

A minha pacincia e perseverana.

A Michele minha esposa e companheira que

sempre esteve ao meu lado, me incentivando e

suportando comigo as adversidades encontradas

durante o longo caminho percorrido at aqui,

obrigado por tudo, sem voc tudo seria muito mais

difcil.

A minha famlia, minha me Vera Lcia, minhas

irms Alyssandra e Yzabelle e meu sobrinho Vitor.

Obrigado pelo apoio e incentivo durante todos

esses anos.

AGRADECIMENTOS

Ao professor Antonio Eduardo Martinelli pela confiana e consciente orientao.

Ao professor Marcus Antonio Freitas Melo pela co-orientao.

professora Dulce Maria de Arajo Melo pela disponibilidade em colaborar.

Ao professor Normando Perazzo por sua colaborao e por ter disponibilizado as

instalaes do LABEME/UFPB para realizao da moagem do resduo.

Aos funcionrios e bolsistas dos laboratrios da UFRN onde foram realizados os

ensaios, tornando possvel a concretizao desta tese.

Aos colegas Tiago, Rodrigo, Daniel e Jlio, pela disponibilidade em colaborar na parte

experimental e pelas discusses de assuntos relacionados cimentao.

Aos professores do programa de ps-graduao que contriburam valiosamente na

minha formao acadmica.

A FAPERN pela concesso de bolsa durante parte da realizao deste trabalho.

MARCOS ALYSSANDRO SOARES DOS ANJOS. Adio do resduo de biomassa da cana-de-acar em pastas para cimentao de poos petrolferos produtores de leos pesados. Tese de Doutorado em Cincia e Engenharia de Materiais, UFRN, Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais rea de concentrao: Compsitos e Polmeros, Natal, Brasil. Orientador: Prof. Dr. Antonio Eduardo Martinelli

RESUMO

A bacia Potiguar tem grandes campos de leo viscoso, onde o mtodo de recuperao

utilizado a injeo de vapor; essa operao realizada injetando-se vapor diretamente

no poo, sem a proteo do revestimento atravs de isolamento trmico, o que provoca a

dilatao do mesmo, provocando assim falhas no cimento colocado no anular, e

conseqentemente, perda do isolamento hidrulico, esta falha tem origem no fenmeno

de retrogresso da resistncia compresso devido a converso do silicato de clcio

hidratado em fases ricas em clcio, provocada pelas elevadas temperaturas nos poos,

sujeitos recuperao trmica. O presente trabalho avaliou a aplicao de pastas

compsitas com adio de resduos de biomassa do bagao da cana-de-acar modas

como aditivo mineral anti-retrogresso para cimentao de poos petrolferos sujeitos a

recuperao trmica. A adio do resduo mineral foi realizada teores de 10, 20, 30, 40 e

59% em relao a massa do cimento, visando melhorar a microestrutura da pasta, sendo

ainda produzidas uma pasta de referncia, apenas com cimento e uma pasta com adio

de 40% de silica flour material consagrado na indstria de petrleo como aditivo anti-

retrogresso. Foram avaliados a atividade pozolnica da cinza atravs de DRX,

TG/DTG e resistncia compresso, determinando-se tambm o comportamento fsico

e mecnico das pastas submetidas a cura com baixas temperaturas (22 e 38C), alm da

avaliao do comportamento das pastas submetidas a dois ciclos de cura a alta

temperatura (280C) e presso (7 MPa). Verificou-se que a cinza de biomassa da cana

apresenta reao pozolnica, tendo grande eficincia na diminuio da permeabilidade

da pasta por efeito filler, e que as adies de cinza em teores de 10, 20 e 30% aumentam

a resistncia compresso das pastas curadas a baixas temperaturas. Constatou-se ainda

que a cinza em teores de 40% e 59% tem tima eficincia como aditivo anti-

retrogresso, pois evitam a diminuio da resistncia compresso e formam silicato de

clcio hidratado do tipo xenotlita e tobermorita que se apresentam mais resistentes e

estveis as altas temperaturas.

Palavras-chave: Pastas cimentcias; Cinza de biomassa da cana; Aditivo mineral;

Retrogresso.

ABSTRACT

The Potiguar basin has large fields of viscous oil where the used method for recovering

is based on vapor injection; this operation is carried out by injecting vapor in the oil-

well directly, without the protection of a revetment through thermal insulation, what

causes its dilation and, consequently, cracks in the cement placed on the annular, and

lost of hydraulic insulation; this crack is occasioned by the phenomenon of retrogression

of the compressive resistance due to the conversion of the hydrated calcium silicate in

phases calcium-rich, caused by the high temperatures in the wells, subjected to thermal

recuperation. This work has evaluated the application of composite pastes with addition

of residue of biomass of ground sugar-cane bagasse as anti-retrogression mineral

admixture for cementation of oil-wells subjected to thermal recuperation. The addition

of the mineral residue was carried out considering a relative amount of 10, 20, 30, 40

and 59% in relation to cement mass, trying to improve the microstructure of the paste,

still being developed a reference paste only with cement and a paste with addition of

40% of silica flour - renowned material in the oil industry as anti-retrogression additive.

Pozzolanic activity of the ash was evaluated through XRD, TG/DTG, as the resistance

to compression, and it was also determined the physical and mechanical behavior of the

pastes when submitted to cure at low temperatures (22 and 38 C); besides it was

evaluated the behavior of the pastes when submitted to two cycles of cure at high

temperature (280C) and pressure (7 MPa). It was verified that the ash of the sugar-cane

biomass presents pozzolanic reaction and has great efficiency in decrease the

permeability of the paste by filler effect, as well as that addition of ash in a relative

amount of 10, 20 e 30% increases cured compressive resistance at low temperatures. It

was also showed that the ash in a relative amount of 40% and 59% has very significant

efficiency as anti-retrogression additive, since it prevents the decrease of compressive

resistance and forms hydrated calcium silicate type xenotlita and tobermorita which

have more resistance and stability in high temperatures.

Keywords: Cement slurries; Ash of sugar-cane biomass; Mineral admixture; Pozzolan;

Retrogression.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Depsito permanente de bagao da cana-de-acar para utilizao como

biomassa nas caldeiras da Usina Estivas e depsito de resduo da biomassa (cinza)....23

Figura 2.1. Esquema das transformaes sofridas pela matria-prima at a

transformao em clnquer (COUTINHO, 2002)............................................................27

Figura 2.2. (a) Fotomicrografia de amostra de clnquer, 600x (TENRIO et al, 2003);

(b) Difratograma de raios X de uma amostra de clnquer (MEHTA e MONTEIRO,

2008)................................................................................................................................28

Figura 2.3. Grau de hidratao dos silicatos com o tempo (MICHAUX, et al,

1990)................................................................................................................................30

Figura 2.4. Influncia dos compostos do cimento (NEVILLE, 1997)...........................31

Figura 2.5. Curva de velocidade de formao de produtos hidratados em uma pasta de

cimento Portland (YOUNG et al., 1998, apud CORDEIRO,

2006)................................................................................................................................32

Figura 2.6. Morfologias tpicas do monossulfato e etringita - (a) MEHTA e

MONTEIRO (1994); (b) DEMIR e BASPINAR (2008)................................................32

Figura 2.7. Morfologias tpicas da portlandita - (a) MDUCIN, et al. (2007); (b)

HOLLIS et al, (2006) .....................................................................................................33

Figura 2.8. Morfologias tpicas da C-S-H amorfo (a) PENHA, et al. (2007); (b) QIAO,

et al. (2008)......................................................................................................................34

Figura 2.9. Morfologia do C-S-H cristalino: (a) fibras de xenotlita e glbulos de

kichoanite (MDUCIN, et al. 2007); (b) tobermorita (JUPE