UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · 2017-11-03 · fluidos de perfuração aquosos / Rosimeire Filgueira Costa. – Natal, RN, 2015. 57 f. : il. Orientador:

Rosimeire Filgueira Costa

Contribuição da poliacrilamida parcialmente hidrolisadaem associação com a bentonita em fluidos de perfuração

aquosos

Dissertação de Mestrado apresentada ao Pro-grama Pós-Graduação em Química do Centrode Ciências Exatas e da Terra da Universi-dade Federal do Rio Grande do Norte comorequisito parcial para a obtenção do grau deMestre em Química.

Orientadora: Profa. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban

Natal-RNJulho de 2015

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN Biblioteca Setorial do Instituto de Química

Costa, Rosimeire Filgueira. Contribuição da poliacrilamida parcialmente hidrolisada em associação com a bentonita em fluidos de perfuração aquosos / Rosimeire Filgueira Costa. – Natal, RN, 2015.

57 f. : il.

Orientador: Rosangela de Carvalho Balaban. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Química.

1. HPAM - Dissertação. 2. Bentonita - Dissertação. 3. Fluido de perfuração - Dissertação. I. Balaban, Rosangela de Carvalho. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

RN/UFRN/BSE- Instituto de Química CDU 547 (043.3)

A Deus.

Agradecimentos

A gratidão é uma das maiores dádivas do ser humano.

Sou grata em primeiro lugar a Deus que é onisciente e me permitiu aprender umpouco mais buscando Nele a sabedoria necessária para conduzir a minha vida.

A minha família que me apoiou desde o primeiro momento na minha vinda paraNatal até a minha formatura e que ainda me dá o suporte necessário para prosseguir nacaminhada com palavras saudosas e cheias de amor.

Ao meu esposo Rayron Victor por seu amor e cumplicidade a cada dia em todosesses anos.

A minha orientadora Rosangela Balaban por ter me aceitado e norteado o meutrabalho com sua sabedoria e vasta experiência.

A todos que compõem o LAPET pela acolhida e convivência nesses anos.

“Não vos amoldeis às estruturas deste mundo,mas transformai-vos pela renovação da mente,a fim de distinguir qual é a vontade de Deus:

o que é bom, o que Lhe é agradável, o que é perfeito.(Bíblia Sagrada, Romanos 12, 2)

Resumo

Neste trabalho, foi investigado o efeito da adição de poliacrilamida parcialmente hidrolisada(HPAM) e bentonita nas propriedades físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos.Duas formulações foram avaliadas: a formulação F1, que foi utilizada como referência,contendo carboximetilcelulose (CMC), óxido de magnésio (MgO), calcita (carbonato decálcio – CaCO3), goma xantana, cloreto de sódio (NaCl) e triazina (bactericida); e aformulação F2, contendo HPAM em substituição a CMC e bentonita em substituição àcalcita. Os fluidos preparados foram caracterizados quanto às propriedades reológicas,a lubricidade e o volume de filtrado. A calcita foi caracterizada por granulometria eanálise termogravimétrica (TGA). A formulação F2 apresentou controle de filtração àtemperatura de 93 ◦C 34 mL, enquanto a F1 apresentou filtração total. O coeficiente delubricidade da formulação F2 foi 0, 1623 e o da F1 0, 2542, acarretando uma redução detorque de 25% para F1 e de 52% para F2, comparado à água. Na temperatura de 49◦C e taxa de cisalhamento 1022 s−1, as viscosidades aparentes foram 25, 5 e 48 cP paraas formulações F1 e F2, respectivamente, evidenciando maior resistência térmica paraF2. Com a comprovação da maior estabilidade térmica de F2, um planejamento fatorialfoi realizado, a fim de determinar as concentrações de HPAM e de bentonita de melhordesempenho nos fluidos. O planejamento estatístico gerou superfícies de resposta indicandoas melhores concentrações de HPAM (4, 3 g/L) e de bentonita (28, 5 g/L) para se alcançarpropriedades melhoradas dos fluidos (viscosidade aparente, viscosidade plástica, limitede escoamento e volume de filtrado) com 95% de confiança, assim como as correlaçõesentre esses fatores (concentrações de HPAM e bentonita). Os testes de envelhecimentotérmico indicaram que as formulações contendo HPAM e bentonita podem ser utilizadas àtemperatura máxima de 150 ◦C. A análise do reboco formado após filtração dos fluidos porDifração de Raios X indicou interações específicas entre a HPAM e a bentonita, justificandoa maior estabilidade térmica do fluido F2 comparado ao F1, que suporta temperaturamáxima de 93 ◦C.

Palavras-chave: HPAM. bentonita. fluido de perfuração.

Abstract

In this study, we investigated the effect of addition of partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) and bentonite in the physicochemical properties of acquous drilling fluids. Twoformulations were evaluated: F1 formulation, which was used as reference, containingcarboxymethylcellulose (CMC), magnesium oxide (MgO), calcite (calcium carbonate- CaCO3), xanthan gum, sodium chloride (NaCl) and triazine (bactericidal); and F2,containig HPAM steady of CMC and bentonite in substituition of calcite. The preparedfluids were characterized by rheological properties, lubricity and fluid loss. Calcite wascharacterized by granulometry and thermal gravimetric analysis (TGA). The formulationF2 presented filtration control at 93◦C 34 mL while F1 had total filtration. The lubricitycoefficient was 0.1623 for F2 and 0.2542 for F1, causing reduction in torque of 25% forF1 and 52 % for F2, compared to water. In the temperature of 49 ◦C and shear rateof 1022 s−1, the apparent viscosities were 25, 5 and 48 cP for F1 and F2 formulation,respectively, showing greater thermal resistance to F2. With the confirmation of higherthermal stability of F2, factorial design was conducted in order to determine the HPAMand of bentonite concentrations that resulted in the better performance of the fluids. Thestatistical design response surfaces indicated the best concentrations of HPAM (4.3g/L)and bentonite (28.5 g/L) to achieve improved properties of the fluids (apparent viscosity,plastic viscosity, yield point and fluid loss) with 95% confidence, as well as the correlationsbetween these factors (HPAM and bentonite concentrations). The thermal aging testsindicated that the formulations containing HPAM and bentonite may be used to themaximum temperature until 150 ◦C. The analyze of the filter cake formed after filtration offluids by X-ray diffraction showed specific interactions between the bentonite and HPAM,explaining the greater thermal stability of F2 compared to the fluid F1, that supportsmaximum temperature of 93 ◦C.

Keywords: HPAM. bentonite. drilling fluid.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Estrutura Química da HPAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 2 – Estrutura Química da GomaXantana . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 3 – Estrutura química da CMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 4 – Representação esquemática da camada. Proporção 2:1 de SiO para Al2O3 20Figura 5 – Representação da formação do reboco . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 6 – Zimm plot para a HPAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 7 – Zimm plot para a CMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 8 – Curva de viscosidade reduzida em função da concentração de soluções

de goma xantana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 9 – Distribuição granulométrica da calcita . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 10 – Análise térmica da calcita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 11 – Curvas de fluxo das formulações a 25 ◦C . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 12 – Curvas de fluxo das formulações a 49 ◦C . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 13 – Curvas de viscosidade das formulações a 25 ◦C . . . . . . . . . . . . . 37Figura 14 – Curvas de viscosidade das formulações a 49 ◦C . . . . . . . . . . . . . 38Figura 15 – Ajustes do modelo para VA, VP e LE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 16 – Planejamento fatorial gerado pelo MODDE 7 . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 17 – Superfície de resposta para VA a partir da variação das concentrações

de bentonita e HPAM no fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 18 – Superfície de resposta para VP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 19 – Superfície de resposta para LE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 20 – Correlações entre os fatores e as respostas . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 21 – Formulação otimizada pelo MODDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 22 – Difratograma de Raios X da bentonita e do reboco . . . . . . . . . . . 48Figura 23 – Curva de fluxo para a formulação otimizada a diferentes temperaturas 49

Lista de tabelas

Tabela 1 – Formulações dos fluidos de perfuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Tabela 2 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo Bingham, a 25 ◦C 38Tabela 3 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Bingham, a 49 ◦C 38Tabela 4 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Potência, a 25 ◦C 40Tabela 5 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Potência, a 49 ◦C 40Tabela 6 – Parâmetros de lubricidade dos fluidos F1 e F2 . . . . . . . . . . . . . . 40Tabela 7 – Percentual de redução da tensão de cisalhamento a 1022 s−1, em 25 e

49 ◦C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Tabela 8 – Volumes de filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Tabela 9 – Formulações geradas pelo MODDE 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Lista de abreviaturas e siglas

API RP 13 B-1 Norma API (American Petroleum Institute) para fluidos aquosos

ATAP Alta temperatura e alta pressão

CMC Carboximetilcelulose

DP Grau de polimerização ("Degree of polimerization")

DRX Difração de Raios X

HPAM Poliacrilamida parcialmente hidrolisada

L600 A leitura do torque no viscosímetro da FANN modelo 35 A a 600 rpm

LE Limite de escoamento

PAM Poliacrilamida

SLS Espalhamento de luz estático ("Static Light Scattering")

TGA Análise termogravimétrica

VA Viscosidade aparente

VP Viscosidade plástica

Sumário

1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1 OBJETIVO GERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 OBJETIVOS ESPECíFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO E CARACTERíSTICAS DOS PRINCIPAIS ADI-

TIVOS EMPREGADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2 PROPRIEDADES REOLÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3 FILTRAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.4 FLUIDOS DE ALTA PERFORMANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4 Procedimento Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.1 MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2 PURIFICAÇÃO DOS POLíMEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3 DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLAR MÉDIA DOS POLíMEROS . . . . . . 284.3.1 Espalhamento de luz estático (SLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3.2 Viscosimetria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.4 GRANULOMETRIA DA CALCITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.5 ANÁLISE TÉRMICA DA CALCITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.6 PREPARAÇÃO DAS FORMULAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.7 PROPRIEDADES REOLÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.8 LUBRICIDADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.9 PROPRIEDADES DE FILTRAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.9.1 Análise do reboco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.10 OTIMIZAÇÃO DA FORMULAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Resultados e Discussão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1 MASSAS MOLARES DA HPAM, CMC E GOMA XANTANA . . . . . . . . . 335.2 GRANULOMETRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.3 ANÁLISE TÉRMICA DA CALCITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4 COMPORTAMENTO REOLÓGICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.5 OTIMIZAÇÃO DOS FATORES UTILIZANDO O MODDE 7.0 . . . . . . . . . 415.6 INDICAÇÃO DA MELHOR FORMULAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.7 DIFRAÇÃO DE RAIOS X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.8 ENVELHECIMENTO TÉRMICO A DIFERENTES TEMPERATURAS . . . . . 475.9 EFEITO DO TEMPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.10 FILTRAÇÕES API E ATAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

13

1 Introdução

Com a crescente exploração do petróleo, novos reservatórios estão sendo descobertosem zonas cada vez mais profundas. Nesses casos, os fluidos mais indicados para asperfurações dos poços são fluidos base óleo, por resistirem a altas temperaturas. Estes fluidospossuem boa lubricidade, bom controle de filtrado e propriedades reológicas adequadase de fácil controle. No entanto, os fluidos base óleo são mais danosos ao meio ambientequando comparados aos fluidos base água. Dessa forma, as restrições para o seu uso sãograndes, por causa do alto impacto ambiental (HAMED; BELHADRI, 2009).

Nas zonas com altas temperaturas e pressões, os fluidos aquosos necessitam de umdesempenho melhorado - alta performance. A melhoria das propriedades desses fluidosconsiste em conter na sua formulação polímeros mais resistentes à temperatura. Osprincipais aditivos utilizados como viscosificantes e controladores de filtrado em fluidos deperfuração são os polissacarídeos e a HPAM (KATZBAUER, 1998; KHAN et al., 2003;AUDIBERT; LECOURTIER, 1993). Em altas temperaturas, as ligações acetais presentesna estrutura química dos polissacarídeos se rompem (hidrolisam) e esses polissacarídeostêm uma consequente redução da massa molar. A massa molar e o volume hidrodinâmico dopolímero são fatores determinantes da viscosidade que os polímeros conferem quando estãoem solução. Quando assumem conformação distendida, pela repulsão eletrostática entre ascadeias dos polieletrólitos, os polímeros viscosificam a solução. O grau de polimerização(DP) influencia no tamanho da cadeia, pois indica o número de meros presentes e quantomaior o DP maior a massa molar do polímero, que por sua vez influencia nas propriedadesdo polímero em solução. O grau de substituição DS também tem influência nas propriedadesreológicas do polímero e significa o valor médio de substituições dos grupos hidroxilas nomero (SANTANA, 2014).

Diante desse cenário, um desafio-chave consiste em formular fluidos de perfuraçãomais resistentes à temperatura e pressão, sendo assim, os fluidos de alta performancemotivam o estudo e sugerem uma formulação base água sendo assim, melhorada comoalternativa para reduzir os problemas de inchamento da argila presente na formaçãocom menores impactos ambientais e com propriedades reológicas e lubricidade adequadas(GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI; DAVANI, 2009).

Tehrani et al. (2009) utilizaram polímeros sintéticos para desenvolver um novosistema de fluido base água ATAP de alta densidade e livre de cromo, justificado pelamaior estabilidade térmica dos polímeros sintéticos em relação aos polissacarídeos que,com o aumento da temperatura, sofrem hidrólise com redução da massa molar, nãodesempenhando suas funções no fluido de perfuração. O fluido utiliza uma combinação deargila e polímeros sintéticos, a fim de fornecer um maior controle de perda de fluidos e

Capítulo 1. Introdução 14

gerar estabilidade térmica e reológica, fomentando estudos entre a interação de compostosorgânicos-inorgânicos, pela produção de materiais híbridos que encontram aplicação nasmais diferentes áreas. Esses materiais possuem características intermediárias entre osmateriais de origem, por exemplo, polímeros e minerais. O principal efeito sinérgico parao polímero é a melhoria na estabilidade térmica (ZHANG et al., 2009; WANG et al., 2005;MCLAUCHLIN; THOMAS, 2009; KUNDU et al., 2014).

As argilas possuem vantagens para serem utilizadas combinadas a polímeros naformação de materiais híbridos, por possuirem organização estrutural, alta área de superfícieespecífica, capacidade de troca iônica, boa estabilidade térmica, mecânica e química, alémde ter baixo custo e ser um material natural e biocompatível (DARLEY; GRAY, 1988).

O presente trabalho tem como principal contribuição a investigação do efeito daadição de poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) e bentonita nas propriedadesreológicas e de filtração, levando em consideração as interações específicas entre estesmateriais.

15

2 Objetivos

2.1 Objetivo Geral

Estudo do efeito das interações entre poliacrilamida parcialmente hidrolisada e abentonita nas propriedades físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos, especialmenteestabilidade térmica e controle de filtração a altas temperaturas.

2.2 Objetivos Específicos

Caracterizar os polímeros utilizados por espalhamento de luz estático (SLS) eviscosimetria capilar;

Caracterizar a calcita por granulometria e termogravimetria;

Caracterizar a bentonita e o reboco por difração de raios X (DRX);

Estudar a estabilidade térmica dos polímeros hidrossolúveis em meio aquoso;

Comparar as propriedades físico-químicas dos fluidos aquosos a base HPAM ebentonita com uma formulação modelo;

Utilizar um planejamento estatístico para otimizar a concentração de HPAM ebentonita.

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3 Revisão Bibliográfica

3.1 Fluidos de Perfuração e características dos principais aditivos empregados

O fluido é um dos elementos mais importantes na operação de perfuração de umpoço de petróleo (LUMMUS; AZAR, 1986).

As principais funções dos fluidos de perfuração são: auxiliar na limpeza do poçoremovendo os cascalhos do fundo do poço até a superfície, resfriar e lubrificar a broca,fornecer uma pressão hidrostática necessária para a estabilidade do poço ainda não revestidoe formar um reboco fino e pouco permeável. Além disso, os fluidos de perfuração nãocausar dano ao meio ambiente, aos equipamentos ou aos operadores (LUMMUS; AZAR,1986; DARLEY; GRAY, 1988).

Os fluidos são classificados como base ar, água ou óleo, consoante sua fase contínua(LUMMUS; AZAR, 1986; DARLEY; GRAY, 1988).

Cada tipo de fluido é utilizado de acordo com as condições operacionais, são elas:temperatura, pressão de fratura, pressão de poro, zona a ser perfurada.

A formulação de fluido a ser utilizada depende das características físico-químicasda formação rochosa, tais como: permeabilidade, geopressões (EZELL; EZZAT; TURNER,2010).

Os aditivos químicos podem ser viscosificantes, espessantes, controladores de filtrado,inibidores de inchamento da formação e os principais deles são polímeros hidrossolúveis,sendo a goma xantana e a poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) os maisutilizados (AUDIBERT; LECOURTIER, 1993).

Cada aditivo possui uma função bem definida no fluido de perfuração. Os po-límeros atuam modificando a viscosidade da fase contínua. Os polieletrólitos, que sãopolímeros iônicos bastante utilizados em fluidos de perfuração, por possuírem cargas emmeio aquoso, sofrem repulsões eletrostáticas intra e intermoleculares entre seus grupos(carboxilato, piruvato) e a conformação que o polímero assume é distendida ou abertaviscosificando a solução (FUOSS; STRAUSS, 1948; FUOSS, 1948; LAKE et al., 2007;WEVER; PICCHIONI; BROEKHUIS, 2011).

A HPAM, a goma xantana e a CMC são utilizadas em fluidos de perfuração com afunção de viscosificar, controlar a filtração, inibir inchamento de argilas e ainda melhorara lubricidade do fluido (LUCAS et al., 2009). As estruturas são mostradas nas Figuras 1,2 e 3.

A adsorção da goma xantana em grupos silanóis, como os presentes na argila, é por

Capítulo 3. Revisão Bibliográfica 17

Figura 1 – Estrutura Química da HPAM

Fonte: (LAKE et al., 2007)

Figura 2 – Estrutura Química da GomaXantana

Fonte: (HU; WANG; JAMIESON, 1995)

Figura 3 – Estrutura química da CMC

Fonte: (KAISTNER et al., 1996)

ligações de hidrogênio. A sílica possui grupos silanóis pouco dissociados e a goma xantanapossui grupos hidroxila, carboxilato e piruvato que no pH próximo a 12 estão desprotonados.Com isso, as forças repulsivas reduzem as camadas adsorvidas, apresentando conformação


enovelada. Como consequência, uma maior flexibilidade é observada e possibilita a interaçãocom as cadeias vizinhas em solução e na superfície da sílica, aumentando a adsorção e sendomuito utilizada no controle da filtração, pela formação do dano e redução da permeabilidadeem meio poroso (KHAN et al., 2003; KHAN; KURU, 2004; NETO; JR; PETRI, 2007).

Os constituintes do fluido de perfuração desempenham funções para que os danoscausados aos equipamentos, ao meio ambiente e aos operadores sejam mínimos, tendoem vista o melhor desempenho do fluido, entre os principais parâmetros estão: o pHque deve ser alto para favorecer a hidratação da bentonita e dos polímeros presentesno fluido, incrementando a viscosidade. A adsorção dos polissacarídeos nos mineraisestá fortemente associada ao pH, o que contribui para um bom controle de filtração(LIU; ZHANG; LASKOWSKI, 2000); a degradação microbiológica dos polissacarídeos éminimizada através do uso de bactericida; a salinidade é um parâmetro que influenciana viscosidade do fluido, pois quando o sal está em uma alta concentração, este interagecom as cargas do polímero, blindando-as, o que influencia na conformação dos polímeros,pois através das interações eletrostáticas o polímero se fecha, o que a viscosidade diminui(LAKE et al., 2007).

O carbonato de cálcio (CaCO3) é um mineral, possui estrutura cristalina, é hi-drofóbico e insolúvel em água (CHEN et al., 2010). A moagem mecânica provoca nacalcita morfologia irregular e uma distribuição do tamanho das partículas (TRAN et al.,2010). As partículas de carbonato de cálcio permanecem em suspensão e incrementama viscosidade do fluido. Com o aumento do teor de sólidos, os valores de viscosidade seelevam (GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI; DAVANI, 2009). Fatores comotamanho de partícula e distribuição de tamanho de partícula também interferem naviscosidade, quanto menor o tamanho de partícula maior será o aumento de viscosidade(ABRAMS, 1977; SURI; SHARMA, 2004; SENSOY; CHENEVERT; SHARMA, 2009;ABDO; HANEEF, 2013).

A maior estabilidade térmica dos polímeros sintéticos advém da forte ligaçãocarbono-carbono e sua flexibilidade das rotações entre as ligações (LAKE, 1989).

A HPAM resiste bem a altas temperaturas, salinidade e meio ácido, por isso éo polímero mais utilizado na indústria do petróleo (HAN et al., 1999; THOMAS, 2008;LUCAS et al., 2009).

A obtenção da poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) pode ser através dahidrólise básica e parcial da poliacrilamida, convertendo seus grupos amida em carboxilatosou durante a copolimerização com monômeros de acrilato e acrilamida (HAN et al., 1999;LAKE et al., 2007; THOMAS, 2008).

Sabhapondit, Borthakur e Haque (2003), Vega, Sánchez e D’Accorso (2008) apre-sentaram diferentes formas de alterar a estrutura química da PAM ou síntese de novos


copolímeros à base de acrilamida, com propriedades melhores, isto é, que apresentarammaior resistência ao cisalhamento, compatibilidade com salmoura e estabilidade térmica.

Os polímeros mais aplicados na indústria do petróleo são os polissacarídeos, emespecial a Goma Xantana, os polímeros derivados de celulose como Carboximetilcelulose(CMC), Hidroxietilcelulose (HEC), porém possuem a desvantagem de sofrerem maiordegradação biológica; térmica e mecânica, durante cisalhamento em válvulas, orifícios,bombas e turbinas. A HPAM é muito aplicada na indústria do petróleo por sua maiorestabilidade biológica e maior robustez química em comparação a biopolímeros. No entanto,a hidrólise também causa degradação, que pode ser catalisada em meio ácido ou básico.A acrilamida sofre auto-hidrólise com alta temperatura, alteração do pH e com altaconcentração de cátions bivalentes (LAKE et al., 2007). Ao contrário dos polissacarídeos,ao sofrer hidrólise, a HPAM sofre uma conversão dos grupos amida em carboxilatos enão sofre redução da massa molar como ocorre, por exemplo, com a goma xantana quesofre a quebra da ligação acetal, que é lábil, e a elevada degradação térmica, mecânica ebiológica. A goma xantana é um polímero natural ou biopolímero e é preferencialmenteutilizada por sua biodegradabilidade e compatibilidade mais acentuadas com áreas depreservação, é um polissacarídeo de cadeia ramificada e massa molar alta, em torno de2.106 g/mol, muito utilizado na indústria desde a área de alimentos até perfurações depoços de petróleo (KATZBAUER, 1998; NETO; JR; PETRI, 2007).

A goma xantana, em meio aquoso, possui comportamento não newtoniano ou pseu-doplástico, pois sua viscosidade cai com o cisalhamento. Ela é capaz de formar estruturasgéis no repouso e, quando cisalhada, volta ao estado sol. Possui também uma estabilidadeem uma ampla faixa de pH, sendo mais resistente à hidrólise do que outros polissacarídeos.É também estabilizada na presença de sal, pois sofre uma transição conformacional dehélice simples para dupla e fica mais resistente à temperatura e à salinidade, sendo assimmuito aplicada em fluidos de perfuração base água como viscosificante e controlador defiltrado (XIE; LECOURTIER, 1992; KATZBAUER, 1998). Essas características tornam agoma xantana um dos principais aditivos químicos dos fluidos de perfuração que devemser inibidos (alta salinidade), para evitar interações com formações argilosas e conferirviscosidade ao fluido, auxiliando na limpeza do poço, e ainda auxilia no controle do filtrado.A goma xantana é resistente à salinidade e à temperatura, sendo estável até cerca de 100◦C. No estado sólido, sua conformação é helicoidal e, em solução, é novelo (MULLER etal., 1986).

A bentonita é um argilomineral do grupo das esmectitas (GRIM; GUVEN, 1978)constituído em maior quantidade da montmorilonita (DÍAZ; SANTOS; SANTOS, 1992).Se classifica como sódica ou cálcica (SANTOS, 1992), ou ainda policatiônicas, quando nãohá predominância de cátions trocáveis que se posicionam no espaço interbasal entre ascamadas de argila, que são formadas por folhas empilhadas tetraédricas de óxido de silício


(SiO) e octaédricas de óxido de alumínio (Al2O3) (LUCKHAM; ROSSI, 1999). A Figura 4mostra a representação das camadas.

Figura 4 – Representação esquemática da camada. Proporção 2:1 de SiO para Al2O3

Fonte: (DÍAZ; SANTOS; SANTOS, 1992)

3.2 Propriedades Reológicas

As propriedades reológicas estão relacionadas a forma que os materiais reagem aocisalhamento. O efeito do cisalhamento é de orientação, ou seja, organiza as moléculas nadireção do fluxo.

Newton relaciona a tensão cisalhante, que é a força exercida sobre uma área, etaxa de cisalhamento, que é definida observando-se um escoamento laminar e é a razãoentre a diferença de velocidade de duas lâminas e a distância entre elas, indicando aindauma constante de proporcionalidade entre elas e denominando-a de viscosidade. Essasgrandezas são representadas através da Equação 3.1.

No modelo newtoniano o fluido apresenta a mesma viscosidade independente dotempo e do cisalhamento.

τ = µ ∗ γ̇ (3.1)


Em que: τ é a tensão de cisalhamento (Pa), µ é a viscosidade (Pa.s) e γ̇ é a taxa decisalhamento (s−1).

Quando submetidos ao cisalhamento, os sólidos deformam e os líquidos e gasesescoam. Os fluidos estudados no presente trabalho possuem comportamento intermediárioentre sólidos elásticos e líquidos viscosos.

Os fluidos pseudoplásticos sofrem redução de viscosidade com o aumento do cisa-lhamento.

A tixotropia é uma propriedade dos fluidos que os permitem no repouso formarinterações e ficar gelificado (estado gel) e o cisalhamento desfaz estas interações tornando-osolução (estado sol).

Existem vários modelos que se propõem a descrever o comportamento dos fluidos.O modelo de Binghan, mostrado na Equação 3.2, inclui como parâmetro o limite deescoamento, que é uma tensão mínima necessária para o escoamento do fluido e viscosidadeplástica. O modelo de Ostwald de Waale ou lei de potência, mostrado na Equação 3.3, incluiparâmetros como n e k, que são índice de fluxo e índice de consistência, respectivamente.O índice de fluxo para o fluido newtoniano é igual a 1. Se o valor de n for entre 0 e 1 ofluido é pseudoplástico e se n for maior do que 1 o comportamento é dilatante. Quandoa viscosidade aumenta com o aumento do cisalhamento a um tempo constante. Por fim,o modelo de Hershel-Bulkley (Equação 3.4), que tem os mesmos parâmetros que o dePotência e acrescenta o limite de escoamento.

τ = τ0 + µ ∗ γ̇ (3.2)

Em que: τ é a tensão de cisalhamento (Pa), τ0 é o limite de escoamento (Pa), µ é aviscosidade (Pa.s) e γ̇ é a taxa de cisalhamento (s−1).

τ = κ ∗ γ̇n (3.3)

Em que: τ é a tensão de cisalhamento (Pa), κ é o índice de consistência (Pa.sn), n é oíndice de fluxo (adimensional) e γ̇ é a taxa de cisalhamento (s−1).

τ = τ0 + κ ∗ γ̇n (3.4)

Em que: τ0 é o limite de escoamento (Pa), τ é a tensão de cisalhamento (Pa), κ é o índicede consistência (Pa.sn), n é o índice de fluxo (adimensional) e γ̇ é a taxa de cisalhamento(s−1).


Polímeros hidrossolúveis como a HPAM e a goma xantana são muito utilizadascomo estabilizadores de rochas de xisto (AUDIBERT; LECOURTIER, 1993).

Na inibição do inchamento de argilas, o sistema amina/HPAM foi uma das alter-nativas mais adequadas que foi projetada e utilizada pelos operadores em todo o mundo(PATEL et al., 2007). Gholizadeh-Doonechaly, Tahmasbi e Davani (2009) utilizaram osistema citado e a HPAM foi utilizada como o inibidor secundário e a amina como inibidorconvencional. A molécula de amina atua através do mecanismo de troca de cátions e adereàs camadas de argila, enquanto a HPAM, por possuir uma elevada massa molar, não podepenetrar no espaço interbasal e atua englobando apenas fisicamente as partículas de argila(encapsula), as partículas que já tenham sido inibidas pelas moléculas de amina, impedindoa penetração das moléculas de água.

Mamat et al. (2013) realizaram uma polimerização em emulsão do estireno edivinilbenzeno, para obter pérolas granulares e utilizar como lubrificante de fluido. Ostestes de lubricidade foram realizados num monitor de avaliação de lubricidade (LEM 4100- Temco 2006), utilizando as seguintes condições: temperatura da câmara de ensaio 60 a 180◦C, pressões 300 a 600 psig e o tipo de contato aço/rocha. Os experimentos foram realizadosde acordo com a norma API-RP-13B-1 (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE, 2009).As pérolas resistiram a temperatura de 450 ◦C, explicado pela ligação do anel benzênico,reduziram o coeficiente de fricção em 27, 5% e propiciaram boas propriedades reológicas.

Polímeros derivados da celulose são amplamente utilizados (MAHTO; SHARMA,2004), poliacrilatos e poliacrilamidas também Hamed e Belhadri (2009) por serem de baixocusto e serem polissacarídeos (o que os torna ambientalmente corretos).

Menezes et al. (2010) indicaram a goma xantana e carboximetilcelulose (CMC)como principais aditivos utilizados em fluidos. Hamed e Belhadri (2009) os citam comoprincipais controladores de filtrado e viscosificantes, no entanto, com o avanço da perfuraçãoexige dos fluidos aditivos mais resistentes termicamente (AMORIM, 2003). Vale salientara necessidade do estudo de polímeros hidrossolúveis e com boa estabilidade térmica, sãoutilizadas também argilas com a função de viscosificar e controlar filtrado. Entretanto,é sabido que grandes quantidades de argila no fluido eleva a fricção e o torque Mahto eSharma (2004) e se os polímeros forem utilizados em conjunto com as argilas é observadauma interação que permite utilizar uma menor quantidade de argila para se obter bonsvalores de viscosidade e baixos valores de filtrado. Os argilominerais são chamados departículas de ponte, porque possuem tamanho inferior ao diâmetro do poro, obstruindo-oe permitindo apenas a passagem da fase contínua (LOMBA et al., 2002).


3.3 Filtração

A pressão hidrostática que o fluido exerce nas paredes do poço depende de suadensidade e da profundidade que se está perfurando. Esta não pode ultrapassar pressãode fratura e não pode ser inferior a pressão de poros - pressão exercida pelos fluidos daformação nos poros da rocha.

A perfuração ocorre em overbalance quando a pressão hidrostática exercida pelofluido é maior do que a pressão dos fluidos na formação, o que é muito importante para osucesso da operação do início até a completação do poço (LOMBA et al., 2002).

A filtração acontece quando a fase contínua invade a formação e os sólidos suspensosno fluido ficam retidos nos poros da rocha, obstruindo-os e formando o reboco interno.

Para que o reboco seja formado necessita-se de partículas com tamanho levementemenor do que os poros abertos da formação (gargantas de poro) e são chamadas deagente de ponte. Partículas menores vão sendo aprisionadas para formar o reboco interno.Enquanto o reboco ainda não se formou, há o surto de lama (representado na Figura5 pela área hachurada), pois o fluido penetra na formação e, posterior a sua formação,tem-se o filtrado (DARLEY; GRAY, 1988).

Figura 5 – Representação da formação do reboco

Fonte: (DARLEY; GRAY, 1988)


A filtração é um dos eventos mais importantes nas operações de perfuração, cimen-tação e completação. Os parâmetros de filtração merecem atenção ainda mais especialquando se perfura a zona de interesse (KHAN; KURU, 2004).

Para que a filtração seja controlada é causado um dano na formação perfurada.O primeiro dano é causado quando ocorre o surto de lama (spurt loss), que acontecequando as partículas sólidas suspensas na fase contínua formam o reboco interno (JIAO;SHARMA, 1992), ou seja, obstruem as gargantas de poro, permitindo apenas a passagemda fase contínua do fluido (SENSOY; CHENEVERT; SHARMA, 2009) e só depois ocorreo segundo dano, que é a formação do reboco externo, como esquematizado e mostrado naFigura 5.

Uma grande atenção ao controle de filtrado ocorre na zona de produção, pois afiltração pode ocasionar um dano irreversível no reservatório, reduzindo sua permeabilidade,dificultando a produção do óleo (LOMBA et al., 2002).

A profundidade e o grau de formação do dano dependem de vários fatores, são eles:distribuição do tamanho de partícula do agente de ponte, permeabilidade da formaçãoe incremento no teor de sólidos. Este último não indica que a filtração será mais bemcontrolada, pois além do efeito viscoso auxiliar no controle do filtrado, a química desuperfície e a forma da partícula influenciam mais na redução do volume de filtrado(UMIST; U., 1992; LOMBA et al., 2002; SURI; SHARMA, 2004).

Em perfurações convencionais, uma formulação contendo água e argila pode serutilizada, no entanto, com o aumento da profundidade, a formulação convencional necessitade ajustes e a aditivação das argilas com polímeros faz-se necessária. Barbosa, Amorim eFerreira (2007) comprovaram que a CMC e a HPAM são eficazes no controle da filtraçãoquando utilizadas com bentonita.

O estudo realizado por Iscan e Kok (2007) foi referente a CMC e sua atuação comocontrolador de filtrado. Foram utilizadas concentrações de 1, 3 e 4 g e seus filtrados em 30min foram respectivamente 9.2, 8.4 e 7.8. A principal conclusão obtida foi que a escolhada concentração tem relevância no desempenho da perfuração e sua otimização é feitavisando economia na operação. A concentração ótima da CMC influencia diretamente nodesempenho do fluido e sua floculação ocorre acima de 1lb/bbl.

Abrams (1977), Suri e Sharma (2004) mostraram que, para atuar como partículasde ponte, o tamanho de partículas não deve ser superior a um terço do tamanho dagarganta de poro. Isto implica que um tamanho de partícula entre 3 e 10 nm deve serusada para obstruir os poros de xisto que varia de 10 a 30 nm. Também é afirmado porAbrams (1977) que para as partículas conseguirem obstruir as gargantas de poro, elasdevem ser pelo menos 5%, em volume, do fluido de perfuração. No entanto, SENSOY,CHENEVERT e SHARMA (2009) verificaram que, em suas condições experimentais,


abaixo de 10% em massa se reduz a extensão de gargantas interligadas no xisto Atoka eque uma maior obstrução é observada com tamanho de partícula de 20 nm ao invés de 5nm.

SENSOY, CHENEVERT e SHARMA (2009) estudaram a possibilidade de reduzira invasão de água no xisto (rocha sedimentar composta por argilas, quartzo e outrosminerais silicato e carbonato) utilizando nanopartículas em fluidos com 20 nm e 40% emmassa e 4 % em massa de sal que são A (estável até 51, 67 ◦C) e B (estável até 65, 56 ◦C)em duas formações Atoka e Golfo do México. Os autores observaram que em Atoka aligação das gargantas de poro através das nanopartículas foi mais efetiva, atingindo 98%de obstrução em relação à água do mar. A adição de nanopartículas reduziu a penetraçãodo fluido em Atoka de 16 para 72% e no Golfo do México de 17 para 27%.

Abdo e Haneef (2013) utilizaram dois tipos de argila (bentonita e paligorskita) comomodificador reológico, que se mostraram eficientes no controle do filtrado, minimizando-ode 13, 1 para 7, 1 mL. O fluido resistiu à temperatura de 316 ◦C e pressão 30.000 psi, assimcomo melhorou a lubricidade, com redução de torque de 68%. Os autores concluiram quequanto menor o tamanho da partícula maior o incremento da viscosidade e quanto maior aquantidade de paligorskita menor a viscosidade plástica (VP), limite de escoamento (LE)e força gel. O torque observado a 600 rpm foi 36, VP 13 cP e LE de 4, 79 Pa.

3.4 Fluidos de Alta Performance

Quando as perfurações atingem grandes profundidades, possuem altas temperaturase altas pressões (ATAP), geradas pelo gradiente geotérmico - a taxa de variação datemperatura no interior da terra com a profundidade (THóRHALLSSON et al., 2014;ABDO; HANEEF, 2013; PIVEL; FREITAS; COMBA, 2009).

As formulações a base de parafina ou base óleo são bastante utilizadas em poçosATAP, visto que as condições de temperatura, pressão, a presença de formações hidratáveise formações salinas necessitam do comportamento apresentado por estes fluidos (BURKE,1995). As formulações base óleo possuem uma alta lubricidade, alta estabilidade elétrica etérmica e não interagem com as formações hidratáveis da formação, porém a utilizaçãodesse tipo de fluido é restrita por causar um alto impacto ambiental (HAMED; BELHADRI,2009).

As formulações à base de água necessitam de aditivos mais resistentes à temperatura,pois em zonas com alta temperatura ocorre a degradação dos polímeros que atuam comocontroladores de filtrado e agentes viscosificantes. Os fluidos devem ter ainda uma altadensidade para exercer uma pressão hidrostática no poço capaz de mantê-lo estabilizado eos gastos com dispersantes ficam cada vez mais altos (TEHRANI et al., 2009).

O fluido base água de alta performance surge como uma proposta excelente para


zonas protegidas ambientalmente, visto que o descarte do fluido base óleo e dos cascalhosmolhados com o fluido obedecem a uma legislação ambiental severa e necessitam detratamento, o que onera a operação e seus constituintes não são biodegradáveis, tornando-oimpróprio para descarte.

Nas formulações de alta performance disponíveis no mercado, o aditivo comumenteutilizado como modificador reológico e controlador de filtrado é o lignossulfonato de cromo,que apresenta um desempenho melhorado a altas temperaturas. No entanto, a presençado cromo na formulação indica uma carência de estudos que relacionem a estrutura dospolímeros com as propriedades que estes podem conferir aos fluidos. Tehrani et al. (2009)estudaram formulações livre desse metal pesado.

Tehrani et al. (2009) desenvolveram um novo sistema de fluido base água ATAP dealta densidade e livre de cromo. O fluido utiliza uma combinação de argila e polímerossintéticos, a fim de fornecer um maior controle de perda de fluidos e gerar estabilidadetérmica e reológica. O trabalho apresenta os resultados de vários testes realizados paramostrar o uso de dispersantes altamente eficientes, isto é, que melhoram a resistênciado fluido à contaminação de sólidos. Vários polímeros sintéticos foram avaliados para ocontrole de filtrado e reologia. Os polímeros foram submetidos a uma temperatura de 232◦C em fluidos de perfuração de densidade 18.0 lb/gal, e o seu desempenho foi avaliadoatravés de dados reológicos e volume de filtrado. Os resultados obtidos a partir destainvestigação foram aplicados em poços ATAP em diversos países. Em cada caso, os fluidosforam ajustados às especificações desejadas, tendo sido alcançados fluidos razoavelmenteestáveis.

Gholizadeh-Doonechaly, Tahmasbi e Davani (2009) realizaram uma investigaçãopara o desenvolvimento de uma formulação de fluido de perfuração base água em que umaamina adequada foi adicionada ao sistema e apresentou alto poder de inibição de inchamentode argilas, comparado às alternativas convencionais. Além da inibição de argilas, os autoresconstataram que um importante desafio na utilização de compostos do tipo amina em fluidosde alto desempenho base água é superar a instabilidade térmica. Logo, um sistema deve serformulado para alcançar a concentração certa de cada aditivo que satisfaça a necessidadede um sistema que forneça estabilidade térmica durante a operação de perfuração em seçõesde alta temperatura. O fluido base água de desempenho melhorado (Hiht PerformanceWater Based Mud) desenvolvido compreende uma concentração específica de um poli(etóxi alquil diamina) para inibição de argilas, um encapsulador de argila anfotérico epolimérico, um agente defloculante/lubrificante de alto desempenho e um aditivo especialpara controlar a perda de fluido. O fluido obtido alcançou estabilidade térmica acima de93 ◦C. O sistema projetado apresentou ótimas propriedades reológicas e de inibição deargilas em teste de laboratório, e muito próximas dos fluidos base óleo.

Meng et al. (2012) avaliaram os efeitos das cinzas de carbono utilizadas como


modificador reológico, pois em muitos trabalhos que desenvolviam formulações de altaperformance para poços ATAP, a densidade do fluido aumentava muito. Com o incrementodo teor de sólidos, a densidade é alterada, corroborando com os estudos de Wang et al.(2012). E com a utilização das cinzas, o limite de escoamento aumentava e a densidade erareduzida. E as cinzas eram resistentes a alta salinidade e temperatura.

Em poços com alta temperatura e pressão o uso de fluido convencional é restritopor causa do problema de precipitação de sílica durante a operação de perfuração, que levaa altos torques e riscos de saúde associados com o alto valor de pH (PATEL et al., 2007).

A contaminação de fluido com a bentonita num teste realizado por Gholizadeh-Doonechaly, Tahmasbi e Davani (2009) mostrou que com a elevação do teor de sólidoseleva-se a viscosidade plástica, o limite de escoamento e que a argila hidratada pode ajudarna formação do reboco, reduzindo o volume de filtrado.

28

4 Procedimento Experimental

4.1 Materiais

As amostras de CMC, CaCO3, NaCl, MgO e triazina foram doadas pela Petrobras-S.A. O copolímero de acrilamida e acrilato de sódio (HPAM) foi fornecido pela Floerger,com as seguintes especificações: aniônico, com densidade de carga média e massa molaralta. A bentonita foi fornecida pela BUN (Bentonit União Nordeste). Todos os produtosforam utilizados como recebidos. Somente para a determinação da massa molar média foifeita a purificação dos polímeros utilizados.

4.2 Purificação dos polímeros

A purificação da CMC e da goma xantana seguiu a metodologia de Lopes (1989).Foram dissolvidos cerca de 1 g do polímero em 500 mL de solução aquosa 10−2 M deNaCl (0,58 g/L de NaCl). A dissolução de cada polímero ocorreu sob agitação constante(agitador magnético), à temperatura ambiente, durante 24 horas. Após esse período, assoluções foram centrifugadas durante 15 min a uma rotação de 15000 rpm, à temperaturade 25 oC. Em seguida, cada solução foi filtrada em membrana Millipore com diâmetro deporo igual a 3, 0 µm e liofilizada.

4.3 Determinação da massa molar média dos polímeros

4.3.1 Espalhamento de luz estático (SLS)

As medições foram efetuadas no polímero em uma gama de concentrações de 0, 25a 1, 5 mg/mL em solução 0, 5 molL−1 de NaCl. As amostras com diferentes concentraçõesforam obtidas por diluição da solução mãe seguido por filtração em filtro de acetatode celulose de 0, 45 micrometros. A luz dispersa de um laser polarizado verticalmenteHe-Ne (Brookhaven Instrument goniômetro (BI-200SM), que opera com um laser deHe-Ne (λ = 632, 8 nm) como fonte de luz e 35 mW de potência) foi medido em diferentesângulos no intervalo 40 a 150 ◦, com passos de 5 ◦. Os valores de incremento do índicede refracção específico (dn/dc) foram tomados como 0, 158; 0, 15 e 0, 163 ml/g de polia-crilamida (STEJSKAL; HORSKÁ, 1982) e carboximetilcelulose (HOOGENDAM et al.,1998; FUJIMOTO et al., 2002), respectivamente. Através da Equação 4.1 foi determinadaa massa molar ponderal média, empregando-se o método de Zimm.

Kc

Rθ

= 1M̄wP (θ)

= 1Mw

[1 + 16π2n20R̄g

2

3λ2 sen2(θ2)] (4.1)

Capítulo 4. Procedimento Experimental 29

Em que, Rθ é o raio de giro, λ é o comprimento de onda e θ é o ângulo.

4.3.2 Viscosimetria

A determinação da viscosidade intrínseca ([η]) e da massa molar viscosimétricamédia da goma xantana purificada foi realizada por viscosimetria capilar, utilizando oviscosímetro capilar Schott-Geräte, modelo AVS-360, acoplado a um banho termostáticomodelo CK 160, a temperatura constante de 25 ◦C. Para esta análise, foi preparadasolução mãe de 2,0 g/L de goma xantana, em solução aquosa de NaCl (0, 1 mol.L−1 ).O tempo de escoamento foi medido em triplicata, para cada concentração de soluçãopolimérica trabalhada e foi utilizada a média desses valores precisos, a diluição é feita noequipamento e as concentrações foram 2, 0; 1, 8; 1, 6; 1, 4; 1, 2; 1, 0; 0, 8; 0, 6; 0, 4 e 0, 2 g/L.A [η] da goma xantana foi determinada graficamente através da relação entre a viscosidadereduzida (ηsp/C) em função da concentração C da solução polimérica em g/mL. O valorde [η] foi avaliado pela extrapolação da reta obtida à concentração zero (TAGER, 1978;MELLO et al., 2006; ACHAYUTHAKAN; SUPHANTHARIKA, 2008; VITURAWONG;ACHAYUTHAKAN; SUPHANTHARIKA, 2008), consoante a equação de Huggins 4.2.

µspC

= [µ] +K1[µ]2C (4.2)

Em que, µsp é a viscosidade especifica e K1 representa a constante de Huggins. Porintermédio das medidas efetuadas, a viscosidade reduzida foi calculada pela Equação 4.3.

µspC

= t− t0t0.C

(4.3)

Em que t e t0 são os tempos de escoamento da solução polimérica e do solvente,em segundos, respectivamente. A massa molar viscosimétrica média da amostra de gomaxantana foi calculada através da relação de Mark-Houwink-Sakurada, Equação 4.4 (TAGER,1978).

[µsp] = KMa (4.4)

Em que, K e a são constantes obtidas na literatura de valores 4, 64.10−6 mL/g e1, 41, respectivamente, sendo os mesmos variantes em função do polímero analisado, dosolvente e da temperatura de análise.

4.4 Granulometria da calcita

O diâmetro médio da partícula de CaCO3, bem como a curva de distribuição dotamanho de partícula, foram determinados em um granulômetro CILAS Laser, modelo


1064. A análise foi realizada pela dispersão de carbonato de cálcio em água, à temperaturade 25 ◦C.

4.5 Análise térmica da calcita

A análise térmica foi realizada no analisador termogravimétrico e calorímetrosimultâneo, modelo SDTQ600, da TA Instruments. As condições de ensaio foram cadinho dealumina, atmosfera de nitrogênio, vazão do gás de purga 50mL/min, razão de aquecimento20 ◦C/min e temperatura final de 1000 ◦C.

4.6 Preparação das Formulações

A preparação dos fluidos consistiu na pesagem dos aditivos utilizando uma balançade precisão e a adição destes em 350, 5 mL de água destilada, utilizando como misturadoro Hamilton Beach da Fann modelo HMD 200, aguardando 10 min para a adição de umnovo aditivo sólido e 5 min quando líquido. Em seguida, os fluidos mostrados na Tabela 1sofreram envelhecimento térmico em estufa rotativa Roller Over Model 704ES, por 16 h, avariadas temperaturas.

Tabela 1 – Formulações dos fluidos de perfuração

F1 F2Aditivo Concentração (g/L) Aditivo Concentração (g/L)CMC 5,7 HPAM 5,7MgO 0,86 MgO 0,86Calcita 25,7 Bentonita 25,7

Goma Xantana 3,71 Goma Xantana 3,71NaCl 28,5 NaCl 28,5

Triazina 0,86 Triazina 0,86Fonte: Autor

Duas formulações foram avaliadas: F1, que foi utilizada como referência, contendoCMC, óxido de magnésio (MgO), calcita (carbonato de cálcio - CaCO3), goma xantana,cloreto de sódio (NaCl) e triazina (bactericida) e a formulação F2, contendo HPAMem substituição à CMC e a bentonita em substituição à calcita. As formulações forampreparadas com água destilada (350,5 mL) e os aditivos nas concentrações mostradas naTabela 1.

A CMC e a HPAM são polímeros utilizados na formulação como controladoresde filtrado. O MgO é um alcalinizante e possui a função de melhorar a hidratação dospolímeros e ajudar a preservar os equipamentos por não favorecer a corrosão. A calcita é oagente de ponte ou propante, que vai obstruir as gargantas de poro e ajudar na formaçãode um reboco menos permeável. A goma xantana é utilizada com a função de viscosificar


o fluido. O NaCl tem a função de deixar o fluido inibido, isto é, quando em contato comformações argilosas, não favorece a sua hidratação e o bactericida (triazina) previne adegradação biológica dos polímeros (HAMED; BELHADRI, 2009).

4.7 Propriedades Reológicas

As propriedades reológicas foram obtidas através de viscosímetro da Fann modelo35 A de cilindros coaxiciais e mola de forças R1-B1, nas temperaturas de 25 e a 49◦C,para o aquecimento do fluido foi utilizado um copo térmico, uma manta de aquecimento eum termômetro.

4.8 Lubricidade

A lubricidade dos fluidos foi medida no EP/Lubricity Tester da Fann, modelo21200, à temperatura ambiente. Inicialmente, a calibração foi realizada com água destilada,na rotação de 60 rpm e torque zero. Em seguida, as amostras de fluido foram analisadasaplicando uma força de 47, 88 Pa. Todas as medidas foram feitas em triplicata e expressasatravés da média aritmética entre elas. O fator de correção foi calculado através da Equação4.5. As propriedades determinadas foram o coeficiente de lubricidade (Equação 4.6), opercentual de redução de torque (Equação 4.7) e o coeficiente de fricção (Equação 4.8).

FC = 34LM

(4.5)

Em que: FC é o fator de correção e LM é a média da triplicata das leituras do torque.

CL = LTxFC

100 (4.6)

Em que: LT é a leitura do torque e FC é o coeficiente de fricção.

%RT = (1 − T1T2)x100 (4.7)

Em que: %RT é o percentual de redução de torque, T1 é a média da triplicata para otorque medido no fluido e T2 é a média da triplicata para a o torque medido para a água.

CF = LT

100 (4.8)

Em que: CF é o coeficiente de fricção e LT é a média da triplicata dos torques lidos.


4.9 Propriedades de Filtração

Os fluidos foram submetidos a uma pressão de 100 psi a temperatura de 25 ◦C

durante 30 minutos e o volume de filtrado foi medido no filtro prensa API. Em altastemperaturas e pressões o teste foi realizado com as formulações sob as seguintes condições:93 ◦C e 500 psi durante 30 minutos e o volume de filtrado foi medido, para avaliara eficiência dos polímeros no controle de filtrado, conforme Norma API (AMERICANPETROLEUM INSTITUTE, 2009).

4.9.1 Análise do reboco

O reboco foi obtido através da filtração API, raspado do papel filtro e seco nodessecador. Em seguida, foi feita a caracterização por difração de raios X.

A bentonita e o reboco foram caracterizados por difração de raios X em um aparelhoBruker D2 Phaser utilizando radiação CuKα (λ = 1, 54 Å) com um filtro de Ni, compasso de 0,02 ◦, corrente de 10mA, voltagem de 30KV, utilizando um detector Lynxeye.

4.10 Otimização da Formulação

Na etapa de otimização da formulação, um planejamento experimental foi geradoaleatoriamente pelo MODDE 7.0 e realizado em laboratório para avaliar o efeito datemperatura na viscosidade aparente (VA), viscosidade plástica (VP) e limite de escoamento(LE), variando as concentrações dos fatores escolhidos que foram a HPAM e a bentonita.

33

5 Resultados e Discussão

5.1 Massas molares da HPAM, CMC e goma xantana

As massas molares médias da HPAM (1, 72.106 g/mol) e da CMC (1, 88.105 g/mol),foram obtidas pelo método ZIMM PLOT, mostrados nas Figuras 6 e 7. O encontro dasretas em vermelho no eixo y determina o inverso da massa molar ponderal média.

Figura 6 – Zimm plot para a HPAM

Fonte: Autor

Figura 7 – Zimm plot para a CMC

Fonte: Autor

A massa molar média da goma xantana foi determinada por viscosimetria capilar.A Figura 8 mostra a determinação gráfica da viscosidade intrínseca ([η]) = 400 mL/g),através da variação da viscosidade reduzida (ηsp/c) em função da concentração de polímeroem solução, mostrado na Equação 4.2.

A partir da equação de Mark-Houwink-Sakurada (Equação 4.4), a massa molarmédia da goma xantana (Mv = 4, 2.105 g/mol) foi determinada.

Capítulo 5. Resultados e Discussão 34

Figura 8 – Curva de viscosidade reduzida em função da concentração de soluções de goma xantana

Fonte: Autor

5.2 Granulometria

Os resultados da análise granulométrica da calcita empregada neste estudo estãoapresentados na Figura 9. As informações obtidas foram o tamanho médio das partículas(29, 15 µm), dos quais 90% tem 66, 30 µm, 50% tem 23, 360 µm e 10% tem 1, 55 µm. Otamanho e a distribuição dos tamanhos das partículas presentes no fluido influenciamdiretamente na formação do dano à formação e na permeabilidade do reboco (SURI;SHARMA, 2004; UMIST; U., 1992).

Figura 9 – Distribuição granulométrica da calcita

Fonte: Autor


5.3 Análise térmica da calcita

Na Figura 10, é apresentada a curva de análise térmica (TGA) da calcita, atravésda qual observam-se dois eventos de perda de massa para um aumento de temperaturade 50 a 800 ◦C. O primeiro evento térmico ocorreu entre as temperaturas de 200 e260 ◦C, com perda de massa inferior a 1%, possivelmente pela presença de impurezasdepositadas na superfície do mineral (TABRIZY; DENOYEL; HAMOUDA, 2011). Osegundo evento térmico foi observado entre as temperaturas de 615 e 780 ◦C, com perdade massa de 41%, correspondente à degradação do CaCO3, produzindo óxido de cálcio(CaO) (FISCHER, 1955; RODRIGUEZ-NAVARRO et al., 2009; BANG et al., 2011;HUANG; DAUGHERTY, 1988). Consoante estudos realizados por Sanders e Gallagher(2002), misturas de granulometrias diferentes de calcita com diâmetro médio inferior a44 µm sofrem perda de massa total (formação do CaO) à temperatura em torno de 779◦C, corroborando com o resultado obtido (779, 63 ◦C) neste trabalho, comprovando apredominância deste mineral na amostra utilizada.

Figura 10 – Análise térmica da calcita

1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

% Ma

ssa

T e m p e r a t u r a ( o C )

Fonte: Autor


5.4 Comportamento reológico

Os fluidos são classificados de acordo com seu comportamento reológico. Os fluidosde perfuração possuem comportamento não Newtoniano. Os modelos estudados foram o deBinghan ou plástico ideal, e o de Herschell-Buckley de potência com limite de escoamento.Os parâmetros calculados para o de Binghan foram o limite de escoamento τL (Pa) ea viscosidade plástica µP (mPa.s ou cP) e do modelo de Herschell-Buckley o limite deescoamento τL (Pa), o índice de fluxo n (admensional) e o índice de consistência K (Pa.sn)e os coeficientes de correlaçãoR2 para cada modelo. As curvas de fluxo e de viscosidade dasformulações estudadas antes e após o envelhecimento térmico são mostradas nas Figuras11, 12, 13 e 14. Os dados contidos nas curvas permitem inferir que o comportamentodas duas composições de fluido estudadas é pseudoplástico, observa-se uma redução daviscosidade com o cisalhamento para todas as formulações.

Figura 11 – Curvas de fluxo das formulações a 25 ◦C

Fonte: Autor

.

Com o envelhecimento térmico por 16 h a 60 ◦C houve aumento da viscosidadedas duas formulações, atribuído à hidratação dos polímeros e da bentonita.

Com o aumento da temperatura de análise, as duas formulações sofreram reduçãode viscosidade, atribuído ao distanciamento das partículas (DARLEY; GRAY, 1988). Aformulação F2 sofreu uma menor redução na viscosidade aparente com o incrementoda temperatura, possivelmente explicado pela formação do híbrido orgânico-inorgânico.Estudos mostram (ZHANG et al., 2009; WANG et al., 2005; MCLAUCHLIN; THOMAS,


Figura 12 – Curvas de fluxo das formulações a 49 ◦C

Fonte: Autor

Figura 13 – Curvas de viscosidade das formulações a 25 ◦C

Fonte: Autor

2009; KUNDU et al., 2014; TEHRANI et al., 2009; GHOLIZADEH-DOONECHALY;TAHMASBI; DAVANI, 2009) que a interação entre os polímeros dissolvidos no meioe a argila melhora a estabilidade térmica de materiais híbridos ou nanocompósitos. Aformulação F2 apresentou uma viscosidade mais elevada do que a obtida na formulaçãoF1, indicando uma maior sinergia entre os componentes do fluido.

As Tabelas 2 e 3 exibem os valores dos parâmetros reológicos dos fluidos testados


Figura 14 – Curvas de viscosidade das formulações a 49 ◦C

Fonte: Autor

e o coeficiente de determinação (R2), antes do envelhecimento térmico (AE) e depois doenvelhecimento (DE), considerando o ajuste do modelo de Binghan aos dados experimentais.

Tabela 2 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo Bingham, a 25 ◦C

Formulação LE (Pa) VP (cP) R2

F1 AE 17,6 19 0,9058F2 AE 19,8 18 0,8973F1 DE 37,2 16 0,8235F2 DE 45,8 18 0,8259

Fonte: Autor

A viscosidade aparente (VA), a viscosidade plástica (VP) e o limite de escoamento(LE) foram calculados pelas Equações 5.1, 5.2 e 5.3, respectivamente. As equações sebaseiam no intervalo convencional estabelecido pela API (American Petroleum Institute),que é a leitura da deflexão a 600 rpm (1022 s−1) e a 300 rpm (511 s−1. Entretanto, olimite de escoamento real (LE real) é bem maior que o calculado. Essa distorção ocorre

Tabela 3 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Bingham, a 49 ◦C

Formulação LE (Pa) VP (cP) R2

F1 AE 11,7 16 0,9123F1 DE 10,8 13 0,8952F2 AE 23,6 18 0,8561F2 DE 34,9 17 0,8394

Fonte: Autor


devido à presença de polímeros nas formulações, atribuindo caráter pseudoplástico aosfluidos, exibido na Tabela ??.

V A = τ

γ̇(5.1)

Onde: VA é a viscosidade aparente, τ é a tensão de cisalhamento e γ̇ é a taxa decisalhamento.

V P = τ2 − τ1

γ̇2 − γ̇1(5.2)

Onde: VP é a viscosidade plástica, τ2 é a tensão de cisalhamento correspondente aγ̇2 = 1022s−1, τ1 é a tensão de cisalhamento correspondente a 511s−1, γ̇2 é a taxa decisalhamento correspondente a γ̇2 = 1022s−1 e γ̇1 é a taxa de cisalhamento correspondentea 511s−1.

LE = τ − V P γ̇ (5.3)

Onde: LE é o limite de escoamento, τ é a tensão de cisalhamento, VP é a viscosidadeplástica e γ̇ é a taxa de cisalhamento.

Nas Tabelas 4 e 5 são mostrados os parâmetros reológicos (n e k) obtidos a partirdo ajuste do modelo de potência aos dados experimentais. Os valores de R2 foram melhoresdo que os obtidos para o modelo de Binghan, corroborando com a indicação do modelo deHershel-Bulkley (modelo de potência com limite de escoamento) para todas as formulaçõestestadas. Além disso, os fluidos que contêm HPAM e bentonita apresentaram maioresíndices de consistência e maior pseudoplasticidade (valores menores de n), mesmo após oenvelhecimento térmico sob cisalhamento, indicando maior resistência térmica. O fluido F2sofreu aumento significativo de índice de consistência e, consequentemente, de viscosidadeapós o envelhecimento térmico, o que indica aumento de hidratação dos colóides (HPAMe bentonita), interação entre as partículas coloidais e uma sinergia entre os componentesestudados.

A análise de lubricidade fornece o torque inerente ao fluido que está sendo cisalhadoe, através de equações simples, são calculados parâmetros como coeficiente de lubricidade,coeficiente de fricção e redução do torque (SöNMEZ; KöK; ÖZEL, 2013). Os resultadosobtidos para os fluidos F1 e F2, antes e depois do envelhecimento térmico, são mostradosna Tabela 6.

Os resultados mostrados na Tabela 6 indicam que a formulação F2, antes e depoisdo envelhecimento em estufa a 60 ◦C, apresenta a maior redução do torque entre os


Tabela 4 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Potência, a 25 ◦C

Formulação n K (Pa.sn) R2

F1 AE 0,39 4,9 0,9990F1 DE 0,38 5,7 0,9994F2 AE 0,3 13,5 0,9994F2 DE 0,26 19,3 0,9999

Fonte: Autor

Tabela 5 – Parâmetros reológicos dos fluidos segundo o modelo de Potência, a 49 ◦C

Formulação n K (Pa.sn) R2

F1 AE 0,45 2,6 0,9997F1 DE 0,48 2,0 0,9990F2 AE 0,38 6,4 0,9824F2 DE 0,3 12,9 0,9998

Fonte: Autor

Tabela 6 – Parâmetros de lubricidade dos fluidos F1 e F2

Formulação Coeficiente de fricção Coeficiente de lubricidade Redução de torque (%)F1 AE 0,2733 0,2512 26F1 DE 0,2767 0,2542 25F2 AE 0,2167 0,1991 41F2 DE 0,1767 0,1623 52

Fonte: Autor

componentes metálicos do equipamento, o que sugere uma formulação com menor fricçãocom as paredes do poço e equipamentos, evitando desgaste dos equipamentos e coluna deperfuração. Os fluidos com uma boa lubricidade formam um filme entre a coluna e a for-mação rochosa, protegendo-os do desgaste, por reduzir a fricção (SENSOY; CHENEVERT;SHARMA, 2009).

Na Tabela 7, é exibido o percentual de redução da tensão de cisalhamento a1022 s−1, realizada a 25 ◦C e a 49 ◦C, para verificar qual formulação resiste melhor aoaumento da temperatura. Esses dados evidenciam o melhor desempenho da formulação F2,mostrando que com o avanço da perfuração e consequente aumento da temperatura suaviscosidade sofre uma menor redução. Dessa forma, a limpeza do poço, que é influenciadapelo cisalhamento a altas taxas, não seria prejudicada.

A Tabela 8 apresenta os resultados de filtração API e ATAP para as duas formu-lações estudadas. Os volumes de filtrado API da formulação F2 foram menores do queos da F1, o que implica em um melhor controle de filtração pela formulação F2. A altatemperatura e pressão (ATAP), a formulação F1 foi totalmente ineficiente, apresentandofiltração total e imediata. Esse resultado pode ser atribuído à aceleração da degradação do


Tabela 7 – Percentual de redução da tensão de cisalhamento a 1022 s−1, em 25 e 49 ◦C

Formulação Percentual de redução (%)F1 AE 24F1 DE 33F2 AE 17F2 DE 14

Fonte: Autor

polissacarídeo (CMC) por hidrólise (quebra da ligação acetal que é lábil). Por sua vez, aformulação F2 apresentou volumes de filtrado dentro do previsto pela norma utilizada,porém, ainda considerados altos, evidenciando a necessidade de ajustes na formulação.

Tabela 8 – Volumes de filtrado

Formulação API (mL) ATAP (mL)F1 AE 12,5 NDF1 DE 11,6 NDF2 AE 8,7 46F2 DE 9,1 34

Fonte: Autor

5.5 Otimização dos fatores utilizando o MODDE 7.0

Nas etapas seguintes, o objetivo foi verificar os efeitos das concentrações dospolímeros e da temperatura nas respostas viscosidade aparente (VA), viscosidade plástica(VP) e limite de escoamento (LE).

A metodologia de superfície de resposta indica, em termos percentuais, o quanto omodelo (teórico) se aproxima do real (experimental). Mostra os fatores que mais influenciamnas respostas e determina sua significância, com 95 % de confiança. O valor de R2(coeficiente de determinação) deve ser próximo a um para que o modelo seja adequado.Q2 é o percentual de variação das respostas obtidas numericamente e valores abaixo de0, 8 indicam que há termos insignificantes e que eles devem ser retirados do modelo. Oerro e a reprodutibilidade são determinados pela replicata. A validade do modelo deverter um valor maior do que 0, 25, indicando que erro do modelo é da ordem do erro puro,isto é, não há falhas significantes. A reprodutibilidade do modelo deve ter valor próximo aum (BORGES, 2007).

Na Figura 15, R2 (barra verde) está próximo a um e corrobora com a validadedo modelo (barra amarela) para as respostas VA, VP e LE, que está acima de 0, 25 emtodos os casos, tornando-os válidos. A variação das respostas (teórico - experimental)foi menor que 0, 8 na VP, logo possui termos que podem ser retirados, indicando umagrande variação das respostas obtidas. A reprodutibilidade do modelo obtida para VP


está distante de um. R2 (barra verde) deve ser próxima de um para que o modelo sejaadequado. Logo, o modelo é mais adequado para a VA e o LE.

Figura 15 – Ajustes do modelo para VA, VP e LE

Fonte: Autor

O planejamento fatorial variou na formulação F2, mostrada na Tabela 1, a concen-tração dos seguintes fatores: HPAM (1, 5 - 2, 0 - 2, 5lb/bbl ou 4,3 - 5,7 - 7,1g/L), bentonita(8 - 9 - 104 ou 22,8 - 25,5 - 28,5g/L) e a temperatura (25 e 49 ◦C). O sistema gerou umamatriz de experimentos (worksheet). Os experimentos foram realizados aleatoriamente. Asformulações são mostradas na Tabela 9 e as análises das propriedades reológicas foramfeitas e as respostas incluídas na matriz. Na Figura 16, estão mostradas as formulaçõesgeradas alterando os fatores e as respectivas respostas. As superfícies de resposta para aVA, VP e o LE estão mostradas nas Figuras 17, 18 e 19, respectivamente.

Tabela 9 – Formulações geradas pelo MODDE 7

Aditivos F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7Água (mL) 350,5 350,5 350,5 350,5 350,5 350,5 350,5HPAM (g/L) 4,3 7,1 4,3 7,1 4,3 5,7 7,1MgO (g/L) 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86

Bentonita (g/L) 22,8 22,8 25,7 25,7 28,5 28,5 28,5Goma Xantana (g/L) 3,71 3,71 3,71 3,71 3,71 3,71 3,71

NaCl (g/L) 28,5 28,5 28,5 28,5 28,5 28,5 28,5Triazina (g/L) 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86

Fonte: Autor


Figura 16 – Planejamento fatorial gerado pelo MODDE 7

Fonte: Autor

Os valores de VA, VP e LE foram calculados no intervalo convencional, estabelecidopela API (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE, 2009), utilizando as Equações 5.1,5.2 e 5.3, respectivamente.

A Figura 17 mostra que uma maior área, obtida com altos valores de VA, está nascondições de maiores concentrações dos fatores e menores temperaturas. O aumento datemperatura reduz a viscosidade aparente.

A Figura 18 apresenta comportamento oposto ao da VA. Em altas temperaturas econcentrações dos fatores, uma maior área da superfície tem altos valores de VP. Nesse caso,os dois fatores avaliados (concentração do aditivos avaliados e temperatura) favorecemaltos valores de VP.

A Figura 19 mostra que o aumento da temperatura favorece a redução do limitede escoamento, mesmo nas maiores concentrações estudadas.

As correlações entre os fatores e as respostas estão mostradas na Figura 20. Osfatores que mais influenciaram positivamente foram a concentração de HPAM para a VA,o que é condizente com a alta massa molar e densidade de cargas negativas do polímero. Aexpansão do polímero em solução confere a esta um incremento de viscosidade e melhoriaem suas propriedades reológicas, pois aumentam as forças de repulsão eletrostática entreos grupos carboxilatos e a conformação que o polímero assume é distendida ou aberta.(LAKE et al., 2007; WEVER; PICCHIONI; BROEKHUIS, 2011; FUOSS; STRAUSS,1948; FUOSS, 1948).

A segunda maior influência foi ainda a concentração de HPAM na VP, pois com oincremento da quantidade de sólidos no fluido aumentam as fricções entre as partículas em


Figura 17 – Superfície de resposta para VA a partir da variação das concentrações de bentonita e HPAMno fluido

Fonte: Autor

Figura 18 – Superfície de resposta para VP

Fonte: Autor

suspensão, causando, o aumento na VP, conforme estudos de Falode, Ehinola e Nebeife(2008), Gholizadeh-Doonechaly, Tahmasbi e Davani (2009).


Figura 19 – Superfície de resposta para LE

Fonte: Autor

Figura 20 – Correlações entre os fatores e as respostas

Fonte: Autor

A VA e o LE também estão fortemente correlacionados, quanto maior a viscosidadeaparente mais alta vai ser a tensão inicial necessária para iniciar o fluxo e maior terá que


ser a potência das bombas utilizadas na circulação do fluido no poço.

Com o aumento no teor de sólidos, haverá incremento na VP, como mostradopela representação da quarta correlação da esquerda para a direita (GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI; DAVANI, 2009).

A presença e concentração de HPAM e bentonita influenciaram também no LE,os colóides presentes no fluido incrementam o LE (MELO; DANTAS; NETO, 2013;GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI; DAVANI, 2009).

A relação entre os fatores bentonita e temperatura com a resposta VP mostra quecom o aumento das concentrações das partículas e aumento da temperatura aumentaa fricção entre as partículas (FALODE; EHINOLA; NEBEIFE, 2008; GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI; DAVANI, 2009). Porém, no modelo dos coeficientes decorrelações, a interação destas variáveis não foi significativa.

O aumento da concentração de bentonita influencia no aumento da VA, porquefavorece a floculação, já que a forma que as partículas se tocam interfere na viscosidade.

O aumento da temperatura favorece a fricção entre as partículas, gerando a VP(FALODE; EHINOLA; NEBEIFE, 2008; GHOLIZADEH-DOONECHALY; TAHMASBI;DAVANI, 2009).

Por fim, a décima correlação mostrada indica que a VP causada pela fricção entreas partículas incrementa a tensão limite inicial para começar o fluxo.

5.6 Indicação da melhor formulação

Após a execução deste planejamento, a formulação foi otimizada em termos damaximização da VA, que é necessária para uma boa limpeza de poço; minimização da VP,que faz relação com a fricção entre as partículas e é desejável que esta seja reduzida paraevitar danos nos equipamentos e não aumentar muito o teor de sólidos (SöNMEZ; KöK;ÖZEL, 2013) e minimização do LE, que representa o torque necessário para se começara bombear o fluido sem exigir muito das bombas. A formulação gerada pelo softwareMODDE 7.0 é mostrada na Figura 21.

5.7 Difração de raios X

É um dos métodos mais utilizados no estudo de argilas e nanocompósitos (WANGet al., 2005) e foi empregado para verificar a interação entre a HPAM e a bentonita, atravésda análise no reboco.

O difratograma de Raios X mostrado na Figura 22 é referente às análises realizadasna argila e no reboco. A principal característica da bentonita é a presença da primeirareflexão a baixos ângulos, a qual é dada pela organização estrutural das lamelas. A primeira


Figura 21 – Formulação otimizada pelo MODDE

Fonte: Autor

reflexão permite a identificação do espaçamento basal, que é dado pelo valor do pico em2 theta, na bentonita é por volta de 10. A curva em vermelho evidencia a interação dapoliacrilamida parcialmente hidrolisada e a bentonita esfoliada pela grande quantidadede água disponível no meio, podendo sugerir a formação de um material híbrido, que éidentificado pela ausência da primeira reflexão a baixos ângulos, inerente a periodicidadeobservada nas lamelas de argila.

5.8 Envelhecimento térmico a diferentes temperaturas

A formulação otimizada tem as seguintes concentrações: 1, 5 lb/bbl (4, 3 g/L) para aHPAM e 10lb/bbl (28, 5g/L) para a bentonita (a concentração de polímero foi minimizadae maximizada a da bentonita) e foi utilizada para testes de envelhecimento térmicoa temperaturas diferentes, verificando as propriedades reológicas e de filtração API e,ainda, utilizada para filtração ATAP, fixando a temperatura de rolagem em 93 ◦C. Astemperaturas avaliadas foram: 60, 93, 150 e 200 ◦C. Na temperatura de 200 ◦C, o fluidoapresentou odor desagradável, e aspecto visual de degradação térmica (um precipitadopreto e água como sobrenadante). Temperaturas intermediárias entre 150 e 200 ◦C tambémforam testadas e apresentaram o mesmo aspecto. Com a obtenção desses resultados, atemperatura máxima a qual o fluido resistiu foi determinada como sendo 150 ◦C.

A Figura 23 indica que há uma diferença pequena no comportamento reológicoda formulação otimizada nas temperaturas 60 e 93 ◦C. Já a partir de 150 ◦C ocorreuuma redução mais acentuada na viscosidade, no entanto, o volume de filtrado se manteve.Pode-se predizer que a formulação estudada é estável até 150 ◦C.


Figura 22 – Difratograma de Raios X da bentonita e do reboco

Fonte: Autor

5.9 Efeito do tempo

A mesma formulação foi estudada para verificar o efeito do tempo. A formulaçãofoi preparada e deixada em repouso durante uma noite. Na manhã seguinte, agitou-sedurante 5 min, como é feito com todas as formulações antes de qualquer teste, parahomogeneizar o sistema e, em seguida, verificou-se as propriedades reológicas e de filtração.As conclusões foram que a hidratação ocorreu, mas de forma menos efetiva para aspropriedades reológicas do que quando envelhecido com temperaturas até 93 ◦C, e ofiltrado não aumentou, conforme visto após envelhecimento térmico, permaneceu em 7, 8mL.

5.10 Filtrações API e ATAP

Os valores dos volumes de filtrado da formulação otimizada que envelheceu nastemperatuas de 60, 93 e 150 ◦C, se mantiveram próximos a 7, 8 mL a 25 ◦C, no teste defiltração API, indicando que o efeito da temperatura de envelhecimento térmico afetou aforma que as partículas presentes no fluido se tocam, no entanto, não acelerou a hidrólise


Figura 23 – Curva de fluxo para a formulação otimizada a diferentes temperaturas

Fonte: Autor

dos polímeros. A filtração ATAP daformulação otmizada, envelhecida e filtrada a 93 ◦C epressão de 500 psi, gerou um volume de filtrado de 26 mL. A norma API (AMERICANPETROLEUM INSTITUTE, 2009), indica valores menores do que 30 mL para consideraraceitável. Comparando os dados da Tabela 8 (antes da otimização das concentrações daHPAM e bentonita nos fluidos) com o resultado da formulação otimizada, o volume defiltrado diminuiu mesmo utilizando-se uma concentração menor de HPAM.

50

Conclusões

A goma xantana foi caracterizada por viscosimetria capilar com massa molarviscosimétrica média de 4, 2.105 g/mol. A HPAM e CMC foram caracterizadas por espa-lhamento de luz estático com massa molar de 1, 72.106 e 1, 88.105 g/mol, respectivamente,justificando a maior viscosidade conferida em meio aquoso pela HPAM.

A análise granulométrica da calcita indicou uma distribuição de tamanhos, tendocomo tamanho médio de partícula de 29, 15 µm, justificando a obstrução dos poros dopapel e obtendo um bom controle de filtrado a temperatura de 25 ◦C. A análise térmicado carbonato de cálcio comprovou que o mineral predominante é a calcita e, embora tenhaapresentado uma boa estabilidade térmica sua interação com a CMC quando submetida àtemperatura de filtração de 93 ◦C não apresentou controle de filtrado.

A análise do reboco obtido da filtração do fluido contendo bentonita e HPAMindicou a ausência da primeira reflexão mostrado no DRX da bentnita, significandoque a argila apresentou inchamento ao ponto de esfoliar e descamar, ou seja, perder acristalinidade e regularidade estrutural da bentonita e a interação com a HPAM conferiucontrole de filtração a altas temperaturas (antes da otimização da formulação 34 e depois26 mL).

Os fluidos seguem predominantemente o modelo de Hershel-Bucley. A formulaçãoF2 possui comportamento mais pseudoplástico do que a F1, observado pelo valor de n0, 38 para F1 e 0, 26 para F2 e o índice de consistência K de F1 é 19, 3 e F2 é 5, 7 Pa.sn,justificando a maior viscosidade de F2 frente a F1. O envelhecimento térmico foi utilizadopara verificar a temperatura limite de utilização dos fluidos e indicou 150 ◦C para aformulação otimizada.

A presença da HPAM e bentonita foram os agentes que contribuíram para melhorara eficiência de lubricidade dos fluidos, obtendo 52% de redução de torque para F2 enquantopara F1 foi de 25%, quando comparada à água.

A filtração API mostrou resultados de volumes de filtrado próximos para as duasformulações, sendo F1 é 11, 6 e F2 é 9, 1 mL. Entretanto, a filtração ATAP mostrou que aformulação F1 não é adequada para poços que atinjam pressão de 500 psi e temperaturade 93 ◦C, pois a filtração foi total e imediata. A formulação F2 apresentou volume defiltrado de 34 mL, comprovando sua maior resistência a altas temperaturas, porém, osvalores de filtração ainda eram altos e necessitou de ajustes. O planejamento experimentalauxiliou na determinação das concentrações ótimas dos aditivos HPAM e bentonita queforam 4, 3 e 25, 7 g/L, respectivamente. Vale salientar que a quantidade de polímero foireduzida em relação a formulação F2 que inicialmente que era 5, 7 g/L e obtendo um

Conclusões 51

volume de filtrado API de 7, 8 mL nos dois casos.

Em suma, as propriedades das formulações investigadas indicaram que os fluidosconstituídos de poliacrilamida e argila bentonita apresentam propriedades promissoraspara utilização em perfurações onde há restrições ambientais, em substituição aos fluidossintéticos, no entanto, a temperatura não deve ultrapassar 150 ◦C.

52

Referências

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · 2017-11-03 · fluidos de perfuração aquosos / Rosimeire Filgueira Costa. – Natal, RN, 2015. 57 f. : il. Orientador: