Utilização do planejamento experimental no estudo do ...· bentonitas na reologia de fluidos de

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    INTRODUO

    A mistura de matrias-primas de fundamental importncia para os diversos setores tecnolgicos. Os planejamentos experimentais para o estudo de misturas tm encontrado larga aplicao na cincia, na engenharia e particularmente na indstria [1-3]. A partir de um delineamento de misturas, pode-se verificar como as propriedades de interesse so afetadas pela variao das propores dos componentes da mistura, possibilitando a previso quantitativa das propriedades de qualquer formulao no sistema estudado, realizando somente alguns experimentos [5, 6]. A aplicao da modelagem de misturas, metodologia de superfcies de resposta e otimizao matemtica e grfica [7] conduz definio de composies (misturas das mesmas matrias-primas) mais adequadas que atendam s propriedades especificadas para a aplicao.

    As bentonitas, argilas cujas propriedades so ditadas essencialmente pelos argilominerais esmectticos, pertencem a um importante tipo de argilas largamente

    Utilizao do planejamento experimental no estudo do efeito da composio de misturas de bentonitas na reologia de fluidos de

    perfurao. Parte II: composies ternrias

    (Experimental design applied to the study of composition effect of bentonite on the rheology of drilling fluids. Part II: ternary compositions)

    L. F. A. Campos, L. V. Amorim, H. C. FerreiraDepartamento de Eng. de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande

    Av. Aprgio Veloso 882, Campina Grande, PB 58109-970liszandra@labdes.ufcg.edu.br

    Resumo

    O objetivo deste trabalho foi utilizar o planejamento experimental para avaliar o efeito da composio de misturas ternrias de bentonitas na reologia de fluidos de perfurao de poos de petrleo. Por meio do planejamento foram determinadas as propores dos componentes nas misturas ternrias das argilas e ento ajustados modelos de regresso relacionando viscosidade aparente, viscosidade plstica e volume de filtrado com a proporo de cada argila. A aplicao da modelagem de misturas, incluindo composies ternrias, aliada a metodologia de superfcies de resposta e otimizao matemtica e grfica permitiu delimitar uma gama de composies de argilas que favorece a melhoria das propriedades reolgicas e de filtrao dos fluidos estudados.Palavras-chave: bentonita, mistura de argilas, delineamento de misturas, fluidos de perfurao, otimizao.

    Abstract

    The purpose of this work was to study of composition effect of ternary bentonite mixtures on the rheology of drilling fluids. Through the experimental design were defined the components proportions in the ternary clays mixtures and then adjusted regression models relating apparent and plastic viscosities and water loss, with the proportion of each clay. The application of mixture experimental design, include ternary composition, response surface methodology, graphic and mathematical optimization allowed to delimit a strip of compositions that favors the improvement of the rheological properties of the drilling fluids. Keywords: bentonite, clays mixtures, mixture experimental design, drilling fluids, optimization.

    utilizado em muitos setores da indstria, como perfurao de poos de petrleo e de captao de gua, fundies diversas, pelotizao de minrio de ferro, indstria qumica e farmacutica, entre outros [8].

    At o momento, na literatura sobre tecnologia de argilas, so encontrados poucos dados relativos ao estudo de misturas de argilas bentonticas; contudo alguns pesquisadores [9, 10] vm despertando o interesse nesta rea.

    A parte 1 [11] deste estudo abordou a utilizao do delineamento de misturas, com o objetivo de avaliar o efeito da composio de misturas binrias de bentonitas na reologia de fluidos de perfurao de poos de petrleo. A aplicao desta ferramenta permitiu delimitar uma faixa de composies binrias que favorece a melhoria das propriedades reolgicas e de filtrao de argilas bentonticas sdicas para fluidos base de gua utilizados na perfurao de poos de petrleo.

    Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo utilizar o planejamento experimental, aplicado ao estudo de misturas, para avaliar o efeito da composio de misturas

    Cermica 53 (2007) 68-73

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    ternrias de bentonitas na reologia de fluidos de perfurao de poos de petrleo.

    MATERIAIS E MTODOS

    Argilas bentonticas: foram utilizadas trs amostras de argilas bentonticas policatinicas, extradas da mina Bravo, localizada em Boa Vista, PB, identificadas como argila A, argila B e argila C. Foi utilizada como referncia (padro) a argila bentontica sdica denominada Brasgel PA, da Empresa Bentonit Unio Nordeste - BUN, Campina Grande, PB.

    Aditivo: foi utilizado carbonato de sdio (Na2CO3) anidro PA Vetec, para transformao das argilas individuais e das composies ternrias de argilas bentonticas em sdicas.

    Preparao das argilas: as amostras de argilas naturais foram secas em estufa a 602 C durante um perodo de 7 dias. A seguir foram modas e passadas em peneira ABNT 200 (0,074 mm).

    Delineamento de misturas: as composies foram formuladas com as argilas A, B e C empregando a metodologia de modelagem de misturas do planejamento experimental [1]. Para definir as composies foi utilizado um planejamento em rede simplex {3,2}, aumentado com pontos interiores. As combinaes encontram-se na Tabela I.

    Transformao das argilas bentonticas e das composies em sdicas: as argilas individuais e as composies formuladas com as argilas, nas propores definidas (Tabela I), foram tratadas com soluo concentrada de carbonato de sdio na proporo 75 meq/100 g de argila seca, e curadas por um perodo de 5 dias em cmara mida. Aps a cura, foram preparadas as disperses de acordo com a metodologia descrita a seguir.

    Preparao das disperses: as disperses em concentraes de 4,86% em massa de argila, foram preparadas segundo a norma N-2605 [12], que consiste em

    adicionar 24,3 g de argila em 500 mL de gua deionizada e agitar durante 20 min a uma velocidade de 17.000 rpm, em agitador mecnico amilton Beach, modelo 936. A seguir, as disperses permaneceram em repouso por um perodo de 24 h em cmara mida, com 100% de umidade relativa.

    Estudo reolgico: foi realizado segundo a norma N-2605 [12], sendo determinadas as viscosidades aparente (VA) e plstica (VP) em viscosmetro Fann 35A, e o volume de filtrado (VF) em filtro prensa Fann. Os dados reolgicos foram obtidos em duplicatas; VA e VP em cP e VF em mL.

    Estudo estatstico: na representao do ajuste dos valores de resposta (VA e VP) utilizaram-se os modelos linear (Equao A), quadrtico (Equao B) e cbico especial (Equao C).

    Y(x1, x2, x3) = b1x1 + b2x2 + b3x3 (A)

    Y(x1, x2, x3) = b1x1+b2x2+b3x3+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3 (B)

    Y(x1, x2, x3) = b1x1+ b2x2+b3x3+b12x1x2 + b13x1x3+ b23x2x3+b123x1x2x3 (C)

    sendo Y a estimativa da resposta VA, VP e VF, b os coeficientes da equao determinados conforme Cornell [1] e x a proporo dos componentes na mistura.

    Os resultados obtidos no estudo reolgico foram usados para calcular (iterativamente, at serem obtidos modelos estatisticamente significativos) os coeficientes das equaes de regresso que relacionam VA, VP e VF com as propores das argilas presentes nas disperses. Os modelos foram ajustados para representar as respostas sobre uma superfcie, com o objetivo de encontrar modelos que descrevam o comportamento reolgico das misturas com a menor margem de erro possvel, quando comparados com os resultados reais dos experimentos.

    Uma avaliao da eficincia dos modelos foi feita por meio de mtodos estatsticos. Os clculos foram executados com auxlio do software Statistica 5.5 (StatSoft, 2000).

    Otimizao matemtica e grfica: as equaes de regresso foram sujeitas s restries apresentadas pela norma da Petrobras [12] para fluidos base de gua utilizados na perfurao de poos de petrleo, que so:

    VA 15,0 cP (D) VP 4,0 cP (E)VF 18,0 mL (F)

    A soluo simultnea das equaes de regresso, sujeitas a estas restries, foi calculada usando o software Excel (Microsoft, 2002). Em termos grficos, representando em diagrama triangular dos componentes, trata-se de encontrar a interseco das superfcies de resposta das vrias propriedades, sendo possvel a determinao da regio vivel que conduzir a gama de composies que satisfazem todas as restries.

    Propores das argilas na mistura (%)

    Composies A B C

    1 100,0 0 0 2 0 100,0 0 3 0 0 100,0 4 50,0 50,0 0 5 50,0 0 50,0 6 0 50,0 50,0 7 33,3 33,3 33,3 8 66,7 16,7 16,7 9 16,7 66,7 16,7 10 16,7 16,7 66,7

    Tabela I - Composies obtidas atravs do planejamento em rede simplex {3,2}, aumentado.[Table I - Compositions created by augmented {3,2} simplex.]

    L. F. A. Campos et al. / Cermica 53 (2007) 68-73

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    RESULTADOS E DISCUSSO

    Estudo reolgico: as mdias das duplicatas dos parmetros VA, VP e VF das disperses preparadas com as formulaes (Tabela I) e da argila Brasgel PA so apresentadas na Tabela II.

    A Fig. 1 apresenta os valores mdios de VA, VP e VF para as diferentes composies e para a argila Brasgel PA.

    Observa-se que: (i) as composies 1, 2 e 3 (argilas individuais A, B e C), aps transformao em sdicas no satisfazem por completo s normas vigentes para fluidos de

    perfurao base de gua e dependendo do tipo de argila, obtm-se sistemas com diferentes graus de floculao; (ii) a argila sdica Brasgel PA apresenta valores de VA, VP e VF de acordo com as especificaes; (iii) a composio 4 (50% da argila A e 50% da argila B), na forma sdica, satisfaz por completo s normas apresentando resultados (VA=17,9 cP, VP=4,5 cP e VF=14,6 mL) bem prximos aos encontrados para a argila sdica Brasgel PA (VA=16,8 cP, VP=4,0 cP e VF=17,1 mL); (iv) as composies 5, 7 e 8, que apresentam uma quantidade considervel da argila A, evidenciaram um estado parcialmente defloculado com propriedades reolgicas que no satisfazem por completo s especificaes. Este estado pode s