B) FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS COM TENSÃO RESIDUAL
3.7 FUNDAMENTOS SOBRE AS EMULSÕES
3.7.4 ESTABILIDADE DAS EMULSÕES
O conceito de estabilidade de uma emulsão está sempre ligado ou à persistência ou ao decaimento de um sistema disperso submetido a determinadas circunstâncias. Salager (2006) menciona que um sistema emulsionado é dito estável quando não sofre alteração em seus aspectos por mais de três anos, e instável se sofre separação de fases após alguns minutos. Ainda segundo ele, qualquer coisa entre estes extremos é necessária a quantificação de alguma forma a evolução da estabilidade com o tempo.
A instabilidade termodinâmica de uma emulsão é regida pela variação do tamanho das gotas, ou seja, à medida que a fase interna tenta se aglomerar, esta tende a se separar como uma segunda fase. As substâncias tensoativas (emulsificantes) são adicionados ao meio de forma a diminuir a tensão interfacial e, assim, retardar a segregação das fases (GOODWIN, 2004).
O processo de quebra de emulsões pode ocorrer por vários mecanismos, como cremação (creaming), sedimentação, floculação e coalescência (Figura 15).
Figura 15 – Mecanismos de desestabilização de emulsões
Os processos de cremação e sedimentação são resultados da diferença de densidade entre as fases. Dentre esses dois processos, a cremação é o mais comum devido ao fato de que o óleo geralmente é menos denso que a fase aquosa. Já no processo de floculação, as gotículas de emulsão estão em um mínimo secundário de energia, onde estas se encontram bastante próximas umas das outras, mas ainda mantém sua integridade. Esses três processos são reversíveis, onde o estado original pode ser restabelecido através de forças de cisalhamento. (GOODWIN, 2004)
O fenômeno de coalescência é um pouco mais severo e, portanto, irreversível, pois as gotículas fundem-se umas com as outras formando agregados maiores, que podem se manter dispersos na fase aquosa, decantar ou flutuar (GOODWIN, 2004).
Os filmes interfaciais são os principais responsáveis pela estabilidade da emulsão. Os fatores que afetam o filme interfacial e, portanto, a estabilidade da emulsão são:
3.7.4.1 AGENTES TENSOATIVOS
Os agentes tensoativos são compostos que são parcialmente solúveis em água e óleo. Devido a esta estrutura molecular, emulsificantes tendem a se concentrar na interface óleo/água, onde formam películas interfaciais. Isto geralmente conduz a um abaixamento da tensão interfacial e promove a dispersão e emulsificação das gotículas (KOKAL; ARAMCO, 2007).
As substâncias tensoativas (emulsificantes) contêm um grupamento polar hidrofílico (normalmente chamado cabeça) e um grupamento organofílico ou lipofílico não polar (normalmente chamado cauda), conforme Figura16.
Emulsificantes são normalmente constituídos de álcoois de cadeia longa, ácidos graxos, polímeros, e podem ser aniônicos, catiônicos ou não iônicos. Uma extremidade da cadeia possui afinidade pela água enquanto o resto possui afinidade pelo óleo. As moléculas de emulsificante formam um revestimento sobre a gotícula de água, evitando a coalescência das mesmas, como se pode observar na Figura 17.
Figura 16 – Estrutura de um emulsificante
Fonte: Adaptado de MI SWACO (2008)
Para emulsificar adequadamente a água no óleo, deve haver emulsificante químico suficiente para formar um filme em torno de cada gota de água. Certamente, com o acréscimo do conteúdo de água no fluido, a concentração exigida de emulsificante necessária para manter a estabilidade da emulsão deverá aumentará. Na pesquisa desenvolvida, estudou-se o efeito da variação de emulsificante nas propriedades dos fluidos de perfuração produzidos.
Figura 17 – Arranjo do emulsificante ao redor de uma gotícula de água
3.7.4.2 SÓLIDOS FINAMENTE DIVIDIDOS
Sólidos finos podem atuar como estabilizadores mecânicos da emulsão. Estas partículas, que devem ser muito menores do que as gotículas da emulsão, se acumulam na parte interface óleo/água, entrando em contato tanto com o óleo quanto com a água. A eficácia destes sólidos na estabilização de emulsões depende de fatores tais como tamanho de partícula, interações inter-partículas e a molhabilidade das partículas (TAMBE e SHARMA, 1993). Sólidos finamente divididos encontrados na produção de petróleo incluem partículas de argila, areia, asfaltenos e ceras, produtos de corrosão, minérios perfurados e aditivos dos fluidos de perfuração. A Figura 18 mostra a fotomicrografia de uma emulsão com presença de sólidos.
Figura 18 – Fotomicrografia de uma emulsão mostrando a presença de sólidos finos
Fonte: Kokal e Aramco (2007)
3.7.4.3 TAMANHO DE DISTRIBUIÇÃO DAS GOTÍCULAS
Do ponto de vista da estabilidade, quanto menor a gotícula, mais estável é a emulsão, já que gotículas grandes irão fundir mais facilmente do que as menores. Gotículas de tamanho uniforme também tornam a emulsão mais estável. Para obter gotículas pequenas de tamanho uniforme, devem ser aplicados energia ou trabalho na forma de cisalhamento (GONÇALVES, 2003).
Gotas pequenas e uniformes geram viscosidade e forças de gel, que ajudam a sustentar o material adensante e auxilia na redução do filtrado, por ficarem trapeadas no reboco do fluido.
A Figura 19 compara duas emulsões de água-em-óleo com conteúdo de água substancialmente diferente. Contanto que as gotículas sejam do mesmo tamanho, o sistema com menos água seria mais estável devido a maior distância entre as gotas, assim reduzindo a chance de coalescência.
Figura 19 – Efeito do aumento de água numa emulsão água em óleo.
Fonte: Adaptado de MI SWACO (2008)
3.7.4.4 TEMPERATURA
A temperatura é uma variável importante na estabilização das emulsões, podendo afetar as propriedades físicas do óleo, da água e do filme interfacial, influenciando também na solubilidade dos emulsificantes naturais presentes na fase óleo e água. O aumento de temperatura contribui para desestabilizar a emulsão. Um primeiro efeito é a redução da viscosidade do óleo (fase contínua), o que permite uma coalescência mais rápida e reduz a resistência das películas interfaciais desestabilizando-as, uma vez que influencia a solubilidade dos tensoativos (KOKAL, 2005). A redução da viscosidade do óleo facilita a aproximação e sedimentação das
gotas de água. O aumento da temperatura é também responsável pela 13 redução da viscosidade do filme interfacial, o que facilita a coalescência entre as gotas de água (CUNHA, 2007).
3.7.4.5 COMPOSIÇÃO DA SALMOURA
Íons específicos presentes na salmoura podem influenciar o comportamento película interfacial. Águas e salmouras presentes no fluido de perfuração contêm íons sódio, cloro, cálcio e magnésio. Na interface, estes íons podem reagir quimicamente com os grupos hidrofílicos para formar sais. Muitas espécies de moléculas polares estão presentes na interface, e cada espécie responde a essa interação de forma diferente. Efeitos sinérgicos podem ocorrer quando vários cátions diferentes estão presentes ao mesmo tempo, afetando a estabilidade da emulsão.
Segundo Iida (2007) o aumento do teor de sais na água da fase dispersa provoca aumento de força iônica e pode reduzir a atração eletrostática entre as gotículas de água e, portanto, impede a floculação e o crescimento dessas gotículas. Entretanto, este efeito é significativo principalmente para baixos teores de sal. Para elevadas concentrações a variação da força iônica resultante do aumento de concentração pode ser considerada pequena.