UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEO - PPGCEP
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENVOLVIMENTO DE PASTAS CIMENTANTES UTILIZANDO CIMENTOS PORTLAND COMPOSTOS PARA CIMENTAÇÃO DE
POÇOS PETROLÍFEROS
Francisco Aldemir Teles Belém
Orientadora: Profª Dra. Dulce Maria de Araújo Melo
DESENVOLVIMENTO DE PASTAS CIMENTANTES UTILIZANDO CIMENTOS PORTLAND COMPOSTOS PARA CIMENTAÇÃO DE
POÇOS PETROLÍFEROS
Francisco Aldemir Teles Belém
Francisco Aldemir Teles Belem
Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland
compostos para cimentação de poços petrolíferos.
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo PPGCEP, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Petróleo.
Aprovado em ____de ______________de 2010.
____________________________________ Profª. Drª Dulce Maria de Araújo Melo
Orientador – UFRN
____________________________________ Prof. Dr. Eledir Vitor Sobrinho
Membro Interno - UFRN
____________________________________ Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas
Membro Interno - UFRN
Membro Externo - UFPB
BÉLEM, Francisco Aldemir Teles – Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland compostos para cimentação de poços petrolíferos. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Área de Concentração: Pesquisa e Desenvolvimento em Ciência e Engenharia de Petróleo. Linha de Pesquisa: Engenharia e Geologia de Reservatórios e de Explotação e Gás Natural, Natal – RN, Brasil.
Orientador: Profª Drª Dulce Maria de Araújo Melo
RESUMO
Os cimentos Portland Compostos são comumente utilizados na construção civil, dentre eles destacam-se os CPII-Z, CPII-F e o CPIV. Estes tipos de cimento têm sua aplicação limitada para cimentação de poços de petróleo, tendo em vista suas características composicionais direcionadas especificamente para a construção civil. Cimentos para uso em poços de petróleo possuem uma maior complexidade e propriedades que dão suporte às necessidades especificas para cada poço a ser revestido. Para as operações de cimentação de poços petrolíferos, são usados cimentos Portland desenvolvidos especialmente para tal finalidade de acordo com as normas API (American Petroleum Institute), os quais são classificados por classes, designadas pelas letras de A a J. Na
indústria do petróleo, comumente se utiliza o cimento da classe G, por ser um cimento que atende praticamente todas as condições previstas para os cimentos das classes A até E. De acordo com o cenário descrito acima, esse trabalho teve como objetivo apresentar uma alternativa confiável para aplicação de cimentos compostos na indústria do petróleo em função da grande disponibilidade destes cimentos em relação aos cimentos petrolíferos. Os cimentos foram caracterizados microestruturalmente através de ensaios de FRX, DRX e MEV, tanto em seu estado anidro quanto hidratado. Posteriormente, foram realizados ensaios tecnológicos para determinar os limites estabelecidos pela norma NBR 9831. Dentre os cimentos compostos estudados, o cimento CPII-Z apresentou propriedades satisfatórias para aplicação em operações de cimentação primária e secundária de poços petrolíferos até 1200 metros.
ABSTRACT
The Compound Portland cements are commonly used in construction, among them stand out the CPII-Z, CPII-F and CPIV. These types of cement have limited application on oil well cementing, having its compositional characteristics focused specifically to construction, as cement for use in oil wells has greater complexity and properties covering the specific needs for each well to be coated. For operations of oil wells cementing are used Portland cements designed specifically for this purpose. The
American Petroleum Institute (API) classifies cements into classes designated by letters
A to J. In the petroleum industry, often it is used Class G cement, which is cement that meets all requirements needed for cement from classes A to E. According to the scenario described above, this paper aims to present a credible alternative to apply the compound cements in the oil industry due to the large availability of this cement in relation to oil well cements. The cements were micro structurally characterized by XRF, XRD and SEM tests, both in its anhydrous and hydrated state. Later technological tests were conducted to determine the limits set by the NBR 9831. Among the compound cements studied, the CPII-Z showed satisfactory properties for use in primary and secondary operations of oil wells up to 1200 meters cementing.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à Deus, que é o grande Mestre do Universo,
Meus pais: Luiz Idelson Belem (in memorium) e Maria Eulina Teles Belem
Minhas filhas: Ana Camilla Ribeiro Belem e Gabriela Ribeiro Belem
Aos professores que deram sua contibuição para minha formação acadêmica tornando possível a realização desse sonho.
AGRADECIMENTOS
É com imensa alegria que concluo este trabalho, agradeço imensamente a Deus em primeiro lugar, por ter proporcionado todas as condições necessárias à conclusão.
Agradeço a Ana Tereza, minha esposa, por estar ao meu lado, pelo seu apoio nessa jornada.
À professora Dulce Maria de Araújo Melo, minha orientadora, pela paciência e pelas relevantes contribuições dadas ao trabalho.
Ao professor Marcus Antonio de Freitas Melo, pelo estímulo e pelas relevantes contibuições dadas ao trabalho.
Ao Professor Júlio Cezar de Oliveiras Freitas, pelo incentivo e pela importância ímpar para a realização das pesquisas.
À empresa Petrobrás na pessoa do então chefe Francisco de Assis Parente Filho pelo incentivo a conclusão do trabalho.
À equipe do laboratório de cimento (LABCIM) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) que colaboraram abrindo as portas para pesquisa e experimentação necessária a este estudo,.em especial aos engenheiros: Bruno Sena, Danilo Ribeiro, Felipe Oliveira e Rodrigo Santiago.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO... 2
2. ASPECTOS TEÓRICOS... 4
2.1. CIMENTOS... 4
2.2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO... 4
2.3. CIMENTO PORTLAND... 4
2.4. CONSTITUINTES DO CIMENTO PORTLAND... 4
2.4.1. Clínquer... 4
2.4.2. Adições ... 4
2.5. PARÂMETROS QUÍMICOS DA MISTURA CRUA DE CIMENTO... 4
2.6. CÁLCULO POTENCIAL DE BOGUE... 4
2.7. MINERALOGIA DO CLÍNQUER... 4
2.7.1. Silicato tricálcico (C3S) ... 4
2.7.2. Silicato dicálcico (C2S)... 4
2.7.3. Aluminato tricálcico (C3A) ... 4
2.7.4. Ferro-aluminato tetracálcico (C4AF) ... 4
2.7.5. Cal livre ... 4
2.7.6. MgO... 4
2.7.7. Outros componentes ... 4
2.8. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND... 5
2.9. TIPOS DE CIMENTO PORTLAND... 5
2.9.1. Cimentos Portland comuns e compostos ... 5
2.9.1.1. Cimentos Portland de Alto-Forno e Pozolânicos...5
2.9.1.2. Cimento Portland de Alta Resistência Inicial...5
2.9.1.3. Cimentos Portland resistentes aos sulfatos...5
2.9.1.4. Cimentos Portland de baixo calor de hidratação ...5
2.9.1.5. Cimento Portland branco...5
2.9.2. Cimento Portland para poços petrolíferos ... 5
2.9.2.1. Cimento Portland classe G ...5
2.9.2.2. Cimento Portland Especial ...5
2.9.3. Propriedades do cimento Portland... 5
2.9.3.1. Propriedades físicas...5
2.9.3.2. Propriedades químicas...5
2.10. HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND... 5
2.10.1. Hidratação dos silicatos (C3S e C2S)... 5
2.10.2. Hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) ... 5
2.11. CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO... 6
2.12.1. Cimentação Primária ... 6
2.12.2. Cimentação Secundária... 6
2.12.2.1. Compressão de cimento (Squeeze)...6
2.12.2.2. Tampão ...6
2.12.2.3. Recimentação ...6
2.12.3. Objetivos das operações de cimentação ... 6
2.12.4. Aditivos para cimentação ... 6
2.12.4.1. Aceleradores de pega ...6
2.12.4.2. Dispersantes ...6
2.12.4.3. Antiespumante ...6
2.12.5. Retardadores de pega ... 6
2.12.6. Controladores de filtrado ... 6
2.13. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO... 6
2.13.1. Silos de cimento ... 6
2.13.2. Unidades de cimentação... 6
2.13.3. Cabeça de cimentação... 6
2.13.4. Bombeio da pasta de cimento ... 6
3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL... 8
3.1. MATERIAIS E MÉTODOS... 8
3.1.1. Cálculos e formulações das pastas cimentantes ... 8
3.1.2. Mistura e homogeneização das pastas formuladas ... 8
3.1.3. Determinação das propriedades reológicas... 8
3.1.4. Teste de consistometria ... 8
3.1.5. Determinação do teor de água livre ... 8
3.1.6. Teste de Perda de Filtrado ... 8
3.1.7. Teste de Resistência à Compressão ... 8
3.1.8. Teste de Estabilidade... 8
3.2. ANÁLISES E CARACTERIZAÇÕES... 8
3.2.1. Fluorescência de raios X (FRX) ... 8
3.2.2. Difração de raios X (DRX) ... 8
3.2.2.1. Método de Rietveld ...8
3.2.3. Análise térmica (Análise termogravimétrica – TG)... 8
3.2.4. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)... 8
3.2.5. Determinação de cal livre ... 8
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 10
4.1. CARACTERIZAÇÃO DOS CIMENTOS ANIDROS E HIDRATADOS... 10
4.1.1. Fluorescência de raios-X (FRX)... 10
4.1.2. Difração de raios-X (DRX)... 10
4.1.3. Granulometria ... 10
4.1.4. Análise termogravimétrica (TG)... 10
4.1.5. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ... 10
4.1.6. Determinação de cal livre ... 10
4.2. ENSAIOS TECNOLÓGICOS PARA ESPECIFICAÇÃO DOS CIMENTOS (NBR-9831) ... 10
4.2.1. Determinação dos parâmetros reológicos... 10
4.2.2. Determinação do teor de água livre ... 10
4.2.3. Teste de consistometria ... 10
4.2.4. Teste de resistência à compressão... 10
4.3. PROPOSTAS DE PASTAS PARA OPERAÇÕES DE CIMENTAÇÃO PRIMÁRIA E SECUNDÁRIA (SQUEEZE). 10 4.3.1. Sistema de pasta para operação de cimentação primária (800 metros) ... 10
4.3.2. Sistema de pasta para operação de squeeze (1200 metros) ... 10
5. CONCLUSÕES ... 12
Capítulo 1
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 2
1.
Introdução
As pastas de cimento são utilizadas na cimentação de poços petrolíferos com o objetivo de vedar, fixar o revestimento e dar suporte mecânico ao poço. Após a descida da coluna de revestimento, o espaço anular entre o revestimento e a formação rochosa é preenchido com cimento, de modo a fixar a tubulação e evitar que haja migração de fluidos entre as diversas zonas permeáveis atravessadas pelo poço, (Thomas, 2001). Tal operação é chamada de cimentação primária. A cimentação
secundária envolve as operações emergenciais de cimentação para correção da
cimentação primária, tamponar canhoneados e reparar vazamentos no revestimento. Tampão de cimento, recimentação e compressão de cimento (squeeze) são os tipos de
cimentação secundária.
A qualidade da cimentação primária é de fundamental importância para o ciclo de vida de um poço, razão pela qual qualquer deficiência no isolamento requer operações de correção desta cimentação, representando custos adicionais no processo de construção do poço. Para que a pasta de cimento atenda aos requisitos exigidos nessa operação, é importante que alguns cuidados no projeto de execução de uma pasta sejam tomados. Os fatores que influenciam a cimentação devem ser levados em consideração para a obtenção de uma pasta de cimento com composição adequada. Na grande maioria dos casos, é necessária a adição de produtos químicos ao cimento para modificar suas propriedades, conforme as condições do poço ou operação e assim obter formulações que possam se deslocar no interior do revestimento, preencher o espaço anular, cobrindo as zonas de interesse. Atualmente, existe uma variedade muito grande de aditivos fornecidos, principalmente, por empresas multinacionais, tanto na forma líquida quanto na sólida (Costa, 2004).
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 3 Para as operações de cimentação de poços petrolíferos são usados cimentos Portland desenvolvidos especialmente para tal finalidade. O American Petroleum
Institute (API) classificou os cimentos em classes, designadas pelas letras de A a J, cada
um com sua função, dependente das condições de uso como a profundidade e a temperatura dos poços. Na indústria do petróleo, comumente se utiliza o cimento da classe G ou H, por ser um cimento que atende praticamente todas as condições previstas para os cimentos das classes A até F. Como alternativa ao cimento Portland classe G para uso em poços de petróleo foi desenvolvido um cimento denominado Portland Especial, com a finalidade de abastecimento da região Nordeste do Brasil.
Dados do Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC) apontam que o
Brasil é o quinto maior consumidor mundial, com um consumo aproximado de 52 milhões de toneladas por ano. A expansão da demanda de cimento reflete e afirma o crescimento da economia brasileira. Desse montante, aproximadamente 98% é destinado para construção civil enquanto que apenas 2% são destinados para as atividades relacionadas à indústria petrolífera. Como se percebe, a atividade de construção civil é responsável pela maior parte do consumo direto de cimento no Brasil. O cimento Portland é o principal insumo da construção civil. O cimento é feito basicamente a partir de uma mistura de calcário e argila. Essas matérias-primas, calcinadas a altas temperaturas, dentro de um forno rotativo horizontal de grandes dimensões, produz um insumo intermediário denominado clínquer. A mistura do
clínquer com uma pequena proporção de gesso, misturado no final do processo produtivo, gera o cimento.
Para cada tonelada de cimento, é necessário o emprego de 1,4 toneladas de calcário. Por isso, para diminuir o custo do transporte, as fábricas se localizam, quase sempre, junto a jazidas desta matéria-prima. O calcário, por sua vez, é relativamente abundante na natureza, embora a qualidade e porte das jazidas sejam variáveis.
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 4 Ao incorporar um resíduo ao cimento Portland altera-se as características dos aglomerantes, entretanto, as condições específicas, podem ser preservadas bem como o seu desempenho. A incorporação de resíduo ao cimento poderá possibilitar a redução da quantidade de clínquer por m3 de concreto/argamassa.
Algumas das razões que motivaram a realização desta pesquisa foram:
a) Otimização da exploração de petróleo por meio da redução de seus custos operacionais;
b) Utilização do cimento Portland, como um material mais accessível para a cimentação de poços rasos, até 1200m, em função de suas características tecnológicas e econômicas;
c) Oferecer uma alternativa segura e abundante a fim de suprir as necessidades das operações de cimentação de poços petrolíferos na região nordeste, principalmente;
O cenário atual requer nova abordagem tecnológica para o estudo dos materiais de construção constituintes das argamassas. É preciso considerar na sua formulação a ação dos diferentes constituintes dos aglomerantes, inclusive do ponto de vista do comportamento reológico, uma vez que as propriedades no estado endurecido são consequências das propriedades no estado fresco (Cardoso; Pileggi; John, 2005). Não se pode prescindir do emprego sustentável dos novos materiais. Assim sendo, as adições minerais ativas ao clínquer ou o emprego de um conjunto de adições minerais associadas como aglomerantes alternativos para aplicação em compósitos cimentícios, estão assumindo também a sua importância.
Tendo em vista o baixo valor unitário da tonelada de cimento versus o custo dispendioso do transporte, será mais viável para a indústria do petróleo a utilização de cimentos fabricados mais próximos à região onde este será consumido.
A sustentabilidade das atividades econômicas é um dos principais desafios enfrentados pela humanidade neste século XXI. É urgente e necessária, a busca por desenvolvimento de projetos voltados ao uso racional dos recursos naturais. Essas ações devem visar, basicamente, satisfazer necessidades técnicas e sócio-econômicas, porém sem comprometer a qualidade de vida da população atual ou das futuras gerações.
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