5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
TÍTULO DO TRABALHO:
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE ANTIESPUMANTE NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E PERMEABILIDADE DE PASTAS DE CIMENTO CONTENDO
POLIURETANA
AUTORES:
Elisângela Barros Dantas, Maria Roseane de Pontes Fernandes, Petrúcia Duarte da Silva, Antonio Eduardo Martinelli, Dulce Maria de Araújo Melo, Marcus Antonio de Freitas Melo.
INSTITUIÇÃO:
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
Este Trabalho foi preparado para apresentação no 5° Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 5° PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 15 a 22 de outubro de 2009, em Fortaleza-CE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 5°PDPETRO.
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE ANTIESPUMANTE NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E PERMEABILIDADE DE PASTAS DE
CIMENTO CONTENDO POLIURETANA Abstract
Heavy oils (< 20º API) are usually produced in onshore fields located in Northeastern Brazil. The production of heavy oils is stimulated by the injection of high-temperature steam. Such procedure, however, imposes severe thermal mechanical cycling conditions to cement sheaths, resulting in cracking and evolution of gas. New polymeric additives have been studied to improve the fracture energy of hardened slurries thus resulting in cementing materials resistant to thermal mechanical stresses. Polyurethane is a likely candidate to improve the behavior of Portland-based cement slurries as it depicts a series of superior proprieties including low elastic modulus, high thermal resistance, and adhesion to a variety of materials, including cement. On the other hand, the addition of polymeric additives usually increases the porosity of hardened slurries. Antifoaming agents can then be used to avoid the incorporation of air and prevent porosity. The objective of the present study was to investigate the combined effect of the addition of polyurethane and antifoaming on the behavior of composite cement slurries. Different concentrations of polyurethane and antifoaming were used to perform mechanical strength and permeability tests. On slurries cured at 60ºC for 7 days. The results showed that the addition of antifoaming reduced the permeability of the slurries containing polyurethane. The volume of pores and mechanical strength was higher in slurries containing ow concentrations of polyurethane.
Keywords: Well Cementing, Polyurethane, Antifoaming, Permeability, Mechanical Strength.
Introdução
A cimentação é uma operação essencial na construção de um poço de petróleo, nas fases de perfuração e completação do poço e tem grande impacto sobre sua produtividade. A função da cimentação é promover o isolamento completo e permanente de zonas produtoras localizadas atrás do revestimento, uma vez que a comunicação entre zonas produtoras de petróleo com as produtoras de gás e água é indesejável, pela contaminação de aqüíferos ou produção descontrolada de gás pelo anular (Guo, 2006; Marinho, 2004; Back e Lile, 1999).
Os poços de petróleo da região do nordeste do Brasil produzem óleos pesados, classificados como aqueles menores que 19º API (entre 10° e 20°) (Trevisan, 2003). Para a recuperação destes óleos é necessário o emprego de técnicas como a injeção de vapor, capaz de gerar altos índices de produção.
Poços sujeitos à injeção de vapor necessitam bainhas cimentantes resistentes, ou seja, que suportem ciclagens térmicas e vapor a alta pressão. Este pode provocar fissuras que comprometem a cimentação.
Atualmente, a busca por pastas de cimento aditivadas com polímeros em dispersão aquosa para a cimentação de poços de petróleo sujeitas à injeção de vapor é uma atividade em desenvolvimento (Nascimento, 2006). Tais pastas aditivadas têm o desafio de diminuir a fragilidade, melhorar a tenacidade e evitar a migração de gás através da bainha. A utilização de poliuretana surge como uma alternativa para melhorar estas propriedades (Lima, 2004). Ela possui excelentes propriedades físico- químicas e mecânicas tais como baixo módulo de elasticidade, boa resistência térmica e boa adesão com outros materiais. As poliuretanas são polímeros obtidos pela policondensação de polióis e poliisocianatos di ou polifuncionais, além de outros reagentes incluindo agentes de expansão, surfactantes, agentes de cura ou extensores de cadeia contendo dois ou mais grupos reativos, cargas e catalisadores, entre outros. Propriedades como plasticidade e densidade dependem das condições de síntese e podem ser ajustadas para satisfazer as exigências impostas por operações de cimentação
(Cordeiro et al, 1998). Contudo, a adição de poliuretana promove a formação de poros em pastas de cimento, o que deve ser corrigido, por exemplo, pelo uso de antiespumantes, aditivos capazes de prevenir a incorporação de ar em cimentos.
Neste trabalho foi investigada a influência da adição deste tipo de aditivo em pastas de cimento contendo poliuretana, através da análise da resistência mecânica à compressão e medidas de permeabilidade.
Metodologia
Foi utilizado um antiespumante com concentração de 0,015 gpc em pastas de cimento contendo poliuretana com 5%, 10% e 15% BWOC. A adição do cimento na água com antiespumante e poliuretana foi realizada uniformemente na velocidade de 4000 rpm durante 15 s em um misturador Chandler modelo 80-60. Em seguida, a pasta foi misturada por 35 s na velocidade de 12000 rpm para ser reproduzida em laboratório a energia de mistura obtida em condições de campo. Posteriormente, para a realização do teste de resistência mecânica à compressão, a pasta preencheu moldes de aproximadamente 5 x 5 x 5 cm3, curados em banho térmico durante 7 dias a temperatura controlada de 60 ºC. As amostras foram ensaiadas em uma máquina universal de ensaios mecânicos Shimadzu AG-I 100 kN segundo a norma NBR 9828. As amostras foram submetidas à pressão uniaxial até a ruptura.
Essa máquina de ensaios é designada para teste de amostras cúbicas de cimento com os requerimentos API, e é constituída de prensa e controle eletrônico. Ela utiliza uma válvula hidráulica automática monitorada eletronicamente por um controle programado, fornecendo preciso carregamento das amostras em teste, os dados do ensaio foram colhidos através do programa Trapezium 2 da Shimadzu, a velocidade de carregamento foi 17,9 kN/min.
Para o ensaio de permeabilidade a pasta foi vertida em moldes cilíndricos em bronze com dimensões de 37,00 mm de diâmetro por 80,00 mm de altura, que passou pelo processo de cura citado acima. Anterior à realização dos testes as amostras foram colocadas em estufa a 100º C durante 24 horas para total evaporação de água remanescente e logo após tiveram suas bases lixadas para garantir a planicidade e permitir o fluxo do gás através das mesmas. De acordo com a lei de Darcy, que mede o fluxo de fluidos em meios porosos, pode ser obtido o coeficiente de permeabilidade, k, através da equação1
Q = - k.A.( dp/ dx) / µ (1) Onde:
Q - fluxo através do corpo;
K - coeficiente de permeabilidade;
A - área da base do cilindro;
dp/ dx - variação de pressão de entrada e saída do fluido µ - a viscosidade do fluido.
Resultados e Discussão
Os resultados dos testes de resistência mecânica à compressão das pastas formuladas estão expressos na Figura 01. O gráfico mostra o aumento de resistência à compressão com a adição de antiespumante e que as pastas com a menor concentração de poliuretana demonstraram os maiores valores de resistência. O aumento da concentração de poliuretana diminuiu a resistência à compressão das pastas formuladas. Tal efeito é provocado pelo polímero que tem ação retardante, dificultando a
formação de cristais de etringita, aumentando a maturidade da pasta e a quantidade de água na microestrutura de cimento (Nascimento, 2006). O antiepumante atuou como quebrador de bolhas formado pela poliuretana, promovendo assim o aumento da resistência mecânica.
0.000 0.005 0.010 0.015
5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0
Resistência à Compressão (MPa)
Concentração de Antiespumante (gpc)
5% PU 10% PU 15% PU
Figura 01. Resistência mecânica à compressão das amostras estudadas.
Na figura 02 observa-se queda na permeabilidade da pasta com o acréscimo de antiespumante.
Embora o incremento da concentração de poliuretana tenha aumentado a permeabilidade da pasta, esta propriedade foi corrigida devido a ação redutora de espuma provocada pela adição do antiespumante.
0.000 0.005 0.010 0.015
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Permeabilide (mD)
Concetração de Antiespumante (gpc)
5% PU 10% PU 15% PU
Figura 02. Permeabilidade das amostras estudadas.
Conclusões
- Houve aumento na resistência mecânica das pastas com a adição de antiespumante.
- A pasta com 5% em concentração de Poliuretana apresentou maior valor de resistência à compressão.
- Com o acréscimo de antiespumante a permeabilidade da pasta diminui.
- A pasta com menor concentração de poliuretana obteve menor valor de permeabilidade
- Pastas contendo poliuretana sofreram influência do antiespumante com ganhos de resistência mecânica e decréscimos na permeabilidade, fornecendo assim resistência a ciclagens térmicas e evitando a migração de gás.
- Este sistema pode ser usado na cimentação de poços de petróleo onde são aplicadas as técnicas de injeção de vapor.
Agradecimentos
À Petróleo Brasileiro S/A e a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Bicombustíveis (ANP), pelo suporte financeiro.
Referências
AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API SPEC 10B: Recommended Practice for testing Well Cements(b).
AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API SPEC 10A – Specification for Cements and Materials for Well Cementing.
BACK, K.R.; LILE, O.B., A laboratory study on oilwell cement and electrical conductivity, (SPE) 56539, octuber, 1999.
CORDEIRO, N. et al. Urethanes and Polyurethanes from suberin 2: synthesis and characterization.
Industrial Crops and Products. V.10, p. 1-10. 1998.
GUO, W.Y., Deformation and acoustic behavior of oil well cements, Dissertação de Mestrado, The University of Texas At Austin, Texas/EUA, 2006.
LIMA, F.M., Desenvolvimento de Cimentos do tipo Portland/Materiais alternativos para Cimentação de poços de petróleo, Monografia, Engenharia dos Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, 2004.
MARINHO, E.P.M., Desenvolvimento de pastas geopolímericas para cimentação de poços de petróleo, Tese de Doutorado em Ciências e Engenharia dos Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, 2004.
NASCIMENTO, J. H. O., Adição de Poliuretana não iônica a cimento Portland especial para
Cimentação de Poços de Petróleo, Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, 2006.
NELSON, E.B., Well cementing, Saint-Etienne: Schulumberger Educational Services, 1990.
TREVISAN, F. E. “Padrões de fluxo e perda de carga em escoamento trifásico horizontal de óleo pesado,água e ar”, Dissertação de mestrado. Universidade Estadual de Campinas, 2003.
Normas ABNT
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9828: Cimento Portland Destinado à Cimentação de Poços Petrolíferos – Determinação da Resistência à Compressão, Rio de Janeiro, 1993.
