Avaliação Experimental dos Parâmetros de Transporte em Folhelhos

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Avaliação Experimental dos Parâmetros de Transporte

em Folhelhos

Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientador: Prof. Sergio A. B. da Fontoura

Rio de Janeiro Junho de 2010 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Avaliação Experimental dos Parâmetros de Transporte

em Folhelhos

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura Orientador Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Dr. Rogério Schiffer de Souza CENPES/PETROBRAS Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial de Pós-Graduação do Centro Técnico Cientifico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 23 de Junho de 2010

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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e do orientador.

Víctor Manuel Aréstegui Meléndez Graduou-se em Engenharia Civil pela Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga-Ayacucho no Peru em 2006. Ingressou em 2007 no curso de mestrado em Engenharia Civil da PUC-Rio, na área de Geotecnia, e linha de pesquisa de geomecânica do petróleo.

Ficha Catalográfica

Aréstegui Meléndez, Víctor Manuel

Avaliação experimental dos parâmetros de transporte em folhelhos / Víctor Manuel Aréstegui Meléndez ; orientador: Sergio A. B. da Fontoura. – 2010.

184 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2010.

Inclui bibliografia.

1. Engenharia civil – Teses. 2. Folhelho. 3. Transporte de massa. 4. Ensaios de difusão. 5. Fluido de Perfuração. 6. Estabilidade de poços. l. Fontoura, Sergio A. B. da. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD: 624 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Em memória de meu Pai, Víctoriano Aréstegui, exemplo de sabedoria e sinceridade.

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Agradecimentos

Agradeço em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho durante esta longa caminhada.

A CAPES e PRONEX pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado.

Ao meu orientador Sérgio A. B. da Fontoura, pelo ensinamento constante, paciência, e confiança depositado em minha pessoa para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Eudes Siqueira Muniz, pela ajuda e apoio constante no transcorrer dos ensaios.

A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Civil pelos ensinamentos e total apoio no decorrer deste trabalho.

Aos colegas do GTEP e especialmente à equipe do Laboratório de Interação Rocha-Fluido, pela amizade e salutar convívio de gratas recordações.

A minha mãe, Elsa Meléndez, pela atenção, carinho e incentivo em todos os momentos da minha vida, sem ela nada disso seria possível.

A minhas irmãs Ingrid, Keila e Mayte, pelo apoio incondicional brindado em todos estes anos, pelas forças e ânimos transmitidos para alcançar as minhas metas.

Aos meus grandes amigos, Daniel Lemos e Thiago Henrique da Silva, pela amizade e companheirismo incondicional, pelo convívio e aprendizado.

Ao Wagner Nahas e David Bogossian, pelas correções e sugestões feitas nesta dissertação.

Aos professores que participaram da Comissão Examinadora pelas sugestões feitas.

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Aréstegui, Víctor Manuel Meléndez; Fontoura, Sergio Augusto B. Avaliação Experimental dos Parâmetros de Transporteem Folhelhos. Rio de Janeiro, 2010. 184p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Grande parte dos problemas de instabilidade de poços de petróleo ocorre quando rochas argilosas, como os folhelhos, são perfuradas. Tais problemas são creditados, em geral, à interação físico-química entre os fluidos de perfuração e as referidas rochas. Esta dissertação se foca no estudo experimental do comportamento de folhelhos expostos a diferentes soluções salinas, que simulam os fluidos de perfuração a base de água. O objetivo é estimar os parâmetros de transporte de massa (permeabilidade absoluta, coeficiente de reflexão e difusão) necessários para as análises de estabilidade de poços. São utilizadas um conjunto de células de difusão capazes de simular as condições de tensões in-situ e aplicar gradientes hidráulicos e químicos a corpos de prova de folhelhos. Foram caracterizados dois tipos de folhelhos típicos de plataformas “offshore” (BC-01) e “onshore” (Pierre01) provenientes, respectivamente, da Bacia de Campos (Rio de Janeiro, Brasil) e de Salt Lake City (Utah, Estados Unidos). Ensaios de porosimetria indicam que o folhelho BC-01 apresenta maiores diâmetros de poros quando comparados com o folhelho Pierre01. Resultados dos ensaios nas células de difusão sugerem que a direção dos planos de acamamento presentes nos corpos de prova afetam a permeabilidade e, por conseguinte, o coeficiente de reflexão que o folhelho possui. Os resultados sugerem que a composição mineralógica não tem influencia nos parâmetros de transporte de massa.

Palavras-chave

Folhelho; transporte de massa; ensaios de difusão; fluido de perfuração; estabilidade de poços. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Aréstegui, Víctor Manuel Melendez; Fontoura, Sergio Augusto B.(Advisor). Experimental Evaluation of Transport Parameters in Shales. Rio de Janeiro, 2010. 184p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

The majority of the problems related to wellbore stability occur when argillaceous rocks, such as shales, are drilled. Such problems are believed, in general, to be caused by the physical-chemical interaction between drilling fluids and the referred rocks. This dissertation focuses on the experimental study of the behavior of shales exposed to different saline solutions, which simulated water-based drilling fluids. The objective is to estimate the mass transporting parameters (absolute permeability, reflection coefficient and diffusion) necessary for the analysis of well stability. Groups of diffusion cells are used, being capable of simulating in-situ stress conditions and apply hydraulic gradients and chemicals upon shale samples. Two types of shales were characterized; representative of offshore (BC-01) and onshore (Pierre01) platforms derived, respectively, from Bacia de Campos (Rio de Janeiro, Brazil) and Salt Lake City, Utah, United States. Porosimetry tests indicate that BC-01 shales present larger pore diameters when comparing with Pierre01 Shales. Experimental results from diffusion cells suggest that the direction of foliation planes present in the samples defines its permeability and, therefore the coefficient of reflection that the shales possess. The results suggest that mineral composition does not influence the mass transporting parameters.

Keywords

Shales; mass transporting; diffusion tests; drilling fluid; well stability.

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Sumário

1 Introdução 20 1.1. Motivação 20 1.2. Objetivos 22 1.2.1. Objetivo Geral 22 1.2.2. Objetivos Específicos 23 1.3. Escopo 23 2 Revisão Bibliográfica 25 2.1. Introdução 25

2.2. Definição e origem dos Folhelhos 25

2.3. Mecanismos de Transporte de Massa 27

2.4. Influência da Permeabilidade do Folhelho 34

2.5. Mecanismos de Instabilidade de Poços 36

2.6. Fluidos de Perfuração 39

2.7. Classificação dos Fluidos de Perfuração 40

3 Ensaios de Caracterização de Folhelhos 44

3.1. Introdução 44

3.2. Origem dos Folhelhos Ensaiados 44

3.3. Preparação das Amostras 45

3.4. Distribuição Granulométrica 46

3.4.1. Efeito da Cimentação (Quantidade de Carbonatos) 49

3.4.2. Comentários Gerais do Tratamento com HCL 56

3.5. Índices Físicos 57

3.6. Capacidade de Troca Catiônica (CTC) e Superfície Específica (SE) 58

3.6.1. Método do Acetato de Amônio (AA) 61

3.6.2. Metodologia Adotada na Preparação do Material 61

3.6.3. Apresentação e Discussão dos Resultados 62

3.7. Análises dos Fluidos de Poros 63

3.7.1. Procedimentos do Ensaio 64

3.8. Composição Mineralógica 65 3.8.1. Análises Químicas 66 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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3.8.2. Difração de Raios X (DRX) 67 3.8.2.1. Seleção de Material e Preparação de Lâminas 68

3.8.2.2. DRX do Folhelho BC-01 71

3.8.2.3. DRX do Folhelho Pierre01 74

3.8.2.4. Comentários Gerais da DRX 75

3.8.3. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 76

3.8.3.1. MEV do Folhelho BC-01 77

3.8.3.2. MEV do Folhelho Pierre01 81

3.9. Porosimetria por Injeção de Mercúrio 84

3.9.1. Equipamento Utilizado e Procedimento do Ensaio 85

3.10. Antecedentes do Coeficiente de Reflexão em Função da Porosimetria

e da Mineralogia. 90

3.11. Conclusões da Caracterização dos Folhelhos 94

4 Descrição dos Equipamentos e da Metodologia de Ensaios 96

4.2. Equipamentos e Acessórios Utilizados 97

4.3. Metodologia de Ensaios nas Células de Difusão 102

4.3.1. Considerações Gerais 103

4.3.2. Montagem do Ensaio 104

4.3.3. Fases do Ensaio nas Células de Difusão 106

4.3.3.1. Fase de Saturação do Corpo de Prova 106

4.3.3.2. Fase de Adensamento do Corpo de Prova 108

4.3.3.3. Fase de Transmissão de Pressão do Corpo de Prova 110 4.3.3.4. Fase de Difusão de Íons do Corpo de Prova 111 4.4. Ensaios de Tração Indireta (Ensaio Brasileiro) 114

4.5. Análises dos Resultados Experimentais 115

4.5.1. Obtenção do Coeficiente de Reflexão Experimental (αexp) 116

4.5.2. Retroanálise dos Resultados Experimentais: Programa FPORO. 117

5 Ensaios Realizados e Análise dos Resultados 120

5.2. Ensaios em Corpos de Prova Sintéticos nas Células de Difusão 120

5.2.1. Fase de Saturação e Adensamento 121

5.2.2. Fase de Transmissão de Pressão e Difusão de Íons 121

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5.3. Ensaios em Folhelhos nas Células de Difusão 126 5.3.1. Primeira Campanha de Ensaios com o Folhelho Pierre01 127

5.3.1.1. Dados Iniciais dos Corpos de Prova 127

5.3.1.2. Fase de Saturação e Adensamento 128

5.3.1.3. Fase de Transmissão de Pressão 129

5.3.1.4. Fase de Difusão de Íons 132

5.3.1.5. Dados Finais dos Corpos de Prova 137

5.3.2. Segunda Campanha de Ensaios com o Folhelho Pierre01 137

5.3.2.5. Dados Finais do Corpo de Prova 145

5.3.3. Ensaios de Tração Indireta (Ensaio Brasileiro) 146 5.3.4. Primeira Campanha de Ensaios com o Folhelho BC-01 147

5.3.5. Segunda Campanha de Ensaios com o Folhelho BC-01 158

5.3.6. Ensaios de Tração Indireta (Ensaio brasileiro) 167

5.4. Conclusões das Campanhas de Ensaio 169

6 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 174

6.1. Conclusões 174

6.2. Sugestões para Trabalhos Futuros 176

7 Referências Bibliográficas 178 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Lista de figuras

Figura 2.1– Amostra de folhelho com lâminas finas e paralelas esfoliáveis. 26 Figura 2.2 – Mecanismos de transporte de água através de uma membrana

semi-permeável perfeita sob condições de campo. 30

Figura 2.3 – Mecanismos de impermeabilização promovidos na interface óleo-fluido de poros (Dusseault & Gray 1992, modificado por Duarte 2004). 31 Figura 2.4 – Distribuição de tamanho dos poros em ambas as direções da

amostra (sedimentos argilosos sobre-adensado). 36

Figura 2.5 – Exemplo típico de instabilidade de folhelhos e problemas de poço observados no perfil caliper (van Oort, 2003). 37 Figura 2.6 – Tipos de ruptura ao redor de poços (Fjær et al., 1992). 38 Figura 2.7 – Fluido de perfuração carreando os cascalhos para a superfície

(Duarte, 2004). 40

Figura 3.1 – Detalhe dos folhelhos adquiridos para os diferentes ensaios: a) Bloco do folhelho Pierre01 b) Testemunho do folhelho BC-01. 45 Figura 3.2 – Preparação dos corpos de prova em torno mecânico. 46 Figura 3.3 – Inclinação dos planos de acamamento do folhelho Pierre01. 46

Figura 3.4 – Ensaio de granulometria 48

Figura 3.6 – Fração #60 do folhelho Pierre01 após peneiramento da

fração fina. 50

Figura 3.7 – Fração #60 do folhelho BC-01 após peneiramento da

fração fina. 50

Figura 3.8 – Tratamento do folhelho com HCl. 51

Figura 3.9 – Imagens da lupa binocular no tratamento do folhelho BC-01 com HCl a frio e a quente para diferentes frações granulométricas. 52 Figura 3.10 – Fotos do folhelho Pierre01 ao natural e tratada com HCl

observadas em diferentes frações. 54

Figura 3.11 – Fotos do folhelho BC-01 ao natural e tratada com HCl

observada em diferentes frações. 55

Figura 3.12 – (a) Destorroamento do folhelho e peneiramento na

malha de 40# (b) Processo de centrifugação. 62

Figura 3.13 – Imagem ilustrando a lâmina da fração total preparada

utilizando o método do pó. 68 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Figura 3.14 – Seleção do material característico da dimensão argila. 69 Figura 3.15 – Preparação das lâminas por pipetagem. 70

Figura 3.16 – Processo de glicolagem das lâminas 70

Figura 3.17 – Difratograma da fração total do folhelho BC-01. 71 Figura 3.18 – Difratogramas da fração argila do folhelho BC-01 com

tratamento e sem tratamento. 72

Figura 3.19 – Difratogramas da fração argila do folhelho BC-01. Lâmina

natural e tratada a 350ºC. 73

Figura 3.20 – Difratogramas da fração argila do folhelho BC-01. Lâmina

natural e tratada com etilenoglicol a 350ºC. 74

Figura 3.21 – Difratograma da fração total do folhelho Pierre01. 75 Figura 3.22 – Difratograma da fração argila do folhelho Pierre01.

Lâmina natural, aquecida e glicolada. 75

Figura 3.23 – Fotomicrografias da amostra do folhelho BC-01: (a) Textura homogênea, aglomerado de pirita (clara) (b) Espaço vazio na superfície da

rocha. 78

Figura 3.24 – Fotomicrografia da amostra do folhelho BC-01: (a) Aglomerados de pirita (clara) na superfície do folhelho (b) EDS da zona

indicada (FeS2). 78

Figura 3.25 – Fotomicrografias da amostra do folhelho BC-01: (a) Estrutura laminar cobrindo os aglomerados de pirita (b) Detalhe da estrutura laminar. 79 Figura 3.26 – Fotomicrografia da amostra do folhelho BC-01: (a) Aglomerado de pirita bem cristalizada (b) EDS dos grãos de pirita (FeS2). 79

Figura 3.27 – Fotomicrografia da amostra do folhelho BC-01: (a) Carapaça de foraminífero preenchida por calcita (b) EDS do fóssil encontrado (CaCO3). 80

Figura 3.28 – Fotomicrografia da amostra do folhelho BC-01: (a) Pirita

framboidal (b) EDS da zona indicada. 80

Figura 3.29 – Fotomicrografias da amostra do folhelho Pierre01: (a) Textura homogênea e detalhe da laminação (b) Piritas (clara) e micas (escura)

disseminadas no folhelho 82

Figura 3.30 – Fotomicrografia da amostra do folhelho Pierre01: (a) Vista geral do folhelho (b) EDS da matriz da rocha no ponto indicado. 82 Figura 3.31 – Fotomicrografias da amostra do folhelho Pierre01: (a) e (b) Vista geral da estrutura do folhelho, presença de grãos de quartzo

espalhados na sua superfície. 83

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Figura 3.32 – Fotomicrografia da amostra do folhelho Pierre01: (a) Vista em detalhe do folhelho, presença de micas e piritas (b) EDS total da zona

observada. 83

Figura 3.33 – Fotomicrografia da amostra do folhelho Pierre01: (a) Aglomerados de pirita com aspecto framboidal (b) EDS do ponto indicado,

pirita (FeS2). 84

Figura 3.34 – Intrusão acumulativa de mercúrio dos folhelhos

Pierre01 e BC-01. 87

Figura 3.35 – Intrusão incremental do folhelho Pierre01. 88 Figura 3.36 – Intrusão incremental do folhelho BC-01. 88 Figura 3.37 – Intrusão acumulativa dos folhelhos B-S e B Rabe (2003) e do

folhelho B-L Muniz (2005). 91

Figura 4.1 – Esquema da célula de difusão desenvolvida por Muniz (2003). 97 Figura 4.2 – Nova célula de difusão do LIRF-GTEP para ensaios isotrópicos. 98 Figura 4.3 – Aplicador de pressão confinante GDS de 32 MPa. 99 Figura 4.4 – Transdutores de pressão na célula de difusão. 99

Figura 4.5 – Bomba “Waters”. 100

Figura 4.6 – Válvula de alívio “Swagelok”. 100

Figura 4.7 – Nova interface tipo pistão – esquema ao lado. 101 Figura 4.8 – Cabeçote superior (esquerda) e inferior (direita). 102 Figura 4.9 – Vista geral das cinco células de difusão. 102 Figura 4.10 – Válvulas da célula de difusão: a) Vista traseira

b) Vista dianteira. 104

Figura 4.11 – Etapas de montagem do ensaio. (Modificado de Muniz, 2003). 105 Figura 4.12 – Montagem utilizada para realização do Ensaio Brasileiro. 115 Figura 4.13 – Ensaio para obter a atividade química da solução

(Rabe, 2003). 117

Figura 5.1 – Corpo de prova sintético na célula de difusão. 121 Figura 5.2 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do SI01. 122 Figura 5.3 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do SI02. 122 Figura 5.4 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do SI03. 123 Figura 5.5 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do SI04. 124 Figura 5.6 – Corpo de prova de PVC maciço na célula de difusão. 124

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Figura 5.7 – Fase de transmissão de pressão com corpo de prova de

PVC (com transmissão de pressão). 125

Figura 5.8 – Fase de transmissão de pressão com corpo de prova de

PVC (sem transmissão de pressão). 126

Figura 5.9 – Fase de transmissão de pressão com água do CP04. 130 Figura 5.10 – Fase de transmissão de pressão com água do CP05. 130 Figura 5.11 – Fase de transmissão de pressão com água do CP09. 131 Figura 5.12 – Fase de transmissão de pressão com água do CP10. 131 Figura 5.13 – Fase de transmissão de pressão com água do CP11. 131 Figura 5.14 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP09. 132 Figura 5.15 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP10. 133 Figura 5.16 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP11. 133 Figura 5.17 – Ajuste numérico da concentração no CP09. 136 Figura 5.18 – Ajuste numérico da concentração no CP10. 136 Figura 5.19 – Ajuste numérico da concentração no CP11. 136 Figura 5.20 – Fase de transmissão de pressão com água do CP12. 140 Figura 5.21 – Fase de transmissão de pressão com água do CP13. 140 Figura 5.22 – Fase de transmissão de pressão com água do CP14. 140 Figura 5.23 – Fase de transmissão de pressão com água do CP15. 141 Figura 5.24 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP12. 142 Figura 5.25 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP13. 142 Figura 5.26 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP14. 143 Figura 5.27 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do CP15. 143 Figura 5.28 – Rupturas do corpo de prova após ensaio Brasileiro – folhelho

Pierre01. 147

Figura 5.29 – Fase de transmissão de pressão com água do corpo de

prova BC01. 150

prova BC06. 151

prova BC07. 151

prova BC08. 151

Figura 5.33 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC01. 152 Figura 5.34 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC02. 153 Figura 5.35 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC06. 153

(15)

Figura 5.36 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC07. 153 Figura 5.37 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC08. 154 Figura 5.38 – Ajuste numérico da concentração no corpo de prova BC02. 156 Figura 5.39 – Ajuste numérico da concentração no corpo de prova BC06. 157 Figura 5.40 – Ajuste numérico da concentração no corpo de prova BC07. 157 Figura 5.41 – Ajuste numérico da concentração no corpo de prova BC08. 157 Figura 5.42 – Fase de transmissão de pressão com água do corpo de

prova BC10. 161

prova BC11. 161

prova BC12. 161

prova BC13. 162

Figura 5.46 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC10. 164 Figura 5.47 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC11. 164 Figura 5.48 – Fase de transmissão de pressão e difusão de íons do BC12. 164 Figura 5.49 – Ruptura típica do ensaio brasileiro ocorrida no BC06

(folhelho BC-01). 168

Figura 5.50 – Rupturas ocorridas no folhelho BC-01; (a) Vista frontal

inclinada BC10 (CP10) e (b) Vista do topo. 169

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Lista de tabelas

Tabela 3.1 – Resultados dos ensaios de granulometria. 48 Tabela 3.2 – Índices físicos iniciais dos folhelhos. 58 Tabela 3.3 – Valores típicos de CTC e SE de argilominerais. 59 Tabela 3.4 – Valores de CTC obtidos pelo método do acetato de

amônio (AA). 63

Tabela 3.5 – Concentração dos íons dissolvidos nos poros das

amostras (mg/l). 65

Tabela 3.6 – Análises químicas dos constituintes dos folhelhos. 67 Tabela 3.7 – Parâmetros obtidos do ensaio de porosimetria por

injeção de mercúrio. 89

Tabela 3.8 – Análises semi-quantitativa mineral dos folhelhos B, B-S

e N e minerais presentes no folhelho B-L. 92

Tabela 3.9 – Parâmetros obtidos dos ensaios de porosimetria,

dos ensaios de difusão e da CTC. 92

Tabela 5.1 – Dados e índices físicos iniciais e finais dos corpos de prova

(folhelho Pierre01). 128

Tabela 5.2 – Valores do parâmetro B de Skempton para cada corpo

de prova (folhelho Pierre01). 129

Tabela 5.3 – Valores de permeabilidade absoluta obtidos para cada

corpo de prova (folhelho Pierre01). 132

Tabela 5.4 – Valores do coeficiente de reflexão obtidos experimentalmente

Tabela 5.5 – Análises químicas do fluido presente no reservatório inferior

Tabela 5.6 – Valores obtidos numericamente (folhelho Pierre01). 135 Tabela 5.7 – Dados e índices físicos finais dos corpos de prova

Tabela 5.8 – Dados e índices físicos iniciais dos corpos de prova (folhelho

Pierre01) 138

de prova (folhelho Pierre01). 139

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corpo de prova (folhelho Pierre01). 141

Tabela 5.12 – Valores do coeficiente de reflexão obtidos numericamente

Tabela 5.13 – Dados e índices físicos finais dos corpos de prova (folhelho

Pierre01). 146

Tabela 5.14 – Dados e índices físicos iniciais dos corpos de prova

de prova (folhelho BC-01). 149

corpo de prova (folhelho BC-01). 152

Tabela 5.18 – Análises químicas do fluido presente no reservatório inferior . 155 Tabela 5.19 – Valores obtidos numericamente (folhelho BC-01). 156 Tabela 5.20 – Dados e índices físicos finais dos corpos de prova

Tabela 5.21 – Dados e índices físicos iniciais dos corpos de prova

de prova (folhelho BC-01). 160

corpo de prova (folhelho BC-01). 163

Tabela 5.24 – Valores do coeficiente de reflexão obtidos experimentalmente. 165 Tabela 5.25 – Dados e índices físicos finais dos corpos de prova

(folhelho BC-01) 167

Tabela 5.26 – Parâmetros obtidos do ensaio brasileiro no folhelho BC-01. 168 Tabela 5.27 – Resumo dos parâmetros obtidos nos ensaios do folhelho

BC-01 e do folhelho Pierre01. 171 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Lista de símbolos

a1 Atividade química da água na região de menor concentração iônica a2 Atividade química da água na região de maior concentração iônica Afh Atividade química do fluido dos poros do folhelho

Af Atividade química do fluido de perfuração ou da solução salina utilizada B Parâmetro de poropressão de Skempton

CP Corpo de prova

D Diâmetro do corpo de prova

D50 Diâmetro dos poros correspondente a 50 % do volume total intrudido Do Coeficiente de difusão molecular livre da solução

De Coeficiente de difusão efetiva

dtc _{Tempo de trânsito da onda compressional} dts _{tempo de trânsito da cisalhante}

e Índice de vazios E Módulo de elasticidade G Densidade dos grãos H Altura do corpo de prova

k Permeabilidade meq Miliequivalente n Porosidade

η Viscosidade dinâmica da solução P Força da prensa

Pw Pressão hidráulica exercida pelo fluido de perfuração Pc Pressão capilar

PMs Peso molecular do soluto PMw Peso molecular do solvente r Raio do poro

R Constante universal dos gases S Grau de saturação

T Temperatura w Umidade

W Peso total do corpo de prova

V Volts

V Volume do corpo de prova Vw Volume molar parcial da água νa Mobilidade da água νs Mobilidade do soluto PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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Vp Volume total de mercúrio injetado

α Coeficiente de reflexão ou eficiência de membrana αexp Coeficiente de reflexão experimental

αnum Coeficiente de reflexão mumérico αL Dispersividade longitudinal αT Dispersividade transversal γw Peso específico da água θ Ângulo de contato τ Tortuosidade

ν Coeficiente de Poisson σ_Hg Tensão interfacial do mercúrio σ_t Resistência a tração

ρT Massa específica

∆P Incremento de pressão aplicada

∆Posm Pressão osmótica gerada experimentalmente ∆u Variação de poropressão

∆σconf Variação de pressão confinante Π Pressão osmótica teórica

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1.1.

Motivação

Os folhelhos são rochas sedimentares argilosas de estrutura laminar que apresentam baixas permeabilidades, de moderados a elevados conteúdos de argilominerais. Tais características fazem que sejam suscetíveis a diferentes fenômenos que causam instabilidade no processo de perfuração de poços de petróleo e gás.

Os folhelhos são comumente encontrados durante a perfuração de poços de óleo e gás, representando mais de 75% das formações perfuradas e sendo responsáveis por mais de 90% dos problemas de instabilidade de poços de petróleo (Montilva et al., 2007).

Os principais problemas associados com formações rochosas constituídas por folhelhos são: alargamento do poço, fechamento de poço e aprisionamento de ferramentas, torque e obstrução, perda de circulação do fluido de perfuração e a dificuldades de revestimento e perfilagem. As resoluções desses problemas na perfuração precisam de cronogramas e métodos não considerados previamente, podendo ocasionar gastos excessivos na perfuração.

Fluidos de perfuração base óleo ou base óleo sintético foram usados durante muito tempo para combater o problema de instabilidade dos folhelhos devido à alta pressão capilar gerada no contato óleo-folhelho, que impede o ingresso de água e íons dentro da estrutura rochosa. No entanto, o uso destes fluidos foi restringido no mundo inteiro devido a legislações ambientais e ao custo elevado; assim, os fluidos base óleo foram substituídos por fluidos base água que são ambientalmente viáveis e de menor custo. Como consequência, vários problemas de instabilidade passaram a ser mais freqüentes e formulações anteriormente utilizadas com sucesso em fluidos base óleo não se mostraram eficientes.

Dois tipos de instabilidade podem ser distinguidos, devido ao uso de fluidos de perfuração à base de água, os mecânicos e os físico-químicos. As instabilidades

(21)

mecânicas podem ser prevenidas e controladas mediante a otimização do peso do fluido de perfuração. Diferentes destas, as instabilidades físico-químicas são dificilmente controláveis e mais complexas, pois, além de possuírem diversas variáveis, dependem do tempo.

Nos últimos anos a indústria petrolífera foi incentivada a desenvolver fluidos de perfuração base água que cumpram a função dos fluidos base óleo, especialmente, no que se refere à estabilidade do poço. Foram testadas as eficácias de diferentes soluções salinas, aditivos, e fluidos que preveniam o incremento de poropressão na parede do poço. Os ensaios, basicamente, foram chamados de “transmissão de pressão” ou “ensaios de eficiência de membrana”. Exemplos destes métodos, dispositivos e resultados podem ser encontrados em varias referências (Mody and Hale, 1993, van Oort et al., 1995, van Oort et al.,1996, Ewy and Stankovich, 2000, Stowe et al., 2001, Schlemmer et al., 2003, Mody et

al., 2002, Ewy and Stankovich, 2002, Dye et al., 2006). Estes pesquisadores

avaliaram mediante estes ensaios o comportamento dos folhelhos quando submetidos a diferentes fluidos de perfuração em um campo de tensões estabelecido, com a finalidade de obter parâmetros que seriam diretamente usados na mitigação dos problemas de instabilidade nos folhelhos.

Finalmente, os projetos de estabilidade de poço, onde rochas argilosas como os folhelhos são perfuradas, requerem o conhecimento das propriedades estruturais e composicionais desta rocha, do fluido de perfuração e as interações que existem entre estes quando entram em contato, impondo as condições similares às dos processos de perfuração.

(22)

1.2.

Objetivos

1.2.1.

Objetivo Geral

Esta dissertação tem como objetivo geral a obtenção experimental dos parâmetros de transporte relevantes aos mecanismos de interação folhelho-fluido de perfuração, em particular aos transportes de água e íons devido a gradientes hidráulicos e químicos.

Dois tipos de folhelhos de diferentes localizações foram estudados. Os corpos de prova destes folhelhos foram submetidos a diferentes soluções salinas aquosas, que simularam os fluidos de perfuração à base de água contendo eletrólitos, os quais são utilizados normalmente na indústria de petróleo como inibidores químicos de formações argilosas.

Os parâmetros de transporte obtidos, necessários para as análises de estabilidade de poço considerando os efeitos físico-químicos, foram: a eficiência de membrana ou coeficiente de reflexão (α), o coeficiente de difusão efetivo (De)

e, por último, a permeabilidade absoluta do folhelho.

Para este fim, o Grupo de Tecnologia e Engenharia de Petróleo (GTEP) projetou a construção de quatro novas células de difusão que, junto à inicial desenvolvida por Muniz (2003), possibilitou ensaios simultâneos e, por conseguinte, a obtenção de maior número de parâmetros em menor tempo. A célula de difusão permite simular as condições de tensão in situ, além de avaliar a interação físico-química entre os fluidos de perfuração e os folhelhos mediante a imposição de gradientes químicos e hidráulicos. Devido ao incremento de novas células, foi necessário o desenvolvimento da metodologia para ser utilizada no transcorrer de ensaios simultâneos, a qual foi baseada na metodologia original desenvolvida por Muniz (2003). As fases do ensaio foram as mesmas propostas por Muniz na célula original, que foram também utilizadas por Duarte (2004) e Muniz (2005).

Uma campanha extensa de caracterização dos dois tipos de folhelho foi necessária, para um melhor entendimento dos fenômenos de interação rocha-fluido. Os resultados desta campanha de ensaios forneceram informações

(23)

essenciais para inferir o possível comportamento dos folhelhos frente aos fluidos de perfuração.

1.2.2.

Objetivos Específicos

Têm-se como objetivos específicos: a) caracterizar dos dois tipos de folhelhos; b) avaliar o funcionamento das novas células de difusão mediante ensaios com corpos de prova sintéticos e a calibração dos transdutores de pressão; c) desenvolver a metodologia para ser utilizada no transcorrer de ensaios simultâneos; d) ensaiar simultaneamente as células de difusão com corpos de prova dos folhelhos; e) obter a resistência à tração dos folhelhos mediante o Ensaio Brasileiro.

1.3. Escopo

O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre a definição e origem dos folhelhos, e sobre os mecanismos de transporte de massa através deste tipo de rocha. Também são apresentados os mecanismos de instabilidade de poços e uma breve revisão sobre fluidos de perfuração em geral e as suas classificações.

No Capítulo 3 são apresentados os ensaios de caracterização dos folhelhos estudados, onde se inclui uma avaliação, mediante uma metodologia simples, da quantidade de carbonatos presente. Incluem-se também, uma breve revisão bibliográfica dos resultados obtidos da eficiência de membrana encontrados na literatura e a conclusão do capítulo.

O Capítulo 4 é dedicado à descrição das novas células de difusão e dos equipamentos associados com estas. Incluem-se também a metodologia utilizada na calibração dos transdutores de pressão, a descrição das fases de ensaio, e os procedimentos adotados no tratamento dos dados experimentais. Da mesma forma, apresenta-se a metodologia utilizada nos ensaios de tração indireta feitos nos corpos de prova ao final dos ensaios de difusão.

(24)

No Capítulo 5, são apresentados os resultados da calibração dos transdutores de pressão e os ensaios em corpos de prova sintéticos; na seqüência, apresentam-se as quatro campanhas de ensaios de difusão realizadas nos dois tipos de folhelhos, os ensaios de tração indireta, as análises dos resultados e as conclusões deste capítulo.

Finalmente, no Capítulo 6, apresentam-se as conclusões gerais e as sugestões para futuros trabalhos.

(25)

2.1.

Introdução

No presente capítulo inicialmente apresentam-se a definição e a origem dos folhelhos. Em seguida, é apresentado um breve resumo dos mecanismos que governam o transporte de massa no sistema folhelho-fluido de perfuração e como estes dependem da permeabilidade destas rochas. Na sequência são apresentados os mecanismos de instabilidade de poços; e por último, a definição e classificação dos fluidos de perfuração utilizados pela indústria de petróleo.

2.2.

Definição e origem dos Folhelhos

Folhelho é o termo utilizado para nomear algumas das rochas formadas por sedimentos argilosos com significativa estratificação. Apresenta formato de lâminas finas, paralelas e com tendência de esfoliável, especialmente após exposto a alta compactação e pressões.

Os folhelhos são originados de rochas expostas ao intemperismo e erosão, sendo formados por sedimentos detríticos depositados em áreas baixas e planas dos continentes e oceanos. A transformação destes sedimentos em rocha ocorre após a sua deposição, através de um conjunto de processos químicos, como a dissolução, precipitação, cristalização, recristalização, oxidação, redução e outros. Além destes processos químicos, podem ocorrer também os físicos, conhecidos como diagenéticos, que ocorrem sob-baixas pressões e temperaturas. Estes fenômenos são: a cimentação, a compactação e a autigênese.

A cimentação é a precipitação de minerais nos poros a partir de cátions e anions dissolvidos na água. Os cimentos mais comuns são a calcita, hidróxido de ferro (limonita), minerais silicosos (quartzo, calcedônia, etc.) e sais (gipsita,

(26)

halita). A compactação é o principal processo de litificação dos sedimentos mais finos (argilosos e siltosos). É provocada pela compressão dos sedimentos sob o peso daqueles sobrepostos, havendo gradual diminuição da porosidade, expulsão da água intersticial e atração iônica entre as partículas. A autigênese é a formação de minerais in situ (denominados autígenos) durante a diagênese. Assim ocorre a formação de glauconita e a transformação de matéria orgânica em hidrocarbonetos (Frascá e Sartori, 1998).

Os folhelhos são rochas que possuem grãos de tamanho argila igual aos argilitos. Diferenciam-se destes porque possuem lâminas finas estratificadas e paralelas esfoliáveis, enquanto os argilitos apresentam-se com aspecto mais maciço, pouco ou não estratificado. A fissilidade é uma propriedade intrínseca dos folhelhos, que se caracteriza por apresentar a facilidade de se partir em placas segundo planos paralelos finamente espaçados; em outras palavras, possuem a tendência a dividir-se em “folhas”; esta característica está relacionada ao processo de deposição sedimentar e à orientação dos minerais filossilicáticos. A Figura 2.1 apresenta uma imagem de uma amostra de folhelho com uma marcante fissilidade.

Figura 2.1– Amostra de folhelho com lâminas finas e paralelas esfoliáveis.

Segundo Williams et al. (1982), os folhelhos são constituídos por duas fases principais: uma sólida e outra fluida. A primeira é composta pelos grãos minerais e pelo material sólido amorfo, que tanto pode ser de origem detrítica (feldspatos sódicos, quartzo, micas e carbonatos), quanto autigênica (sulfetos, carbonatos de cálcio e argilominerais autigênicos). A segunda é composta pela fase líquida, que é representada pela água conata.

(27)

As composições mineralógicas das argilas variam de acordo com o tipo do folhelho, sendo ilita, esmectita, caulinita, clorita e vermiculita os minerais mais comuns; outros minerais acessórios podem ser encontrados, como o quartzo, carbonatos e feldspatos.

Este tipo de rocha poderia apresentar elevadas porosidades e baixas permeabilidades. Segundo Tan et al. (1998) estas características transformam os folhelhos em uma rocha altamente sensível à instabilidade com o transcurso do tempo. Segundo Lal (1999), as características distintivas dos folhelhos, de interesse para a indústria do petróleo, são o conteúdo argiloso e a baixa permeabilidade independente da porosidade. A baixa permeabilidade do folhelho, segundo este autor, é devido à pobre conectividade entre seus poros estreitos com diâmetros típicos entre 3 nm a 10 nm.

Os folhelhos têm um papel importante na exploração e produção de petróleo, são comumente considerados como rochas selantes. Devido aos poros reduzidos saturados de baixa conectividade, geram uma alta pressão capilar que impede o passo dos hidrocarbonatos (Al-Bazali et al., 2009).

2.3.

Mecanismos de Transporte de Massa

O transporte de massa (fluxo de água ou íons) entrando ou saindo do folhelho pode ter uma grande influência nas poropressões, tensões, deformações e resistência da rocha ao redor do poço. Desta forma, a compreensão dos mecanismos que regem o transporte de massa é de fundamental importância quando se pretende garantir a estabilidade de poços perfurados neste tipo de rocha. Neste sentido, existem dois mecanismos controladores:

O primeiro é chamado de difusão hidráulica (ou convecção) que representa o fluxo de fluido como resposta ao gradiente de pressão hidráulica entre a pressão que exerce o fluido de perfuração e a pressão de poros da formação. Este tipo de fluxo é governado pela lei de Darcy. O segundo mecanismo é a difusão química, devido à diferença de potencial químico existente entre o fluido de perfuração e o fluido dos poros do folhelho, existe uma migração de soluto das zonas de alta concentração para áreas de menor concentração governado pela lei de Fick. Estes

(28)

dois processos são mecanismos de fluxo direto, visto que os fluxos de fluido e soluto estão, diretamente, relacionados aos seus gradientes respectivos.

O processo denominado osmose química é devido à diferença de potencial químico existente entre duas regiões, caracterizado pelo fluxo de água de uma região menos concentrada para uma região mais concentrada quando dois fluidos de concentrações diferentes são separados por uma membrana semi-permeável perfeita, ou seja, que permita somente a passagem de solvente e não de soluto.

Existe outro mecanismo de transporte chamado de advecção, onde o fluxo de íons é devido a um gradiente hidráulico seguindo a lei de fluxo de Darcy. Para rochas relativamente permeáveis (arenitos), o fluxo de soluto pode estar controlado por este tipo de transporte, enquanto a difusão química pode dominar a migração de soluto em rochas de permeabilidade muito baixa, como é no caso dos folhelhos. A advecção apesar de estar contemplada nesta dissertação, pode ser desprezível devido à baixa permeabilidade dos folhelhos.

No presente trabalho de pesquisa, do mesmo modo que nos trabalhos de Muniz (2003), Muniz (2005) e Duarte (2004) é investigado somente o transporte de água e íons devido a gradientes hidráulicos e químicos, desconsiderando-se os gradientes elétricos e de temperatura.

O conceito de atividade química foi aplicado à engenharia de petróleo para quantificar as diferenças de potencial químico entre o folhelho e o fluido de perfuração. A atividade química possibilita comparar a energia livre parcial molar existente entre dois meios (Hale et al., 1992), e está relacionada com a energia livre das moléculas de água em uma solução. Soluções com alta concentração de soluto apresentam uma baixa atividade da água e soluções com baixas concentrações apresentam altas atividade da água.

Quando dois fluidos de concentrações diferentes são separados por uma membrana semi-permeável perfeita (que permita somente a passagem de solvente e não de soluto) a água presente na solução menos concentrada flui para a região de maior concentração na tentativa de equilibrar o sistema, gerando assim um gradiente de pressão. A pressão necessária a ser aplicada no fluido mais concentrado para evitar o fluxo de água, é denominada de pressão osmótica e pode ser obtida pela equação (2.1) (Katchalsky, et al., 1965, Olsen et al., 1990)

(29)

        2 1 ln a a V RT w (2. 1) Onde:

R = constante universal dos gases (0,082 l . atm / mol . K); T = temperatura absoluta (K);

Vw = volume parcial molar da água (0,018 l / mol);

1

a = atividade química da água na região de baixa concentração iônica; 2

a = atividade química da água na região de alta concentração iônica

(a >₁ a ). ₂

Considerando o folhelho como uma membrana semi-permeável perfeita (que permite o movimento de água e restringe o movimento dos íons), numa situação de poço, a atividade química é utilizada como um parâmetro indicador da direção do fluxo de água entre o folhelho e o fluido de perfuração, podendo-se calcular a pressão osmótica teórica gerada, através da equação (2.2) (Mody & Hale, 1993, van Oort, 1995, Tan et al., 2002).

          fh f w A A V RT ln (2. 2) Onde:

Af = atividade química do fluido de perfuração;

Afh = atividade química do fluido de poros do folhelho.

Se a atividade do fluido de perfuração é maior que a atividade do folhelho há fluxo da água do fluido de perfuração para a formação. Se ocorrer o inverso, ou seja, se a atividade do folhelho fosse maior que a atividade do fluido de perfuração, ocorre fluxo da água da formação para o fluido de perfuração. Quando as atividades em cada lado da membrana são iguais, o sistema permanece em equilíbrio, isto é, não ocorre fluxo. (Figura 2.2)

(30)

Figura 2.2 – Mecanismos de transporte de água através de uma membrana semi-permeável perfeita sob condições de campo (Hawkes & McLellan, 2000).

Desta maneira, considerando só a atividade e nenhum processo difusivo; poderia-se inferir que a utilização de fluidos de perfuração com maior concentração salina (baixas atividades da água) que o fluido dos poros dos folhelhos, gera um potencial osmótico na formação que é usado para gerar fluxo (osmótico) em direção ao poço perfurado, retirando água da formação, provocando uma queda na poropressão, aumentando a tensão efetiva e como consequência melhorando a resistência da formação.

Chenevert (1970) aplicou o conceito de atividade química que durante muito tempo se demonstrou eficaz na estabilização de poços perfurados com fluidos base óleo. Neste período, atribuía-se aos folhelhos capacidades de se comportar como uma membrana semi-permeável perfeita, evitando que os íons migrassem da fase aquosa do fluido de perfuração para o interior da formação. Entretanto, van Oort (1994), argumenta que o sucesso dos fluidos base óleo, na verdade, é função da formação de barreiras impermeáveis a moderadas pressões diferenciais, devido à alta pressão capilar no contato óleo-fluido dos poros dos folhelhos, em tal sentido, água e íons podem ser restritos pela própria barreira impermeável imposta pelo folhelho, contribuindo assim, para a melhoria da estabilidade (Figura 2.3).

Por estas razões, os fluidos de perfuração base óleo ou base óleo sintético foram usados durante muito tempo. No entanto, esses usos foram restritos no mundo inteiro devido a legislações ambientais e a os seus custos elevados; assim,

Af<Afh

Fluxo da água da formação para o fluido de perfuração.

Af>Afh

Fluxo da água do fluido de perfuração para aformação.

Af = Afh

Não ocorre fluxo da água. Interface folhelho-fluido de perfuração

(31)

os fluidos base óleo foram substituídos por fluidos base água que são ambientalmente viáveis e de menor custo. Como consequência, vários problemas de instabilidade passaram a ser mais freqüentes e formulações anteriormente utilizadas com sucesso em fluidos base óleo não se mostraram eficientes.

Figura 2.3 – Mecanismos de impermeabilização promovidos na interface óleo-fluido de poros (Dusseault & Gray 1992, modificado por Duarte 2004).

Em investigações da interação entre o fluido de perfuração base água e o folhelho, pesquisadores como van Oort et al. (1995), Simpson & Dearing (2000), Tan et al. (2002), Ewy & Stankovich (2002), argumentam que o sistema fluido folhelho não impede a difusão de íons, ou seja, a entrada de íons na formação devido a um gradiente químico ou hidráulico. Portanto, o folhelho não atua como uma membrana semi-permeável perfeita.

O potencial osmótico gerado entre o folhelho e o fluido de perfuração em favor da estabilidade, é grandemente influenciado pelo movimento de íons para dentro ou fora dos folhelhos; este fato tem estimulado muito interesse para quantificar o impacto do fluxo iônico no potencial osmótico, o que levou a introduzir o concepto da “eficiência de membrana” ou “coeficiente de reflexão” dos folhelhos.

Segundo Zhang et al. (2008), o pesquisador Staverman (1952), foi um dos primeiros a investigar a eficiência de membrana dos folhelhos. Segundo Tare et

al. (2000), o conceito de coeficiente de reflexão foi primeiramente proposto por

Staverman (1951) e introduzido por van Oort et al. (1995) em aplicações de

(32)

estabilidade de poços. Van Oort et al. (1995) definiram que o coeficiente de reflexão do folhelho depende da mobilidade da água (a) e do soluto (s) de acordo com a equação (2.3) a seguir:

= 1 – (s / a) (2.3)

Se o folhelho retiver completamente os íons (s = 0, a  0) e permitir somente a passagem de água saindo da formação, é considerado uma membrana semi-permeável perfeita, o que torna o coeficiente de reflexão igual a 1. Este comportamento não é realmente observado com os folhelhos expostos aos fluidos de perfuração base água, pois estes permitem em diferentes graus o ingresso de íons dentro da sua estrutura (s  0), assim, os folhelhos são considerados membranas semi-permeáveis imperfeitas, apresentando valores do coeficientes de reflexão entre 0 e 1, exibindo desta maneira, certo nível de seletividade iônica.

A verdadeira pressão osmótica (Posm), gerada num sistema onde a

membrana seja o folhelho, ou seja, num sistema onde a membrana é semi-permeável imperfeita, deve levar em conta a eficiência de membrana () do mesmo, e pode ser obtida pela equação (2.4) (van Oort et al., 1995, Tan et al., 2002, Ewy & Stankovich, 2002, Al-Bazali, 2005).

   Posm  (2.4) Onde: osm P

 = pressão osmótica gerada experimentalmente;

 = pressão osmótica teórica gerada pelo fluido de perfuração em contato com o folhelho (Equação 2.2).

Os autores das referências acima desenvolveram equipamentos específicos de forma a estimar a pressão osmótica gerada experimentalmente (Posm) nos

folhelhos quando expostos a diferentes fluidos de perfuração, para depois utilizá-las na estimativa experimental da eficiência de membrana ou coeficiente de reflexão () mediante a equação 2.4.

Diversos pesquisadores, entre eles van Oort (1997), Ewy & Stankovich, (2002), Tan et al. (1996), Al-Bazali et al. (2006) e Osuji et al. (2008), estimaram valores do coeficiente de reflexão de diversos tipos de folhelhos expostos a soluções salinas na faixa de 0,003 (0,3%) a 0,25 (25%).

(33)

O coeficiente de difusão iônica (D) através dos folhelhos é um parâmetro que mede a facilidade ou dificuldade que os íons de um determinado fluido de perfuração têm para se difundir dentro da estrutura do folhelho; por conseguinte, este parâmetro de transporte influi no coeficiente de reflexão. Ao se adicionar altas quantidades de sal no fluido de perfuração, a energia livre da água se reduz, resultando em um nível alto de desbalanceamento entre a solução e o folhelho, o que gera a difusão dos íons em direção ao folhelho (Rabe, 2003).

Collins et al. (1989), na avaliação dos coeficientes de difusão iônica nos folhelhos, concluíram que estes são cem vezes menores que os correspondentes valores dos coeficientes de difusão livres e que são menores ainda em íons ou moléculas de maior tamanho.

Lomba (1998), em ensaios que visavam avaliar os coeficientes de difusão de íons (cloreto e cálcio) e da água em contato com o folhelho Speeton do Mar do Norte, estimou coeficientes de difusão da ordem de 10-12m2/s. Os resultados desses ensaios indicam que os processos osmóticos podem ocorrer sozinhos inicialmente, pois a velocidade com que a água sofre difusão é muito maior que os dos outros íons. Porém, este efeito sofre uma redução com o tempo, pois os outros íons começam a sofrer também difusão e assim equilibrar a concentração entre estes dois meios. Posteriormente, Muniz (2003) em ensaios mediante a célula de difusão que ele desenvolveu, estimou coeficientes de difusão 10 vezes maiores que os obtidos por Lomba (1998).

Além dos mecanismos apresentados acima, existe o fenômeno chamado de difusão osmótica que é o movimento da água que rodeia os íons, na literatura é referida como água associada. Al-Bazali et al. (2009) em investigações experimentais que visavam avaliar a estabilidade de folhelhos, concluíram que o movimento da água durante a interação folhelho-fluido, poderia ser maior pelos efeitos da difusão osmótica que pelos efeitos da osmose química. Estes autores acreditam que a difusão osmótica, igual que a osmose química, é um fenômeno de alteração dos folhelhos que teria que se levar em conta. Mencionam que por um longo tempo os pesquisadores tinham ignorado os efeitos da difusão osmótica na alteração dos folhelhos, pois se acreditava que este efeito é muito pequeno em comparação aos gerados por processos de osmose química. No entanto, Simpson & Dearing (2000) já tinham apresentado anteriormente a chamada força de difusão osmótica, estes autores concluíram que se a força de difusão osmótica

(34)

exceder a força de osmose química, invasão de íons e água podem aumentar a pressão de poros e a umidade na vizinhança do poço. Além disso, a invasão de íons pode provocar reações de trocas catiônicas alterando a estrutura dos argilominerais do folhelho.

Vale indicar que o fenômeno de difusão osmótica não está contemplado no presente estudo.

2.4.

Influência da Permeabilidade do Folhelho

O estudo dos movimentos difusivos e osmóticos se tornam complexos, pois estes fenômenos possuem fluxos opostos, ou seja, o fluxo de água é dado em uma direção e o fluxo de íons contrariamente a esta. Além disto, a velocidade do transporte é função do gradiente químico imposto e das propriedades do folhelho como a permeabilidade.

Altas permeabilidades poderiam acabar com o potencial osmótico gerado na formação, como consequência da rápida equalização do gradiente químico entre o folhelho e o fluido de perfuração devido à facilidade na passagem de solutos e água para dentro da estrutura rochosa; que se traduz, em baixos valores do coeficiente de reflexão.

Al-Bazali et al. (2006) em ensaios que visaram avaliar o coeficiente de reflexão em corpos de prova de diferentes permeabilidade e submetidos a diversas soluções salinas (diferentes atividades da água), concluíram que a permeabilidade dos folhelhos influenciam na eficiência de membrana e na pressão osmótica gerada. A tendência geral foi que a eficiência de membrana se incrementava quando a permeabilidade do folhelho decrescia. Osuji et al. (2008), em ensaios com o folhelho Atoka submetidos a diferentes fluidos de perfuração base água, mostraram que a eficiência de membrana é função da permeabilidade e da porosidade dos folhelhos, baixas permeabilidades e baixas porosidades correlacionaram bem com altos coeficientes de reflexão.

A permeabilidade dos folhelhos é influenciada por vários fatores, entre eles podemos citar a distribuição de tamanho dos poros, a conectividade destes, a

(35)

tortuosidade dos canais de fluxo, a porosidade, e o tamanho e o arranjo dos seus grãos.

A característica comum nos folhelhos é sua anisotropia, a origem está ligada as condições de deposição dos sedimentos e a natural foliação das argilas, em outras palavras à fissilidade que estas possuem. A avaliação da anisotropia da permeabilidade é de muita importância quando se estuda fluxos de água ou íons dentro de formações rochosas, pois poderia ser alta e não desprezível, como é no caso das rochas sedimentares.

Schlemmer et al. (2003) em ensaios que visavam estimar a permeabilidade do folhelho Pierre1E, reportaram valores na faixa de 0,3 a 10 µD quando ensaiados paralelos ao plano de acamamento (ensaio horizontal). Por outro lado, a faixa de permeabilidade quando ensaiados perpendicularmente ao acamamento (ensaio vertical) foi entre 0,01 a 0,05µD. Claramente pode ser observado que as permeabilidades paralelas aos planos de acamamento são elevadas em relação as perpendiculares (anisotropia de 20 a 30). Se estas variações não são levadas em conta, poderiam ser fontes de erro de interpretação nos coeficientes de reflexão obtidos num mesmo tipo de folhelho.

Bolton et al. (2000) observaram com o uso de microscopia eletrônica de varredura (MEV) que os sedimentos marinhos sobre-adensados de partículas finas apresentam microfraturas orientadas e paralelas que causam significante anisotropia na permeabilidade. Ensaios de porosimetria por injeção de mercúrio, feitos por estes autores, em corpos de prova idênticos (mesma localização litológica), indicam que fluxos substanciais são devido à microfraturas abertas com uma favorável orientação (paralelos à fissilidade). Isto foi mostrado claramente, pois estes autores fizeram ensaios de porosimetria direcionada (contrários à porosimetria por injeção de mercúrio tradicional), que consistiu na injeção de mercúrio paralela e perpendicular à fissilidade, selando os lados do corpo de prova com resina e forçando o mercúrio ser introduzido só por uma direção. Os resultados obtidos por estes autores são apresentados na Figura 2.4. Pode-se observar que, quando a intrusão de mercúrio foi perpendicular a fissilidade da amostra existe um pico único (distribuição uni-modal) definido por o diâmetro igual a 0,4µm. Contrário a este comportamento, quando a intrusão de mercúrio foi paralela à fissilidade, existem dois picos (distribuição bi-modal) definidos pelos diâmetros 0,4µm e 2µm.

(36)

Figura 2.4 – Distribuição de tamanho dos poros em ambas as direções da amostra (sedimentos argilosos sobre-adensado).

2.5.

Mecanismos de Instabilidade de Poços

O processo de perfurar um poço altera o estado de tensões nas formações rochosas atravessadas pela broca. O material removido pela escavação é substituído pelo fluido de perfuração que, entre outras funções, tenta restabelecer o equilíbrio anterior à escavação. Contudo, isto nem sempre é atingido e, como consequência, algum tipo de ruptura será gerado na região circunvizinha à parede do poço.

Os poços de petróleo apresentam diversos problemas de instabilidade quando os folhelhos são perfurados, causando graves problemas técnicos de perfuração, perdas de tempo e custos adicionais. A mais importante variável para manter a estabilidade do poço seria prevenir a invasão de pressões elevadas dentro da matriz do folhelho (Stowe et al., 2001, van Oort et al., 1994, van Oort, 1997, Tare and Mody, 2000). Um típico exemplo de problemas encontrados no processo de perfuração, quando os folhelhos são atravessados, é esquematizado no gráfico da Figura 2.5. O perfil Caliper é um perfil auxiliar que mede o diâmetro do poço em qualquer profundidade e nos fornece de forma indireta, uma indicação das condições de estabilidade do poço. Nesta figura, as linhas tracejadas indicam o

(37)

diâmetro de desenho do poço e as linhas completas, os diâmetros do poço fornecidos pelo perfil Caliper. Como pode ser observado, os problemas de instabilidade se dão justamente nas camadas dos folhelhos apresentando incrementos bruscos de diâmetro. Observe-se que este fato não acontece quando os arenitos são perfurados.

Figura 2.5 – Exemplo típico de instabilidade de folhelhos e problemas de poço observados no perfil caliper (van Oort, 2003).

Diversos pesquisadores concluíram que quando os fluidos de perfuração base água são usados, apresentam-se dois fenômenos básicos que causam a instabilidade dos poços. Estes são classificados em efeitos mecânicos e físico-químicos.

Os efeitos mecânicos são processos físicos que ocorrem quando as tensões mecânicas impostas na formação excedem a resistência do folhelho e podem ser eficazmente manejados pela alteração do peso do fluido de perfuração (lama) para mantê-lo dentro das faixas de resistência. Basicamente são dois tipos de rupturas que surgem devido a este fenômeno, que ocorrem ao redor de poços. Estes são detalhados a seguir: PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA

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1. A ruptura por compressão (Figura 2.6a), chamada de colapso é provocada por um peso insuficiente do fluido de perfuração comparado com a resistência da rocha e as tensões ao redor do poço. A ruptura por compressão pode se apresentar como uma diminuição do diâmetro do poço ou com desmoronamento das paredes, de acordo com o comportamento dúctil ou frágil das rochas perfuradas. 2. A ruptura por tração (Figura 2.6b), também chamada fraturamento, é provocada por um peso excessivo do fluido de perfuração comparado com a resistência à tração da rocha. A ruptura por tração apresenta fraturas com perda de circulação parcial ou total. A invasão do fluido de perfuração incrementa a poropressão da parede do poço e é transmitida no tempo para a formação e dependendo das tensões que atuam ao redor deste poderia se gerar a instabilidade e futuro colapso.

(a) Seção vertical (b) Vista do topo Figura 2.6 – Tipos de ruptura ao redor de poços (Fjær et al., 1992).

Os efeitos físico-químicos causam um tipo de ruptura que surge devido às interações físico-químicas da rocha com o fluido de perfuração (Santos, 1989). Contrários as rupturas mecânicas estes dependem do tempo. A invasão do fluido de perfuração por gradiente hidráulico ou a difusão dos íons devido ao gradiente químico, altera a composição do fluido de poros do folhelho resultando numa variação da pressão de hidratação (“swelling”) e poropressão na região ao redor do poço. Como consequência, a tensão efetiva pode ser fortemente reduzida e

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propiciar a ruptura por compressão ou por tração, devido à geração de tensões radiais na formação.

2.6.

Fluidos de Perfuração

Durante a perfuração de poços de petróleo, usa-se um fluído de perfuração, cuja composição química induz a comportamentos físico-químicos desejados, para permitir um equilíbrio entre as pressões das formações e a pressão dentro dos poços. O fluido de perfuração deve possuir propriedades físico-químicas que possam ser cuidadosamente controladas, para se ajustarem a uma grande variedade de condições em sub-superfície (Darley et al., 1988).

Os fluidos de perfuração são misturas complexas de sólidos, líquidos, produtos químicos e, por vezes, até de gases. Do ponto de vista químico, eles podem assumir aspectos de suspensão, dispersão coloidal ou emulsão, dependendo do estado químico dos componentes (Thomas, 2001).

Os fluidos de perfuração são, de uma maneira geral, sistemas multifásicos, que podem conter água, material orgânico, sais dissolvidos e sólidos em suspensão nas mais diversas proporções. Esses fluidos são indispensáveis durante as atividades de perfuração de um poço, pois desempenham uma série de características essenciais, destacando-se:

 Estabilizar as paredes do poço, mecânica e quimicamente;

 Exercer pressão hidrostática sobre a formação, de modo a evitar o influxo de fluidos indesejáveis (“Kick”)

 Carrear os cascalhos gerados durante a perfuração (Figura 2.7);

 Manter os sólidos em suspensão durante a interrupção da perfuração;

 Resfriar e lubrificar a broca e o tubo de perfuração para evitar a corrosão;

 Ser bombeável;

 Facilitar as interpretações geológicas do material retirado do poço;

 Não provocar danos à formação produtora;

 Apresentar custo compatível com a operação.

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Assim sendo, projetar um fluido de perfuração apropriado para uma situação específica exige a compreensão das propriedades deste fluido, em particular sua reologia, e do seu desempenho sob condições de operação. Além disso, se faz necessário o conhecimento de características da zona perfurada, tais como pressão estática e propriedades permo-porosas.

Figura 2.7 – Fluido de perfuração carreando os cascalhos para a superfície (Duarte, 2004).

2.7.

Classificação dos Fluidos de Perfuração

Os fluidos de perfuração são comumente classificados de acordo com o componente principal que constitui a fase contínua ou dispersante. Esses componentes podem ser água, óleo e gás. Quando o componente principal da fase contínua é um líquido, o termo lama foi muito usado para a mistura formada pelos sólidos suspenso no líquido.

Os fluidos de perfuração à base de água são comumente chamados de “water based mud” (WBM) e os fluidos à base de óleo de “oil based mud” (OBM). A presença de ambos os líquidos (óleo e água) juntos resulta em uma emulsão, formada através de agitação e da presença de um emulsificante adequado. A natureza química do agente emulsificante determina o tipo de emulsão. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0721431/CA