DESCONTAMINAÇÃO DE CASCALHOS DE PERFURAÇÃO UTILIZANDO UM SECADOR MICRO-ONDAS SEMI-INDUSTRIAL

DESCONTAMINAÇÃO DE CASCALHOS DE PERFURAÇÃO UTILIZANDO

UM SECADOR MICRO-ONDAS SEMI-INDUSTRIAL

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Irineu P. Júnior, 1Arley S. Rossi, 1Jéssika M. dos Santos, 2Carlos H. Ataíde e 2Claudio R. Duarte 1

Bolsista de doutorado CAPES, discente da Pós-Graduação em Engenharia Química 2

Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 1,2

Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100

e-mail: claudiofequfu@gmail.com

RESUMO - Os fluidos de perfuração de base não-aquosa são fabricados a partir de óleos

sintéticos que apresentam diversas vantagens com relação aos de base aquosa. Cascalhos contaminados com este tipo de fluido devem ser tratados para que seja possível seu descarte. Apesar de serem largamente utilizados, devido a problemas operacionais, os equipamentos de adequação de teores apresentam certa dificuldade em garantir os teores exigidos pela legislação vigente (6,9%, em massa). Como alternativa, a secagem via micro-ondas tem se mostrado promissora, por alcançar teores de contaminantes inferiores a 1%, em massa. Nesse sentido, no presente trabalho foi desenvolvida uma unidade semi-industrial de secagem micro-ondas que opera em regime contínuo. O intuito dessa unidade é descontaminar cascalhos provenientes da perfuração de poços de petróleo contaminados com fluido de perfuração. Foram feitos alguns testes preliminares a fim de determinar algumas condições de operação do equipamento (pressão de operação e altura da camada de cascalho na esteira). Realizaram-se alguns experimentos para avaliar a descontaminação e a eficiência de remoção no equipamento frente às modificações na vazão de processamento e teor inicial de contaminantes no cascalho. Os resultados mostraram que o equipamento desenvolvido apresenta grande potencial para utilização em escala industrial. Em algumas condições reduziu os teores de contaminantes a níveis de 0,1%, em massa e processou uma vazão de 750 kg/h de cascalho.

Palavras-Chave: secagem micro-ondas, cascalho de perfuração, fluido base olefina interna.

INTRODUÇÃO

O fluido de perfuração é bombeado para o interior da coluna de perfuração e retorna pelo espaço anular formado entre esta e as paredes do poço, transportando os cascalhos gerados pela broca (Thomas, 2004). Para que o fluido possa ser reutilizado é conveniente que o cascalho gerado pela broca seja separado do fluido de perfuração. Desta forma, associado à perfuração tem-se o chamado sistema de controle de sólidos, que envolve diversos equipamentos responsáveis por promover essa separação.

O objetivo dos sistemas modernos de controle de sólidos é a redução global do custo da operação de perfuração, removendo os cascalhos e minimizando a perda de fluido associado a estes. Outro objetivo a ser atingido é

o cumprimento da legislação ambiental quanto ao descarte dos resíduos gerados nesse processo. Esta etapa envolve separação sólido-líquido, em que, o teor de n-parafina no resíduo descartado em alto mar deve ser reduzido a um patamar inferior a 6,9%, em massa (Pereira, 2010).

O secador de cascalho é peça fundamental na adequação dos resíduos aos padrões ambientais de descarte e secundariamente na máxima recuperação de fluido de perfuração. A operação de secagem de cascalho vem alcançando importância considerável na atualidade, devido às crescentes exigências ambientais, ganhando atenção destacada por parte das indústrias petrolíferas (Pereira, 2010).

O secador convencional de cascalho, atualmente, atende a essa legislação, no entanto, há riscos operacionais ligados a esse equipamento e também o teor de fluido de

perfuração residual aderido ao cascalho está muito próximo do limite ambiental.

Uma tecnologia eficaz que vem sendo citada na literatura para descontaminação de cascalho é a secagem por micro-ondas. Por ser um aquecimento seletivo e em nível molecular, este apresenta diversas vantagens, com relação ao aquecimento convencional, em áreas como: sinterização de metais, secagem de alimentos, reações químicas endotérmicas, pirólise, tratamento de resíduos hospitalares, etc. (Panda et al., 2006; Gedye et al., 1991; Salema e Ani, 2012; Tata e Beone, 1995)

Os estudos de descontaminação de cascalhos contaminados com fluido de perfuração de base não-aquosa, utilizando as micro-ondas, iniciaram com Shang et al. (2005, 2006, 2007), Robinson et al. (2009, 2010, 2012, 2014) e passaram a ser estudados mais recentemente por Pereira (2013), Santos (2014), Panisset (2014) e Petri (2014). Os resultados reportados na literatura mostram que esta tecnologia tem potencial para substituir a centrífuga filtrante.

A partir de então, surgiu-se o interesse em realizar o tratamento dos resíduos de perfuração utilizando micro-ondas em escalas maiores. Portanto, foi desenvolvido a Unidade de Tratamento de Cascalho (UTC), que compreende em um protótipo piloto para efetuar estudos de viabilidade técnico-financeira e atender às normas ambientais.

Os objetivos deste trabalho foram fazer alguns testes preliminares na UTC para definir algumas condições experimentais de altura da camada de leito e pressão de operação. Além de realizar alguns experimentos em condições, prevista por um planejamento de experimentos a três níveis, para analisar a descontaminação e eficiência de remoção no equipamento.

MATERIAIS E MÉTODOS

Unidade Experimental

O equipamento utilizado para descontaminação dos cascalhos de perfuração foi nomeado como “Unidade de Tratamento de Cascalhos (UTC)”. A Figura 1 mostra um esquema desse equipamento, que é composto por cinco subdivisões: unidade de alimentação (1), cavidade de secagem (2), unidade de descarga do condensador (3), unidade de descarga de resíduo sólido (4) e unidade de descarga de resíduo líquido (5).

O cascalho contaminado com fluido de perfuração entra pela moega de alimentação situada na unidade de alimentação e desce até um anteparo. Com o movimento da esteira e o

anteparo posicionado em uma determinada altura, vai se formar uma camada de cascalho sobre a esteira. A esteira se movimenta e esta camada de cascalho vai passando sob os kits emissores de micro-ondas, realizando a secagem. Os vapores são exauridos por um exaustor e condensados exteriormente na unidade de condensação. Os vapores condensados dentro do forno são recolhidos na unidade de descarga de líquido. O cascalho seco é raspado da esteira e desce para a unidade de descarga de sólidos. O equipamento opera em regime contínuo e atinge o estado estacionário. Nesta condição são colhidas as amostras de cascalho e líquidos.

Cascalho e fluido de perfuração

Os cascalhos utilizados nos ensaios de secagem da UTC foram oriundos do processo da perfuração de poços de petróleo e doados pela empresa Petrobras S.A. Esse cascalho foi advindo da Central de Cascalhos da Petrobras situada em Carmópolis-SE. Os cascalhos estavam armazenados em bags e em cada um deles foi retirado uma amostra para caracterização deste cascalho. A Tabela 1 mostra as propriedades físicas deste cascalho.

A contaminação do cascalho foi feita empregando-se fluido de perfuração base olefina interna, os quais foram doados pela Petrobras S.A.. Neste trabalho, optou-se pelo uso de fluido de perfuração visando obter um cascalho com um maior teor inicial de contaminantes. O fluido de perfuração recebido estava armazenado em contentores de 1 m3. Depois de ser homogeneizado, foram retiradas algumas amostras do fluido de perfuração utilizado nos experimentos e a caracterização destas amostras é mostrada na Tabela 2.

Metodologia Experimental

Preparação da alimentação: Os cascalhos dos bags devem ser misturados com o fluido de perfuração até que ele atinja um teor inicial de fase orgânica específico de cada experimento. Para estimar a quantidade de fluido necessário a ser adicionado no cascalho, primeiramente, realizava-se a homogeneização do bag. Após o material estar todo homogeneizado, recolhia-se uma amostra de cascalho e fazia-se o teste da retorta para saber a quantidade de fluido necessário para atingir determinado teor inicial de fase orgânica.

Para misturar o cascalho com o fluido, utilizava-se uma betoneira. Adicionava 200 kg de cascalho nesta betoneira, juntamente com a quantidade de fluido calculada anteriormente. A

betoneira realizava a mistura do cascalho e fluido que era, posteriormente, alimentado no equipamento.

Condições operacionais: Os ensaios realizados visaram obter uma altura de camada de leito e pressão de operação ideal para obter a maior eficiência de secagem. Após definido esses parâmetros, foram testadas nove condições para avaliar a secagem no equipamento.

Nos ensaios, todos os pontos de exaustão estavam abertos e a pressão estava sendo controlada por um controlador on/off ao redor de um set-point. A temperatura de controle, ou seja, temperatura em que os kits emissores entravam em um processo de on/off para estabilizá-la, foi divida em regiões. A temperatura de controle foi divida em 200ºC, 220ºC, 250ºC, nas regiões I, II e III, respectivamente.

A Tabela 3 mostram as outras condições experimentais dos testes feitos, sendo a legenda “Pres_” referente aos testes preliminares da pressão; “Alt_” referente aos testes preliminares da altura da camada de leito; “Perf_” referente aos testes que avaliam a performance de secagem do equipamento. Lembrando que as condições experimentais para avaliar a eficiência e desempenho do equipamento foram baseadas em técnicas de planejamento de experimentos a três níveis (3k).

Tabela 1 – Propriedades físicas do cascalho utilizado nos experimentos

Média Desvio padrão Densidade real [kg/m3] 2683,2 34,8 Densidade bulk [kg/m3] 1299,8 52,1 Porosidade [-] 0,48 0,03 Teor n-parafina [%] 9,43 3,39 Teor de água [%] 7,71 2,59 Teor de sólidos [%] 82,87 5,6

Tabela 2 – Propriedades físicas do fluido de perfuração base olefina interna

Fluido de perfuração Desvio padrão Densidade real [kg/m3] 1010,5 14,1 Teor de olefina [%] 44,8 1,2 Teor de água [%] 28,2 1,2 Teor de sólidos [%] 27,0 1,2 Teor orgânica/água [%] 61/39 -

Tabela 3 – Condições experimentais dos ensaios feitos na UTC teste Altura Camada [cm] Vazão entrada [kg/h] Teor Inicial Fase Orgânica [%] Set-point Pressão [mmH2O] Alt_1 12 500 12,5 50 Alt_2 9 500 12,5 50 Pres_1 9 500 12,5 50 Pres_2 9 500 12,5 -50 Perf_1 9 250 7,5 -50 Perf_2 9 500 7,5 -50 Perf_3 9 750 7,5 -50 Perf_4 9 250 10 -50 Perf_5 9 500 10 -50 Perf_6 9 750 10 -50 Perf_7 9 250 12,5 -50 Perf_8 9 500 12,5 -50 Perf_9 9 750 12,5 -50

Figura 1 – Unidade de Tratamento de Cascalhos (UTC).

mesmas condições

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Ajuste da altura da camada de cascalho na esteira e pressão de operação

Alguns outros parâmetros de operação do equipamento (vazão de água de resfriamento do condensador e dos magnétrons, rotação dos reviradores, etc.) foram ajustados através de testes preliminares com o intuito principal de diminuir riscos operacionais, diminuir custos energéticos e aumentar a vida útil do equipamento.

Após o ajuste de todos os parâmetros de operação, foram conduzidos os ensaios de secagem para testar a altura e pressão ideal para obter o menor teor residual de fase orgânica no cascalho.

A Figura 2 mostra os resultados, no mesmo gráfico, dos testes variando a altura da camada de leito e dos testes variando a pressão de operação.

Analisando a Figura 2, verifica-se que para os testes variando a altura da camada de leito na esteira (Alt_1 e Alt_2), a mesma teve uma grande influência na secagem, pois utilizando uma camada de 12 cm, obteve-se um teor residual de fase orgânica de 9,7%. Para uma altura de 9 cm, o teor residual de fase orgânica ficou entorno de

5,8%. Essa diferença de teores residuais nas duas alturas se dá, possivelmente, à dificuldade de saída dos vapores utilizando uma camada mais espessa. Além de que, utilizando uma camada mais espessa, o material da parte inferior da camada receberá uma carga de ondas eletromagnéticas menor, devido à profundidade de penetração das ondas.

Portanto, para aumentar a secagem, e com isso a descontaminação do cascalho, optou-se por utilizar uma altura de leito de 9 cm.

Comparando os resultados da variação da pressão de operação, constata-se que o teor residual de fase orgânica sofreu um influencia significante, pois saindo de uma pressão positiva (50 mmH2O) para uma pressão negativa (-50

mmH2O), o teor residual, para a fase orgânica,

saiu de 5,8% para 2,7%. Na condição de pressão negativa, o exaustor funciona por mais tempo e de maneira mais intensa o que faz succionar mais vapores no interior da cavidade, evitando a condensação dos mesmos.

Então, utilizando uma pressão negativa há uma maior remoção de fase orgânica do cascalho. Apesar de haver uma diminuição na segurança de operação, pelo fato de facilitar a entrada de ar ambiente para dentro da cavidade, optou-se utilizar nos ensaios subsequentes um set-point de -50 mmH2O de pressão de operação.

-50 50 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 9 12 2,7 5,8 9,7 T eor Residual [% ] Alt_1 Alt_2 Pres_1 Pres_2

Figura 2 – Resultados de teor residual de fase orgânica em função da pressão e da altura da camada de cascalho na esteira.

Análise da descontaminação e eficiência de remoção na UTC

Como mostrado na Tabela 3, as condições experimentais para os testes de análise da descontaminação e eficiência de remoção da fase orgânica na UTC, seguiram a forma de um planejamento de experimentos a três níveis. Os

resultados de teores residuais da fase orgânica no cascalho após a secagem são mostrados na Figura 3. Transformando os dados de teor residual de fase orgânica em resultados de eficiência de remoção de fase orgânica, obtém-se a Figura 4.

Observando os resultados da Figura 3, percebe-se que em apenas duas condições

(Perf_8 e Perf_9) proposta pelo planejamento, o equipamento não conseguiu reduzir os teores de fase orgânica para níveis abaixo do permitido, atualmente, pela legislação (6,9% em massa). Percebe-se também que no ensaio Perf_1, o teor residual de fase orgânica ficou muito próximo do teor residual de equilíbrio (0,11%) encontrado por Petri (2014).

Analisando criticamente os resultados, pode-se julgar que o equipamento desenvolvido consegue trabalhar a uma vazão de processamento entre 500-250 kg/h, conseguindo manter os níveis de teores mássicos de fase orgânica abaixo de 2,7%, o que é cerca de 255% a menos do que é estipulado atualmente pela legislação ambiental brasileira (6,9%).

Além disso, a faixa de gasto energético deste equipamento por kg de cascalho tratado foi entre 0,21-0,34 kWh/kg. Comparando o gasto

energético da UTC com o Hammer Mill, que é um equipamento de dessorção termomecânica bastante utilizado na descontaminação de cascalhos de perfuração, temos uma grande semelhança entre os gastos energéticos, pois o Hammer Mill trabalha a um custo energético entre 0,20-0,28 kWh/kg.

Analisando a Figura 4, verifica-se que há uma grande eficiência de remoção quando se utiliza uma vazão de processamento mais baixa. Essa eficiência vai diminuindo à medida que a vazão é aumentada. Para a faixa de trabalho do equipamento escolhida anteriormente (500-250 kg/h), o equipamento tem a capacidade de remover a fase orgânica com uma eficiência de 68-99%, dependendo do teor inicial de fase orgânica contida no cascalho.

7,5 10 12,5 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 750 500 250 4,5 2,4 0,1 7,4 2,4 0,8 7,9 2,7 2,4 T eor Residual [% ]

Figura 3 – Resultados de teor residual de fase orgânica nos experimentos de análise da descontaminação do cascalho na UTC. 7,5 10 12,5 0 20 40 60 80 100 750 500 250 40 68 99 26 76 92 37 78 81 Eficiência de remoção [% ]

Figura 4 – Resultados de eficiência de secagem da UTC utilizando as condições do planejamento de experimentos.

CONCLUSÕES

Através dos resultados mostrados anteriormente, pode-se concluir que para que haja uma maior descontaminação do cascalho, na UTC, é preciso utilizar uma altura da camada de leito de 9 cm e uma pressão de operação de -50 mmH2O. Outro fator que diminui o teor

residual de fase orgânica no cascalho é a diminuição na vazão de processamento e/ou diminuição no teor inicial de fase orgânica.

O equipamento foi capaz de trabalhar a uma vazão entre 250-750 kg/h, mas foi somente a uma vazão entre 250-500 kg/h que ele conseguiu adequar o cascalho a teores de fase orgânica abaixo de 2,7%, independente do teor inicial utilizado. Este teor é cerca de 255% a menos do teor atualmente previsto pela legislação brasileira.

O equipamento também mostrou ser capaz de reduzir os teores a níveis abaixo de 0,1%, o que mostra a boa descontaminação que este tipo de tecnologia proporciona. O gasto energético do equipamento permaneceu próximo aos patamares do equipamento comercial de dessorção termomecânica, podendo ser comercialmente competitivo.

A eficiência de secagem, utilizando uma vazão entre 250-500 kg/h, ficou entre 68-99%. Isso mostra a boa eficiência obtida através desta tecnologia.

Em suma, o secador micro-ondas escala semi-industrial desenvolvido conseguiu obter teores abaixo do previsto pela legislação e próximo ao teor de equilíbrio. Atualmente, não existem muitos equipamentos que atingem teores próximos ao teor de equilíbrio, com uma vazão desta magnitude. O gasto energético e a eficiência de secagem mostram a eficácia da tecnologia em descontaminar cascalhos de perfuração. Serão feitas algumas melhorias estruturais, e após isso espera-se que o equipamento consiga trabalhar com uma vazão de processamento bem maior, obtendo teores residuais próximo ao de equilíbrio, com um gasto energético menor.

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AGRADECIMENTOS

Os autores deste trabalho agradecem o apoio técnico-financeiro da PETROBRAS, CAPES, CNPQ e FAPEMIG, fornecido para a execução deste trabalho.