Estudar as propriedades básicas dos fluidos e misturas de soluções

Indices

1. Introdução ... 2

2. Características dos fluidos ... 3

3. Classificação dos fluidos ... 3

4. Propriedades dos fluidos ... 4

4.1. Petróleo ... 4

4.2. Óleo e gás natural ... 5

4.3. Comportamento das fases ... 6

4.4. Reservatório de gás ... 6

4.5. Reservatórios de óleo gás ... 7

5. Propriedades Básicas dos Fluidos ... 8

5.1. Volume molar ... 8

5.2. Coordenadas reduzidas ... 9

5.3. Compressibilidade isotérmica ... 9

5.4. A percentagem em volume ... 9

5.5. Percentagem em massa ... 9

5.6. Massa molecular ... 9

5.7. Coordenadas pseudo criticas e pseudo-reduzidas ... 10

5.8. Lei dos estados correspondentes ... 10

5.9. Propriedades dos óleos nos reservatórios ... 10

6. Misturas e Soluções ... 12

7. Aplicação das propriedades dos fluidos ... 13

7.1. Principais propriedades dos fluidos de reservatório ... 13

8. Conclusão ... 14

9. Bibliografias ... 15

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 2 1. Introdução

A interacção rocha-fluido tem sido reconhecida como o principal factor gerador de custos para encontrar e produzir óleo e gás. Muitos progressos têm sido obtidos para reduzir os problemas de instabilidade gerados por esta interacção (Fam e Dusseault, 1998).

Em muitos casos, a utilização de fluidos base óleo ou fluidos de perfuração à base de hidrocarbonetos pode evitar tais problemas, pois os folhelhos, quando em contacto com estas soluções, funcionam como membranas semipermeáveis ideais, evitando a passagem de íons do fluido para a rocha e da rocha para o fluido (Rosa et al., 2006).

Segundo Fam e Dusseault (1998), os fluidos de perfuração são misturas de diferentes componentes utilizados em uma perfuração de poço, em que cada um deles é adicionado para acrescentar certas propriedades aos fluidos, como por exemplo: suportar a parede do maciço, limpeza do poço, evitar a invasão do filtrado e os danos na formação e para o controle da pressão e do teor de cascalhos em suspensão.

As propriedades dos fluidos existentes nos reservatórios de petróleo constituem importantes informações para o estudo do comportamento desses reservatórios. Essas propriedades devem ser, de preferência, determinadas experimentalmente em análises de laboratório (Mccain, 1990).

Em algumas situações, no entanto, por motivos económicos ou operacionais, isso não se torna possível. Nesses casos, as propriedades dos fluidos do reservatório podem ser calculadas através de equações de estado ou estimadas usando-se cartas, ábacos ou correlações empíricas disponíveis na literatura (Mccain, 1990).

Objectivos

 Estudar as propriedades básicas dos fluidos e misturas de soluções

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 3 2. Características dos fluidos

Uma das características básicas dos fluidos de perfuração é minimizar alterações físicas e químicas das formações a serem perfuradas. Segundo Steiger (1982), diz-se que um sistema é inibido quando o mesmo não provoca nenhum tipo de alteração nas propriedades originais de uma formação

Diferentes mecanismos são empregados visando conferir um grau de inibição dos fluidos de perfuração. Segundo Aragão e Aragão (1989), pode-se inibir a reactividade através de várias técnicas, como por exemplo: a adição de electrólitos (condutor de electricidade, sólido ou líquido, no qual o transporte de carga se realiza por meio de íons), adição de polímeros à fase aquosa e a utilização de sistemas com características químicas antagônicas em relação ao sólido com o qual haverá interacção.

3. Classificação dos fluidos

Segundo Economids et al. (1998), os fluidos de perfuração têm origem em compostos líquidos ou gasosos e até da mistura entre eles, como mostra a figura 1. Os fluidos de base líquidos podem ser separados em fluidos base água (conhecido como WBM), quando o seu meio de dispersão é a água, seja ela doce ou salgada. Caso seu meio de dispersão seja os derivados do petróleo, como por exemplo, diesel, o fluido é dito base óleo.

Caso o meio de dispersão seja o gás, ele é dividido em: ar, que é a injecção de ar atmosférico

ou gás natural para dentro do poço. Além destes, por questões de projecto, pode-se criar um

fluido de perfuração oriundo da mistura do meio líquido com o gasoso. Se a maior parte da sua

composição for a água, diz-se que o fluido é uma mistura denominada água aerada. Caso a

mistura seja mais rica em gás, chama-se de espuma (Rosa et al., 2006).

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 4 Figura 1. Classificação dos fluidos.

4. Propriedades dos fluidos 4.1. Petróleo

Petróleo é o nome dado às misturas naturais de hidrocarbonetos que podem ser encontradas no estado sólido, líquido ou gasoso, a depender das condições de pressão e temperatura a que estejam submetidas (Rosa et al., 2006).

O petróleo tanto pode aparecer em uma única fase como pode se apresentar em mais de uma fase em equilíbrio. Sob o nome hidrocarbonetos existe uma grande variedade de compostos de carbono e hidrogénio que quimicamente, de acordo com certas características, são agrupados em séries. Mais de quinze séries de hidrocarbonetos já foram identificadas, sendo que umas são encontradas com maior frequência que outras (Rosa et al., 2006).

A infinita variedade de composições das misturas de hidrocarbonetos, aliada à

variação de tipos e teores de impureza, faz com que praticamente todas as misturas

tenham características diferentes. Cor, viscosidade, massa específica, etc., podem diferir

bastante de uma jazida para outra (Rosa et al., 2006).

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 5 As propriedades físico-químicas de um petróleo dependem de sua composição química, que pode ser obtida através de análises químicas. A análise química completa de um petróleo envolve técnicas caras e complexas, o que muitas vezes torna proibitiva a sua execução (Rosa et al., 2006).

4.2. Óleo e gás natural

O estado físico de uma mistura de hidrocarbonetos depende não só da sua composição, mas fundamentalmente das condições de pressão e temperatura a que a mesma está submetida. Entende-se por composição não só quais hidrocarbonetos estão presentes, mas em que proporções eles se apresentam na mistura (Ahmed, 2001).

Quando a mistura de hidrocarbonetos se apresenta no estado gasoso recebe o nome de gás natural ou simplesmente gás. Predominam nessas misturas os hidrocarbonetos mais leves da série das parafinas, sendo o metano o mais abundante, e é exactamente por isso que a mistura se apresenta nesse estado físico (Rosa et al., 2006). Quando no estado líquido, o petróleo é chamado de óleo cru ou simplesmente de óleo.

A essa profundidade tanto a pressão como a temperatura é bem maior que na superfície. Quando levada para a superfície essa mistura procura um novo estado de equilíbrio devido às novas condições de pressão e temperatura a que está sendo submetida. Nessa nova situação uma parte dos hidrocarbonetos, predominantemente os mais leves, se vaporizará, enquanto os menos leves permanecerão no estado líquido (Ahmed, 2001). Assim, uma parte dos hidrocarbonetos vai continuar líquida, enquanto a outra parte vai se transformar em gás.

A parte da mistura que se encontrava no estado líquido nas condições do reservatório e que permanece líquida nas condições de superfície recebe o nome de óleo.

A parte que se vaporiza recebe o nome de gás natural ou simplesmente gás (Rosa et al., 2006).

Nas condições de reservatório tem-se, portanto, não exactamente óleo e sim uma

mistura líquida de hidrocarbonetos formada pelo óleo mais o gás natural que nele se

encontra dissolvido. Caso a mistura se apresente totalmente no estado gasoso já nas

condições de reservatório recebe também o nome de gás natural (Ahmed, 2001).

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 6 4.3. Comportamento das fases

Uma substância pode se apresentar sob diferentes formas, sem contudo ter a sua constituição, ou seja, a matéria de que é feita, alterada. A água estando na forma de gelo, de vapor ou no estado líquido continua sendo H2O. A essas formas em que uma substância pode se a presentar dá-se o nome d e estados físicos ou fases. Um sistema pode se apresentar com uma ou mais fases em equilíbrio (Ahmed, 2001).

O que caracteriza a fase é que ela é uma parte homogênea, fisicamente distinta de um sistema e separada das demais partes por fronteiras bem definidas. A(s) fase(s) em que uma substância se encontra é (são) definida(s) pela condição de pressão e temperatura a que a mesma está submetida. Isto significa que alterações nessas condições acarretam mudanças nas fases (Mccain, 1990).

As acumulações de petróleo são submetidas a constantes alterações das condições de pressão e temperatura e m decorrência do s seus processos produtivos (Rosa et al., 2006).

As alterações das condições acontecem tanto para o material que vai sendo retirado do interior da jazida e conduzido para a superfície como para o material que permanece no interior da rocha. Portanto, pode-se dizer que acontecem mudanças de fases o tempo todo durante a produção de um reservatório de petróleo. Dessa forma o comportamento das fases é um aspecto da maior importância para o entendimento do comportamento dos reservatórios de petróleo.

4.4. Reservatório de gás

Chama-se reservatório de gás a jazida de petróleo que contém uma mistura de

hidrocarbonetos que se encontra no estado gasoso nas condições de reservatório. Quando

o ponto correspondente às condições de pressão e temperatura a que está submetida a

mistura é colocado em um diagrama de fases, verifica-se que o mesmo se localiza à direita da

temperatura crítica (Mccain, 1990, Ahmed, 2001).

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 7 Os reservatórios de gás são classificados como reserva tórios de gás seco , reservatórios de gás húmido e reservatórios de g ás retrógrado. Essa classificação depende do comportamento do liquido quando sujeito a reduções de pressão dentro do próprio reservatório e também do tipo d e fluido resultante nos equipamentos de superfície (Mccain, 1990).

Ao ser levada para a superfície a mistura gasosa pode ser submetida a processos de separação dos componentes mais leves dos mais pesados, resultando dessa separação duas fases distintas. Os componentes mais leves permanecem no estado gasoso e os mais pesados vão dar origem aos chamados líquidos de gás natural, normalmente designados simplesmente por LGN.

a) Reservatórios de gás húmido e de gás seco Se a mistura ao ser submetida ao processo de separação produzir uma certa quantidade de líquido, o reservatório receberá o nome de reservatório de gás húmido. Se a quantidade de líquido for desprezível a jazida receberá o nome de reservatório de gás seco (Ahmed, 2001).

4.5. Reservatórios de óleo gás

As acumulações de petróleo podem ocorrer na natureza também numa forma mista, isto é, uma par te da mistura de hidrocarbonetos se encontra na fase líquida e o restante na fase gasosa. As duas fases inicialmente se encontram em equilíbrio entre si (Rosa et al., 2006).

O ponto que indica as condições d a mistura se encontra dentro da região de duas fases. Nesse caso a jazida pode ser classificada tanto como reservatório de gás como reservatório de óleo, a depender de qual seja a fase preponderante. Como o gás é muito menos denso que o líquido, existe naturalmente uma separação e arrumação desses fluidos (Rosa et al., 2006).

O gás ocupa a parte superior da formação enquanto que o líquido fica na parte

inferior. Mesmo existindo um grande volume de hidrocarbonetos na fase gasosa a jazida é

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 8 classificada como reservatório de óleo com capa de gás se o interesse económico for o óleo (Rosa et al., 2006).

Quando a quantidade de gás for muito maior que a de líquido, de tal maneira que o interesse económico principal seja o gás, esse reservatório não poderá mais ser classificado como reservatório de óleo e deverá ser classificado como reservatório de gás (Ahmed, 2001).

Fonte: (Ahmed, 2001).

5. Propriedades Básicas dos Fluidos 5.1. Volume molar

O volume molar é o volume ocupado por 1 mol de uma determinada substância. Esse volume varia com as condições de pressão e de temperatura a que estiver submetida essa substância. Particularmente no caso dos gases ou misturas gasosas, devido à alta sensibilidade do volume às variações de pressão e de temperatura, o volume molar deve sempre estar atrelado às condições de pressão e de temperatura (Ahmed, 2001).

Por exemplo, nas chamadas condições normais de temperatura e pressão (0

C e 1

atm), 1 mol-g de qualquer gás ocupa um volume de 22, 4 l.

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 9 5.2. Coordenadas reduzidas

Definem-se pressão reduzida, temperatura reduzida e volume reduzido, respectivamente, pelos quocientes (Ahmed, 2001).

5.3. Compressibilidade isotérmica

O coeficiente de compressibilidade isotérmica é o índice que caracteriza a variação relativa de volume sofrida pelo gás segundo variações de pressão a uma temperatura constante (Rosa et al., 2006).

Chama-se compressibilidade isotérmica de um fluido qualquer à variação fraccional de volume do fluido por variação unitária de pressão. Assim, a compressibilidade isotérmica é expressa pela relação: temperatura, pressão e volume (Ahmed, 2001).

5.4. A percentagem em volume

A percentagem em volume (volume %) de um componente Ci em uma mistura é definida por (Mccain, 1990).

5.5. Percentagem em massa

A percentagem em massa (massa %) de um componente em uma mistura de fluidos é definida como o quociente da divisão da massa do componente pela massa total da mistura, multiplicado por 100 (Mccain, 1990).

5.6. Massa molecular

A massa molecular de uma substância é a soma das massas atômicas dos átomos que

constituem a molécula dessa substância (Ahmed, 2001). A apresenta as massas moleculares,

bem como outras propriedades, dos principais hidrocarbonetos. No caso de misturas a massa

molecular é denominada massa molecular aparente e pode ser calculada através de uma

ponderação relativa às fracções molares e às massas moleculares de cada componente.

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 10 5.7. Coordenadas Pseudo críticas e pseudo-reduzidas

Para misturas, ao invés de pressão e temperatura críticas definem-se pressão pseudocrítica e temperatura pseudocrítica (Ahmed, 2001). Quando é conhecida a composição da mistura, as propriedades pseu-docríticas podem ser calculadas através das expressões:

5.8. Lei dos estados correspondentes

De acordo com a lei dos estados correspondentes, proposta por van der Waals (18 73),

“todos os fluidos exibem o mesmo comportamento quando submetidos à mesma pressão reduzida e à mesma temperatura reduzida” (Rosa et al., 2006).

A lei dos estados correspondentes possibilita o uso de correlações para se obter propriedades de famílias de fluidos, como, por exemplo, no caso dos hidrocarbonetos (Ahmed, 2001).

5.9. Propriedades dos óleos nos reservatórios

 Peso Específico, API,

 Factor Volume de Formação, B

 Razão de Solubilidade Óleo-Gás, Rs

 Coeficiente de Compressibilidade Isotérmica, c

 Viscosidade,

5.9.1. Viscosidade

Segundo Sansone, (2014) a viscosidade do óleo é um factor muito importante para seu fluxo no

reservatório. A viscosidade é função dos seguintes factores:

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 11

 Temperatura.

 Pressão.

 Densidade do óleo.

 Razão de solubilidade do gás.

 Densidade do gás em solução

5.9.2. Razão de solubilidade do gás.

A densidade do óleo no reservatório pode ser determinada a partir das densidades do óleo e do gás em superfície, do factor volume de formação do óleo e da razão de solubilidade óleo-gás (Sansone, 2014).

5.9.3. Coeficiente de compressibilidade isotérmica

A pressões acima do ponto de bolha (pressão de saturação), o coeficiente de

compressibilidade isotérmica do óleo é definido da mesma maneira que o coeficiente de

compressibilidade isotérmica do gás (Sansone, 2014):

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 12 6. Misturas de Soluções

Uma mistura é um sistema composto por mais de um componente. Quando uma mistura forma uma fase homogénea é denominada solução. Assim, as fases gasosas e líquida de um sistema são soluções, já que são misturas homogéneas (Sansone, 2014).

Um caso especial das misturas homogêneas são as chamadas soluções ideais. Estas não representam a maioria dos casos dos sistemas estudados na engenharia química, porém a sua consideração é importante como referência, para efeito de comparação com as soluções reais (Ahmed, 2001).

As propriedades de uma mistura de vários componentes não são, portanto, necessariamente a soma ponderada das propriedades de cada componente puro na mistura, mas sim a soma ponderada das propriedades parciais de cada um deles nas condições de pressão e de temperatura da mistura. Por exemplo, o volume Vi de 1 mol do componente puro i não representa forçosamente o volume Vi ocupado por 1 mol desse componente na mistura, chamado de volume parcial molar (Rosa et al., 2006).

Em alguns sistemas o volume parcial molar Vi de um componente na solução é igual ao volume molar Vi do componente puro nas mesmas condições de pressão e temperatura da solução. Os sistemas que apresentam esse comportamento são ditos soluções ideais.

Diz-se que nas soluções ideais não há variação de volume ao serem misturados os componentes, ou seja, o volume da solução é a soma dos volumes dos componentes. Também nas soluções ideais não há desprendimento nem absorção de calor ao serem misturados os componentes (Rosa et al., 2006).

Formam soluções ideais moléculas aproximadamente da mesma dimensão, da mesma

família química, com forças intermoleculares semelhantes, com pontos de ebulição vizinhos, e

que não reagem quimicamente. É bom ter em mente que o petróleo é um caso clássico de solução

não ideal (Ahmed, 2001).

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 13 7. Aplicação das propriedades dos fluidos

O conhecimento da composição, de propriedades físico-químicas e do comportamento de fase são necessários para a determinação de:

 Quanto de óleo está presente.

 Quanto de óleo pode ser recuperado.

 Qual a taxa de recuperação.

 Estudo do fluxo no reservatório.

 Condições para o gerenciamento do reservatório e implementação de estratégias de produção.

7.1. Principais propriedades dos fluidos de reservatório 7.1.1. Propriedades de gases, óleos e água:

 Densidade,

 Peso Específico,

 Densidade API,

 Factor Volume de Formação, B

 Razão de Solubilidade Óleo-Gás, Rs

 Coeficiente de Compressibilidade Isotérmica, c

 Coeficiente de Viscosidade,

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 14 8. Conclusão

As propriedades dos fluidos existentes nos reservatórios de petróleo constituem importantes

informações para o estudo do comportamento desses reservatórios. Neste sentido as propriedades

básicas dos fluidos são: Compressibilidade isotérmica, Volume molar, volume molar, massa

molar etc.

Propriedades básicas fluidos e Mistura de Soluções Page 15 9. Bibliografias

Ahmed, T. (2001). Reservoir engineering. Gulf Professional Publishing: Houston,

Bradley, H. B. (2005). Petroleum engineering handbook. Society of Petroleum Engineers:

Richardson,

Mccain, W. D. (1990). The properties of petroleum fluids. PennWell Books: Tulsa,

Rosa, A. J.; Carvalho, R. S.; Xavier, J. A. D. (2006). Engenharia de reservatórios de petróleo.

Interciência: Rio de Janeiro,

Sansone, Ed. (2014). Propriedades Dos Fluidos De Reservatório, 60pp. PMI 1673 - Mecânica de

Fluidos Aplicada a Reservatórios