APLICAÇÃO DE ELEVADAS TEMPERATURAS EM FLUIDOS ARGILOSOS E SUA RELAÇÃO COM O COMPORTAMENTO REOLÓGICO DOS FLUIDOS
Sandriely Sonaly Lima Oliveira¹, Renalle Cristina Alves de Medeiros Nascimento², Luciana Viana Amorim³.
¹ UAEMA, CCT, Universidade Federal de Campina Grande,
sandriely_sonaly@hotmail.com, 2 GCEM, CCT, Universidade Federal de Campina Grande, 3 DEM, CCT, Universidade Federal de Campina Grande.
RESUMO
O fluido de perfuração é o elemento mais importante nas operações de perfuração dos poços. Logo, este trabalho avaliou a influência do envelhecimento a temperatura ambiente, da temperatura e da concentração de argila bentonita sódica industrializada nas propriedades reológicas de fluidos argilosos. Foi empregado um planejamento fatorial do tipo 22 + 3 experimentos no ponto central, para avaliar a influência das variáveis de entrada, tempo de envelhecimento e temperatura, sobre as propriedades reológicas dos fluidos. Foram estudados os tempos de envelhecimento de 1, 8 e 15 dias e as temperaturas de 40, 60 e 80° C para a realização do ensaio. Os fluidos foram preparados em agitadores de alta rotação de acordo com normas da Petrobras, sendo a argila estudada na concentração de 30g/350mL de água. Os resultados obtidos evidenciaram que o aumento da temperatura reduz os valores de viscosidade e que esta é suficiente para quebrar o gel dos fluidos.
1. INTRODUÇÃO
Os fluidos de perfuração, ou lamas, são sistemas multifásicos que podem conter água, material orgânico, sais dissolvidos e sólidos em suspensão nas mais diversas proporções. Indispensáveis à indústria de petróleo, é o elemento mais importante nas operações de perfuração (1).
As pesquisas no setor de petróleo vêm desenvolvendo uma incessante busca por novas tecnologias capazes de otimizar todas as etapas envolvidas na indústria petrolífera,com destaque à exploração e produção. E o sucesso da perfuração de um poço depende, dentre outros fatores, das características físico-químicas do fluido de perfuração utilizado na operação (2). Porém, é também importante que, em casos de acidente, tal fluido não afete negativamente o meio ambiente, já que nos cenários de perfuração de poços, as exigências ambientais estão cada vez mais rigorosas, sendo, portanto, um fator determinante.
Com isso, os fluidos à base de água, estão em crescente utilização, visto que fluidos à base de óleo, embora apresentem desempenho superior e sejam mais estáveis a altas pressões e temperaturas, são altamente tóxicos e de custo elevado (3).
Os fluidos de perfuração apresentam várias propriedades físico-químicas que devem ser levadas em consideração durante a aplicação, dentre elas destacam-se os parâmetros reológicos, que vão influenciar diretamente no cálculo das perdas de carga na tubulação e na velocidade de transporte dos cascalhos. Em termos reológicos, a viscosidade é o parâmetro mais conhecido, sendo definida como a resistência que uma substância apresenta ao fluxo. No campo, as principais propriedades reológicas de interesse, que se encontram vinculadas ao desempenho do fluido são a VA e VP (4).
Na perfuração de poços profundos, alguns desafios podem ser encontrados, dentre estes destacam-se as elevadas temperatura e pressão no fundo do poço; à medida que aumenta aprofundidade, a temperatura na parte inferior do poço aumenta (5).
Assim, a temperatura do fluido de perfuração dentro do poço pode variar de 0°C a 150°C e é importante que o fluido mantenha as propriedades desejadas dentro de toda a faixa de temperatura encontrada. As propriedades reológicas dependem fortemente das variações de temperatura e de pressão do poço (5).
Este trabalho objetivou analisar a influência do tempo de envelhecimento, da temperatura e da concentração de argila nas propriedades reológicas dos fluidos argilosos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais
Foi estudada uma argila bentonítica sódica industrializada, conhecida por Brasgel PA, na concentração de 30 g de argila/350 mL de água deionizada.
2.2 Métodos
2.2.1 Preparação dos fluidos argilosos
Para a preparação dos fluidos, a argila foi adicionada à água deionizada sob agitação constante a uma velocidade de 17.000 rpm em um agitador Hamilton Beach, modelo 936, e permaneceu sob agitação por 20 minutos.
2.2.2 Planejamento experimental
Para avaliar a influência das variáveis de entrada (tempo de envelhecimento e temperatura) sobre as propriedades reológicas, foi utilizado um planejamento fatorial do tipo 22 com três experimentos no ponto central, totalizando 7 corridas experimentais. A regressão dos dados experimentais foi realizada utilizando o software Statistica, versão 7.0.
Os níveis codificados e os valores reais das variáveis de entrada empregados no planejamento encontram-se na Tab.1.
Tabela 1 - Valores codificados e reais das variáveis de entrada. Variáveis de entrada Níveis codificados
-1 0 +1 Tempo de Envelhecimento (dias) 1 8 15 Temperatura (ºC) 40 60 80
2.2.3 Envelhecimento dos fluidos argilosos
Após preparo dos fluidos, os mesmos permaneceram em repouso, a temperatura ambiente, e em recipiente fechado durante os tempos de envelhecimento de 1, 8 e 15 dias, de acordo com a Tab. 1.
2.2.4 Propriedades reológicas
Após o tempo de envelhecimento pré-determinado, o fluido foi agitado durante 5 minutos em agitador mecânico Hamilton Beach, modelo 936. Após a agitação, os fluidos foram ensaiados em viscosímetro Fann 35A com o uso do copo térmico nas temperaturas de 40, 60 e 80 °C.
Com os dados das leituras obtidas no viscosímetro, foram calculadas as viscosidades aparente (VA) e plástica (VP), limite de escoamento (LE) e força gel (FG) segundo a norma API.
2.2.5 pH
O pH das dispersões foi medido em phmetro digital da marca Gehaka.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tab. 2 encontra-se a matriz de planejamento fatorial e os resultados das viscosidades aparente (VA) e plástica (VP), limite de escoamento (LE), força gel (FG) e do pH dos fluidos argilosos.
Tabela 2 - Matriz de planejamento fatorial, propriedades reológicas (VA, VP, LE e FG) e pH dos fluidos argilosos com 30 g de argila Brasgel PA.
Experimentos Tempo de envelhecimento Temperatura VP (cP) VA (cP) LE (N/m²) FG (N/m²) pH E22 (1 dia/40ºC) -1 -1 9 84,5 151 9 10,8 E23 (15 dias/40ºC) +1 -1 10 90 160 10 10,65 E24 (1 dia/80ºC) -1 +1 9 86 154 6 10,81 E25 (15 dias/80ºC) +1 +1 6 92 176 2 1,84 E26 (8 dias/60ºC) 0 0 17 71,5 109 2 10,28 E27 (8 dias/60ºC) 0 0 17 72 110 8 10,29
A variação da temperatura de ensaio e o tempo de envelhecimento alteraram as propriedades reológicas (VA e LE) dos fluidos. Isto ocorreu, provavelmente, devido ao aumento do teor de argila Brasgel PA, que favoreceu ma maior interação entre as partículas, e que promoveu uma alteração do equilíbrio eletroquímico que governa o grau de floculação e agregação das partículas de argila das cargas superficiais. Já o aumento da temperatura promove uma redução da camada de solvatação na superfície das partículas de argila, aproximando as partículas uma das outras devido às interações eletrostáticas existentes entre elas, provenientes das interações repulsivas das superfícies das partículas (6).
Assim, de acordo com os resultados pontuais apresentados na Tab. 2, as viscosidades aparente e plástica, e limite de escoamento dos fluidos argilosos sem aditivação de MgO são alteradas pelo tempo de envelhecimento de 1 a 15 dias, e pela temperatura de ensaio de 40 a 80°C. De maneira que o aumento do tempo de envelhecimento e o aumento da temperatura favorecem a maiores valores das propriedades reológicas, principalmente de VA.
A maioria dos valores de FG se encontra na faixa dos valores indicados para os fluidos utilizados em campo, que é entre 7 – 12, logo, são capazes de manter os detritos em suspensão quando ocorre uma parada na perfuração, evitando uma série de problemas. Por isto, o controle da gelificação dos fluidos para evitar possíveis problemas às operações de perfuração é importante (7).
O ensaio de pH dos fluidos foi realizado a temperatura ambiente. De forma geral, não foram observadas variações no pH dos fluidos com as mudanças da temperatura e do tempo de envelhecimento. Todos os fluidos apresentaram valores próximos a 9,6, condição ideal para perfuração de poços, uma vez que, fluidos com caráter básico evitam problemas de corrosão dos equipamentos.
Após análise pontual das propriedades reológicas, utilizando a ferramenta estatística, foi possível investigar, por meios matemáticos, a influência das variáveis de entrada (tempo de envelhecimento e temperatura) nas propriedades VA, VP, LE e FG dos fluidos argilosos.
Tabela 3 - Análises de variância (ANOVA) e modelos matemáticos codificados da viscosidade aparente (VA), viscosidade plástica (VP), do limite de escoamento (LE) e da força gel (VP) dos
fluidos com 30 g de argila e sem MgO para o planejamento fatorial empregado.
Fonte de Variação VA (cP) VP (cP) LE (N/m²) FG (N/m²)
Coeficiente de corelação (R) 0,83 0,71 0,82 0,86
% de Variação Explicada 69,0 50,0 67,26 74,87
Fcalculado/Ftabelado 0,24 0,10 0,22 0,32
Modelos matemáticos codificados para os fluidos preparados - VA (cP) = 70,57 ± 2,62 + (4,5TE ± 3,46) + (7,75 T ± 3,46) + (0,75 TE.T ± 3,46) (1) - VP (cP) = 11,0 ± 0,37 - (0,5 TE ± 0,5) – (0,5 T ± 0,5) – (0,5 TE.T ± 0,5) (2) - LE (cP) = 119,15 ± 5,92 + (10,0TE ± 7,84) +(16,5 T ± 7,84) + (2,5 TE.T ± 7,84) (3) - FG (cP) = 7,57 ± 0,58 - (1,75TE ± 0,76) + (0,75T ± 0,76) - (1,25TE.T ± 0,76) (4) Sendo: os valores em negrito das equações são os parâmetros estatisticamente significativos ao
nível de 95% de confiança, TE o tempo de envelhecimento e T a temperatura do ensaio.
Por meio da Tab. 3, verificou-se que o ajuste do modelo não foi muito satisfatório, com coeficientes de correlação de 0,83, 0,71, 0,82, e 0,86, e percentagens de variância explicada de 69,0%, 50,0%, 67,26% e 74,87% para VA, VP, LE e FG, respectivamente para os fluidos sem MgO.
Observou-se que a razão entre o Fcalculado e o Ftabelado para todas as respostas foi menor que 1, não apresentando um modelo estatisticamente significativo ao nível de 95% de confiança.
As Eq. de 1 a 4 apresentam os modelos matemáticos empíricos codificados, com os seus respectivos parâmetros estatísticos e desvios padrão para a VA, VP, LE e FG dos fluidos preparados com 30 g de argila Brasgel PA.
A análise dos efeitos principais (TE e T) e a interação entre eles (TE.T) para a viscosidade aparente (VA), plástica (VP), limite de escoamento (LE) e força gel (FG) indicou que nenhuma das variáveis de entrada teve influência estatisticamente significativa, ao nível de 95% de confiança, nas propriedades estudadas, com base nos resultados do software utilizado.
Na Fig. 1 estão apresentadas as superfícies de respostas para as propriedades reológicas dos fluidos argilosos com 30g de argila Brasgel PA.
Figura 1 - Superfície de resposta para (a) viscosidade aparente (VA), (b) viscosidade plástica (VP), (C) limite de escoamento (LE) e (d) força gel (FG) dos fluidos ensaiados. 4. CONCLUSÕES
Observou-se através da análise estatística, que nem a temperatura e nem o tempo de envelhecimento influenciam de forma estatisticamente significativa, ao nível de 95% de confiança, às propriedades reológicas.
O aumento da temperatura favoreceu a maiores valores de VP e LE, nos fluidos submetidos a elevadas temperaturas. Não foram observadas variações significativas no pH dos fluidos com aumento do tempo de envelhecimento e da temperatura. Todos apresentaram valores que oferecem condições ideais para perfuração de poços.
5. AGRADECIMENTOS
À ANP e ao PRH-25, pelo apoio financeiro, ao CNPq, à Empresa Bentonit União Nordeste Ltda – BUN pelo fornecimento da argila bentonítica e ao PeFLab-LABDES pelo uso de suas instalações físicas.
6. REFERÊNCIAS
1. MEDEIROS, B. E. A., BARROS NETO, E. L. E. NETO, A. A. D.,Efeito de viscosificantes e redutores de filtrados na filtração de fluidos de perfuração à base água. Plano de Trabalho de Pesquisa, 2008.
2. SERRA, A. C. S., A Influência de Aditivos de Lama de Perfuração Sobre as Propriedades Geoquímicas de Óleos, Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ/CENPES/PETROBRAS, Rio de Janeiro, Agosto de 2003.
3. THOMAS, J. E. , Fundamentos de engenharia de petróleo, Ed. Interciência, Rio de Janeiro, RJ (2001).
4. LUCENA, D. V., LUCENA, D. V., VERONESE, J. P., Análise da influência do tempo na viscosidade para amostras de bentonitas para seu uso em fluidos de perfuração, VII CONNEPI, 2012.
5. LARSEN, H., Behaviour of polymer muds under high pressure – high temperature conditions, Thesy of Faculty of Engineering and Technology Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics, 2007.
6. DARLEY, H.C.H., GRAY, G.R., CAENN, R., Composition and properties of drilling and completion fluids, 6 Edition, Gulf Publishing Company, 2011. 7. SHIROMA, P. H., Estudo do comportamento reológico de suspensões aquosas de bentonita e CMC: Influência da concentração do NaCl, Dissertação apresentada a escola técnica de São Paulo,2012.
APPLICATION HIGH TEMPERATURES ON CLAYEY FLUIDS AND ITS RELATIONSHIP WITH THE RHEOLOGICAL BEHAVIOR OF FLUIDS
ABSTRACT
The drilling fluid is the most important element in drilling wells operations. Therefore, this study evaluated the influence of aging at room temperature, the high temperature and the concentration of sodium bentonite clay industrialized in rheological properties of clay-rich fluids. A factorial design of type 22 + 3 experiments at the center point was used to assess the influence of the input variables, aging time and temperature on the rheological properties of the fluids. The aging times of 1, 8 and 15 days, and temperatures of 40, 60 and 80 ° C for the test were studied. The fluids were prepared in high speed stirrers according to rules Petrobras, the clay being studied in the concentration of 30g/350mL water. The results showed that the increased temperature reduces viscosity values and that this is sufficient to break the gel fluid.
