DESCONTAMINAÇÃO DE CASCALHOS DE PERFURAÇÃO
UTILIZANDO UM SECADOR MICRO-ONDAS SEMI-INDUSTRIAL
I. J. PETRI, A. ROSSI , C. H. ATAIDE e C. R. DUARTE
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Química E-mail para contato: irineupetri@gmail.com
RESUMO – No processo de perfuração de poços de petróleo os fragmentos de rochas gerados, chamados cascalhos, são levados até a superfície através do fluido de perfuração. A maioria dos fluidos de perfuração são feitos de base sintética e cascalhos contaminados com este tipo de fluido devem ser tratados para que seja possível seu descarte no meio ambiente. A secagem via micro-ondas tem se mostrado promissora, por alcançar teores de contaminantes abaixo de 1%. Neste trabalho foi desenvolvida uma unidade semi-industrial de secagem micro-ondas, que opera em regime contínuo, para descontaminação de cascalhos de perfuração. O equipamento foi testado sob condições reais de operação, utilizando vazões entre 250-750 kg/h e teores inicias de contaminantes entre 7,5-12,5%. Foram testados também cascalhos onshore, cascalhos do pré-sal e cascalhos de formação (contaminadas com petróleo). O equipamento foi capaz de reduzir os teores residuais de contaminantes a níveis abaixo de 0,1% com um gasto de energia comercialmente viável. Mostrou-se eficaz no tratamento de cascalhos do pré-sal com uma eficiência próxima à do cascalho onshore, bem como foi capaz de realizar a descontaminação de cascalhos contaminados com petróleo, sem que houvesse a emissão de poluentes ao meio ambiente.
1. INTRODUÇÃO
No processo de perfuração de poços de petróleo e gás, a broca produz fragmentos de rocha conhecidos como cascalhos. Para que a perfuração possa ocorrer de maneira mais eficiente, o cascalho gerado deve ser removido de dentro do poço. Tal remoção é feita bombeando-se um fluido por dentro da coluna de perfuração, que ao retornar, arrasta até a superfície os cascalhos gerados. Assim, o fluido, juntamente com o cascalho, passa por uma série de operações unitárias visando a separação entre estas duas fases.
Ao chegar à superfície a mistura fluido/cascalho é direcionada para baterias de hidrociclone de diferentes diâmetros de corte e para peneiras vibratórias com diferentes tamanhos de malha. O fluido recuperado no processo é tratado pela centrífuga decantadora e injetado novamente para dentro da coluna de perfuração. O resíduo sólido gerado é direcionado para um equipamento, também chamado secador de cascalhos, que é utilizado para adequar os sólidos provenientes do sistema de controle de
sólidos às leis ambientais, recuperando uma maior quantidade de fluido de perfuração [3]. 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 perfuração de um poço de petróleo, principalmente no mar, é algo extremamente complexo e de custos muito elevados. Como o petróleo está cada vez mais escasso o acesso a ele exige que poços sejam perfurados em condições mais adversas, ou seja, deve se trabalhar com janelas operacionais cada vez mais estreitas. Tornou-se imperativo levar as operações responsáveis pela separação entre fluido e cascalho a um novo patamar de desempenho. Associado a este cenário tem se o crescimento das exigências ambientais impostas à operação de perfuração. Buscando novas alternativas e soluções inovadoras, encontrou-se uma tecnologia eficaz, que vem sendo citada na literatura, para descontaminação de cascalhos que é a secagem por micro-ondas. (PANISSET, 2015)
A tecnologia de aquecimento por micro-ondas faz parte do cotidiano da população há várias décadas, todavia seu uso industrial é menos difundido. Recentemente a pesquisa do uso das micro-ondas tem florescido e a literatura mostra que ela pode ser empregada para diversas finalidades distintas, inclusive para fins industriais. Podem ser encontradas na literatura referências de trabalhos estudando esta tecnologia para: secagem ou desidratação de alimentos; determinação da concentração de mercúrio em tecido biológicos; secagem de madeira; auxiliar na síntese de reações orgânicas; esterilização de lixo hospitalar; produção de carvão vegetal; destilação fracionada; separação de emulsões água/óleo. (SOUZA, 2011; FORTUNY, 2008)
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), Robinson et al. (2009) e passaram a ser estudados mais recentemente por Pereira et al. (2014), Panisset (2014), Santos et al. (2014) e Petri et al. (2015). Os resultados reportados na literatura mostram que esta tecnologia tem potencial para ser utilizada, em escala industrial, na descontaminação de cascalhos de perfuração.
Em virtude disso, a Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia juntamente com a empresa Alliance Innovare e Petrobras S.A. desenvolveram uma unidade micro-ondas de descontaminação de cascalhos de perfuração em escala semi-industrial que opera em regime contínuo. O objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade desta unidade na secagem de cascalhos contaminados com fluido de perfuração base sintética (olefina interna), utilizando cascalhos convencionais de poços terrestres e cascalhos do pré-sal. Além disso, foi analisada também a descontaminação de cascalhos de formação (contaminados com petróleo), já que não existem muitos equipamentos que fazem esse tipo descontaminação a altas vazões, com viabilidade financeira e sem emitir poluentes para atmosfera.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Unidade Experimental
A Figura 1 mostra um esquema da Unidade de Tratamento Micro-ondas em regime Contínuo (UTMC) que apresenta várias unidades emissoras de micro-ondas resultando em uma potência de
saída de 78 kW e cavidade em aço carbono com volume interno de, aproximadamente, 25 m3.
Figura 1 – Esquema da unidade de descontaminação (UTMC) utilizada nos testes.
O cascalho contaminado é alimentado, com o auxílio de uma retroescavadeira hidráulica. Este cascalho desce até a esteira, e com o movimento da mesma, o cascalho passa sob os emissores de micro-ondas e vai aquecendo até atingir a temperatura controle. Ao ser aquecido, a água e a fase orgânica (contaminante) presentes no cascalho, se vaporizam e os gases são succionados até o condensador, que faz a condensação dos mesmos e os descartam para posterior reutilização. Parte do vapor que não é succionado, é condensado nas paredes interiores da cavidade, escoa até a descarga da purga e é recolhida para sua reutilização. O cascalho seco, sobre a esteira, é levado até o final da cavidade é descarregado na caçamba e recebe sua destinação final. O equipamento opera em regime contínuo e quando atinge o estado estacionário são colhidas as amostras de cascalho e líquidos para análise.
2.2. Procedimento Experimental
Os cascalhos utilizados nos ensaios de secagem da UTMC foram oriundos do processo de perfuração de poços de petróleo e doados pela empresa Petrobras S.A.. Estes cascalhos estavam armazenados em bags de 1 m3 cada. Foram testados 3 (três) tipos de cascalho: o cascalho denominado “onshore”, que é um cascalho de origem sedimentar oriundos da perfuração de poços de petróleo em áreas terrestres; o cascalho denominado “evaporito”, que é um cascalho fabricado, a partir de sal marinho, com as mesmas composições salinas dos cascalhos provenientes das perfuração de poços do pré-sal; o “cascalho de formação”, que é um cascalho da matriz rochosa do reservatório de petróleo, apresentando, por essa razão, contaminação com petróleo.
Os cascalhos onshore e evaporito não apresentavam um teor inicial de contaminantes (fase orgânica) próximo ao observado em campo. Por isso foi utilizado um fluido de perfuração, base olefina interna, que foi adicionado ao cascalho para que o mesmo atinjisse o teor inicial de fase orgânica desejado. O fluido utilizado estava armazenado em contentores de 1m3, e após a sua homogeneização, apresentava uma razão óleo/água de 62/38 e um teor de sólidos de 27%.
Para estimar a quantidade de fluido necessário a ser adicionado no cascalho, primeiramente, realizava-se a homogeneização do bag de cascalho. Após o material estar todo homogeneizado, recolhia-se uma amostra de cascalho e fazia-se uma análise, via Retorta Fann, para saber a quantidade de fluido necessário para atingir determinado teor inicial de fase orgânica específico de cada ensaio. Para misturar o cascalho e o fluido, utilizava-se uma betoneira de 400 l. Adicionava-se 200 kg de cascalho nesta betoneira, juntamente com a quantidade de fluido calculada anteriormente. A betoneira realizava a mistura do cascalho e fluido que eram, posteriormente, alimentados na UTMC.
Nos ensaios de secagem foram utilizados cascalhos onshore com um teor inicial de fase orgânica de 7,5, 10 e 12,5% que podem ser vistas na Figura 2.a, 2.b e 2.c, respectivamente. O cascalho evaporito foi testado com um teor inicial de fase orgânica de 7,5% (Figura 2.d) e o cascalho de formação apresentava um teor inicial de petróleo de 6,8% (Figura 2.e).
a) b) c) d) e)
Figura 2 – Amostras de cascalho utilizadas neste trabalho.
2.3. Condições de Operação
Antes de realizar os experimentos deste trabalho, foram realizados vários testes preliminares a fim de otimizar alguns parâmetros operacionais. Com isso a altura da camada de leito adotada nestes testes foi de 90 mm e a pressão relativa da cavidade foi -50 mmH2O. A temperatura de controle foi subdivida em 3 (três) regiões (Figura 1), para os testes com cascalho onshore e evaporito foram utilizadas temperaturas de controle de 200, 220 e 240ºC, para as regiões I, II e III respectivamente. Para os testes com cascalho de formação a temperatura de controle utilizada foi de 300ºC para todas as regiões.
Nos testes de secagem de cascalho onshore, as combinações de vazão de alimentação (250, 500 e 750 kg/h) e teor inicial de fase orgânica no cascalho (7,5, 10 e 12,5%) foram feitas segundo um planejamento experimental a três níveis. Os testes de secagem do evaporito foram realizados variando a vazão em 250, 500 e 750 kg/h com um teor inicial de fase orgânica fixo em 7,5%. O teste com cascalho de formação foi feito a uma vazão de 250 kg/h com teor inicial de petróleo de 6,82%.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 3 mostra os resultados de teores residuais de fase orgânica e a Figura 4 mostra os resultados de energia específica, ambos para os testes realizados com o cascalho onshore. Observando
os resultados da Figura 3, percebe-se que em apenas duas condições 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 houve uma condição em que o teor residual de fase orgânica ficou muito próximo do teor residual de equilíbrio (0,11%) encontrado por Petri et al. (2015). Pode-se julgar que o equipamento desenvolvido trabalhando a uma vazão de processamento entre 250-500 kg/h, consegue manter os níveis de teor mássico de fase orgânica abaixo de 2,7%, o que é cerca de 255% ao estipulado atualmente pela legislação ambiental brasileira (6,9%).
Figura 3 – Teores residuais de fase orgânica dos testes de descontaminação de cascalho onshore. A faixa de gasto energético deste equipamento por kg de cascalho tratado (Figura 4) foi de 0,12 a 0,34 kWh/kg. Comparando o gasto energético da UTMC com o Hammer Mill, que é um equipamento de dessorção termomecânica bastante utilizada na descontaminação de cascalhos de perfuração, temos uma grande semelhança entre os gastos energéticos, pois o Hammer Mill trabalha a um gasto energético entre 0,20-0,28 kWh/kg.
Os resultados de teor residual de fase orgânica nos testes do evaporito são mostrados na Figura 5. Estes resultados indicam que, em todas as condições de vazões, o evaporito apresentou teor residual abaixo do limite imposto pela legislação ambiental brasileira (6,9%). Pelo fato do evaporito ser um sal, o mesmo reage muito fortemente com as micro-ondas, porém durante os testes não foi observada a formação de arcos voltaicos ou sobreaquecimentos dos emissores micro-ondas. Mesmo com as flutuações dos resultados, a secagem do evaporito se mostrou tão promissora quanto à do cascalho onshore (Figura 3). O que sugere que este equipamento é capaz, também, de realizar a descontaminação de cascalho provenientes da perfuração de poços do pré-sal.
7,5 10 12,5 0 2 4 6 8 10 750 500 250 4,5 2,4 0,1 7,4 2,4 0,8 8,0 2,7 2,4 teor inicial fase orgânica [%] te or r esid ual fase or gân ica [ % ] vazão [kg/h]
Figura 4 – Energia específica dos testes de descontaminação de cascalho onshore.
Figura 5 – Teores residuais de fase orgânica dos testes de descontaminação de cascalho evaporito. A Tabela 1 mostra os resultados do teste de descontaminação de cascalhos de formação. Com base nesses resultados, verifica-se que a remoção da água presente no cascalho de formação foi bem eficiente, nas condições operacionais utilizadas, pois foi possível reduzir o teor de água em 99,8% do teor inicial. O cascalho de formação apresentou um teor residual de petróleo médio de 2,45% com um desvio padrão de 2,11%. Esse valor de desvio relativamente alto se dá devido à grande variabilidade de teores iniciais de petróleo presente no cascalho. A descontaminação do mesmo atingiu uma eficiência de remoção 64,1%, um valor mais baixo que a descontaminação de cascalhos onshore nas mesmas condições operacionais (Petri et al., 2015). Isso pode ser justificado pela larga faixa de
7,5 10 12,5 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 750 500 250 0,12 0,22 0,28 0,16 0,21 0,34 0,15 0,23 0,31 teor inicial fase orgânica [%] en er gia esp ec íf ica [kW h /k g] vazão [kg/h] 1,98 4,79 5,59 0 1 2 3 4 5 6 7 8 250 500 750 teo r res idua l fa se o rg â ni ca [% ] vazão [kg/h] teor inicial 7,5%
ebulição do petróleo (~50-680ºC), já que a secagem micro-ondas trabalha com a vaporização da fase orgânica e a temperatura de controle utilizada foi relativamente baixa.
Esses resultados mostram que o equipamento é promissor na descontaminação de cascalhos de formação. Ainda é necessário algumas adaptações para alcançar temperaturas de controle mais altas, que uma vez alcançadas, o equipamento possivelmente obterá uma eficiência de remoção próxima à meta de 99%. Um aspecto importante desses testes com cascalho de formação é que a energia específica (0,31 kWh/kg) e a vazão de processamento (250 kg/h) são bem atrativas e viáveis economicamente. Além do mais, a descontaminação via micro-ondas é vantajosa, pois não emite poluentes à atmosfera.
Tabela 1 – Resultados do teste de descontaminação de cascalhos de formação.
Cascalho Teor inicial
[%] Teor residual [%] Eficiência de remoção [%] Formação Petróleo 6,82 +/-3,44 2,45 +/-2,11 64,1 Água 26,71 +/-2,11 0,06 +/-0,02 99,8
4. CONCLUSÕES
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% menor que o teor atualmente previsto pela legislação brasileira (6,9%, em massa). O equipamento também mostrou ser capaz de reduzir os teores de fase orgânica 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.
O equipamento mostrou flexibilidade de operação, pois conseguiu adequar os cascalhos do pré-sal à legislação ambiental, a uma vazão de 750 kg/h. Além disso, o equipamento mostrou segurança e confiabilidade na operação deste tipo de cascalho.
A inédita descontaminação de cascalhos contaminados com petróleo utilizando as micro-ondas apresentou resultados promissores. O equipamento conseguiu remover cerca de 64% de petróleo do cascalho, a uma vazão de 250 kg/h e energia específica de 0,31 kWh/kg. A alta vazão e a energia específica relativamente baixa deste teste mostrou a viabilidade da tecnologia para este tipo de operação. Foi constatado que a temperatura de controle utilizada estava aquém do necessário, por isso após algumas modificações estruturais, espera-se chegar a recuperações próximas a 99%.
Em suma, o secador micro-ondas escala semi-industrial desenvolvido conseguiu obter teores abaixo do previsto pela legislação e, em algumas condições, 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 mostrou a eficácia da tecnologia em descontaminar diferentes cascalhos de perfuração. Serão feitas algumas melhorias estruturais, e após isso, espera-se que o equipamento consiga trabalhar com uma temperatura de controle maior, obtendo teores residuais próximos ao de equilíbrio, com uma vazão maior e gasto energético menor.
5. REFERÊNCIAS
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PEREIRA, M. S.; PANISSET, C. M. A.; MARTINS, A. L.; SÁ, C. H. M.; BARROZO, M. A. S.; ATAÍDE, C. H.; Microwave treatment of drilled cuttings contaminated by synthetic drilling fluid. Sep. and Purif. Technol., v. 124, p. 68-73, 2014.
PETRI, I. J.; PEREIRA, M. S.; SANTOS, J. M.; DUARTE, C. R.; ATAÍDE, C. H.; PANISSET, C. M. A.; Microwave remediation of oil well drill cuttings. J. Pet. Sci. Eng., v. 134, p. 23-29, 2015. ROBINSON, J. P., KINGMAN, S. W., SNAPE, C. E., BARRANCO, R., SHANG, H., BRADLEY, M. S. A., BRADSHAW, S. M., Remediation of oil-contaminated drill cuttings using continuous microwave heating, Chem. Eng. J., v. 152(2), p. 458-463, 2009.
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SHANG, H., SNAPE, C. E., KINGMAN, S. W., ROBINSON, J. P., Treatment of oil-contaminated drill cuttings by microwave heating in a high-power single-mode cavity, Ind. Eng. Chem. Res., v. 44(17), p. 6837-6844, 2005.
SOUZA, R. O. M. A.; MIRANDA, L. S. M. Irradiação de micro-ondas aplicada à síntese orgânica: uma história de sucesso no Brasil. Química Novas, volume 34 (2011), 497-506.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores deste trabalho agradecem o apoio técnico-financeiro da PETROBRAS, CAPES, CNPQ e FAPEMIG (EV/PCE/00068-16), fornecido para a execução deste trabalho.
