DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE PETRÓLEO CURSO DE ENGENHARIA DE PETRÓLEO
ANNA BEATRIZ GARCIA TRAJANO DE SÁ BÁRBARA SARGES MARRUAZ SERRUYA
O USO DE NANOPARTÍCULAS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO Niterói, RJ 2021
ANNA BEATRIZ GARCIA TRAJANO DE SÁ BÁRBARA SARGES MARRUAZ SERRUYA
O USO DE NANOPARTÍCULAS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Petróleo da Escola de Engenharia da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Petróleo
Orientador:
Prof. Dr. Victor Rolando Ruiz Ahón Coorientador:
Prof. Dr. Geraldo de Souza Ferreira
Niterói, RJ 2021
AUTORIZAMOS A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
FICHA CARTALOGRÁFICA GERADA EM:
AGRADECIMENTOS
ANNA BEATRIZ GARCIA TRAJANO DE SÁ
Agradeço aos meus pais, Carlos e Carla, e à minha irmã, Amanda, por todo suporte e incentivo que me deram, tanto no âmbito pessoal, como também no profissional. Além de serem a minha inspiração em todos os momentos da minha vida, sem eles, eu não seria quem sou hoje.
Às minhas amigas de infância, Nina e Lia, pela parceria, pela amizade, por todas as risadas e conselhos. Sei que sempre estarão ao meu lado.
Aos meus amigos e colegas do curso de Engenharia de Petróleo: Donald, Jean, Maria, Priscilla, Clara, Bruno e Higor. Tenho a certeza de que serão profissionais muito dedicados e competentes.
Agradeço em especial, à minha amiga Bárbara, por ter escrito este trabalho comigo com tanta dedicação e carinho. Além de ser a minha dupla, também se tornou uma amiga para vida. Espero que ainda possamos trabalhar juntas, agora, como engenheiras.
Aos orientadores, Dr. Victor Rolando Ruiz Ahón e Dr. Geraldo de Souza Ferreira, por serem sempre tão solícitos e acompanharem todas as etapas de construção desta monografia. Também serei eternamente grata aos excelentes professores: Rogério Fernandes de Lacerda, Alfredo Moisés Vallejos Carrasco, João Crisósthomo Queiroz Neto e João Felipe Mitre de Araujo. As aulas ministradas por vocês me fizeram amar ainda mais a Engenharia de Petróleo.
Agradeço também à ANP, em especial à Superintendência de Exploração (SEP), por toda a experiência que adquiri ao longo do meu estágio, e ao meu supervisor, Rafael Cardoso, por todos os seus ensinamentos, pelo suporte e pelo carinho, além de chefe, se tornou um grande amigo.
Por fim, sou muito grata por tudo e por todos que me acompanharam e me incentivaram! A Engenharia de Petróleo não é fácil, mas vocês a tornaram mais leve e divertida!
AGRADECIMENTOS
BÁRBARA SARGES MARRUAZ SERRUYA
Primeiramente agradeço as mulheres que me inspiram constantemente a ser quem eu sou, a minha mãe Klena e minha avó Naná., sem elas eu não estaria onde estou. Elas foram os pilares da minha educação e o são o meu incentivo para continuar batalhando por meu lugar no mundo.
Além disso, sou muito grata por ter o suporte da minha família nessa jornada. Meu irmão Henrique e meu padrasto Alcyr que me acompanharam de perto na jornada que trilhei na UFF, os meus avós (Harry, Ana e Kleber) e ao meu pai Enio que sempre me apoiaram e torceram pelas minhas vitórias.
Também agradeço a minha Tia Keyla, Tio Vitor, Bento e Joaquim por todo o suporte que me deram quando eu precisei me mudar para Campos dos Goytacazes/Macaé e eles eram a única família/suporte que tinha por perto.
Agradeço a Universidade Federal Fluminense (UFF) que me acolheu tão bem após minha transferência e foi essencial para minha formação acadêmica. Aos professores que nos forneceram tanto conhecimento mesmo em tempos difícil como a pandemia, principalmente Professor Geraldo que foi a pessoa que nos incentivou a começar esse projeto através de um artigo e nos ajudou durante esse percurso e ao Professor Victor que se tornou um mentor para mim após me ajudar em tantos projetos importantes como esse TCC, o SPE e a PetroUFF.
Ao SPE, que foi o projeto me deu a oportunidade desenvolver habilidades além do ensinado na Universidade e me ajudou a trilhar meu caminho profissional.
A Hillel Rio, ANP e CompliAsset pela oportunidade de crescimento profissional e conhecimento fora da academia.
Aos meus amigos (Marina S., Vanessa, Julia M., Stephani, Thiago, Rita, Thais, Larissa, Nathalia, Marina A., Julia B.) por todo apoio durante a graduação. Especialmente a Anna, a minha dupla neste trabalho, que me ajudou muito no âmbito profissional e pessoal e que eu espero levar essa amizade para a vida.
Agradeço a todos que cruzaram meu caminho e me ajudaram durante esta graduação.
E por fim, aos meus gatos (Merida, Mingau e Ozzy), a Florzinha e as músicas da Taylor Swift e Ed Sheeran que me acompanharam por muitas noites e madrugadas quando estava escrevendo este trabalho.
RESUMO
A necessidade de aumentar a produção na indústria de petróleo incentiva o desenvolvimento e o uso de novas tecnologias neste setor, como o uso de nanopartículas (NPs). Com base nesse cenário, cresce o número de estudos e aplicações que buscam avaliar as potencialidades de seu uso. Nesse sentido, no presente trabalho é apresentada uma revisão bibliográfica acerca dos conceitos básicos para o entendimento da nanotecnologia e as suas aplicações no setor petrolífero. Também foi apresentada a modelagem matemática do escoamento de nanofluidos em meios porosos com o intuito de contemplar e avaliar a complexidade de suas variáveis (viscosidade, permeabilidade e porosidade). Além disso, para ilustrar os resultados promissores advindos do uso da nanotecnologia em um campo de produção, foi realizado o estudo de caso nos Campos de Castilla, Chichimene e Cupiagua, localizados na Colômbia. Por fim, foram apresentadas as análises que podem ser feitas com relação aos seus custos e impactos, além da falta de projetos e perspectivas para o seu uso no Brasil. Dessa forma, este trabalho visa enfatizar a importância dessa nova tecnologia por meio de suas aplicações na Engenharia de Petróleo, mostrando a relevância conceitual e matemática para sua aplicabilidade na época atual e futura.
Palavras-chave: Petróleo. Tecnologia. Nanotecnologia. Campos na Colômbia. Nanofluidos. Nanopartículas.
ABSTRACT
Facing the need to increase production in the petroleum industry new technologies are being used in the sector, such as nanoparticles (NPs). Based on this scenario, the number of studies and applications that seek to evaluate the potential of such technologies increases. Therefore, this work presents a bibliographical review about the basic concepts for understanding nanotechnology and its applications in the oil sector. A mathematical modeling of the nanofluids flow in porous media was also presented in order to analyze and evaluate the complexity of its variables (viscosity, permeability and porosity). In addition, to illustrate the promising results from the use of nanotechnology in a field production, a case study from Fields of Castilla, Chichimene and Cupiagua, located in Colombia, is here presented. Finally, the analyzes that can be made regarding the cost of nanotechnology and its impacts were discussed, as well as the lack of projects and perspectives for its use in Brazil. Thus, this work aims to emphasize the importance of this new technology through its applications in the Petroleum Engineering, showing the conceptual and mathematical relevance for its applicability in the current and future times.
Keywords: Petroleum. Technology. Nanotechnology. Colombia Fields. Nanofluids. Nanoparticles.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1-ESCALA NANOMÉTRICA ... 5
FIGURA 2-TIPOS DE NANOESTRUTURA ... 6
FIGURA 3-DIMENSÕES DE NANOESTRUTURAS ... 7
FIGURA 4-(A)SUPERFÍCIE RUGOSA E (B)SUPERFÍCIE REVESTIDA COM NPS ... 8
FIGURA 5 - PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM A CONDUTIVIDADE TÉRMICA EFETIVA DOS NANOFUIDOS ... 8
FIGURA 6-PROCEDIMENTO ESQUEMÁTICO DA PREPARAÇÃO DE NANOFLUIDOS (TWO -STEPS) ... 9
FIGURA 7- PROCEDIMENTO ESQUEMÁTICO DA PREPARAÇÃO DE NANOFLUIDOS (ONE -STEP) ... 10
FIGURA 8-NANOSENSOR IMPLANTADO NA ROCHA ... 11
FIGURA 9-NANOMEMBRANA DE OURO (AU) ... 13
FIGURA 10 - GRÁFICO DO NÚMERO DE PUBLICAÇÕES AO LONGO DOS ANOS NO PORTAL CAPES(NANOTECHNOLOGY) ... 14
FIGURA 11 - GRÁFICO DO NÚMERO DE PUBLICAÇÕES AO LONGO DOS ANOS NO PORTAL ONEPETRO (NANOTECHNOLOGY) ... 15
FIGURA 12 - GRÁFICO DO NÚMERO DE PUBLICAÇÕES AO LONGO DOS ANOS NO PORTAL CAPES(NANOPARTICLE/PETROLEUM/OIL FIELD/GAS FIELD) ... 16
FIGURA 13 - GRÁFICO DO NÚMERO DE PUBLICAÇÕES AO LONGO DOS ANOS NO PORTAL ONEPETRO (NANOPARTICLE/PETROLEUM/OIL FIELD/GAS FIELD) ... 16
FIGURA 14 - GRÁFICO DO NÚMERO DE PUBLICAÇÕES AO LONGO DOS ANOS NO PORTAL ONEPETRO (NANOFLUIDS) ... 17
FIGURA 15 -ESQUEMA DA GERAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO SECUNDÁRIO POR UMA FONTE CONDUTORA OU PARAMAGNÉTICA, CAUSADA POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA ... 19
FIGURA 16-ESQUEMA DA ENTREGA DIRECIONADA PARA AS INTERFACES ÓLEO E/OU ÁGUA NO RESERVATÓRIO ... 19
FIGURA 17 - A) EXEMPLOS DE BOLAS DE ASSENTO FEITAS COM NANOCOMPOSTOS E B) ESQUEMA DO SISTEMA DE FRATURA MÚLTIPLA ... 24
FIGURA 18-ESQUEMA DO PROCESSO DE SEPARAÇÃO DOS POLÍMEROS DA ÁGUA PRODUZIDA UTILIZANDO MNPS ... 25
FIGURA 20- A) ÂNGULO DE CONTATO EM UM CONJUNTO ROCHA - ÓLEO - AR ANTES DA INJEÇÃO DO NANOFLUIDO, B) ÂNGULO DE CONTATO APÓS A INJEÇÃO, C) ÂNGULO DE CONTATO EM UM CONJUNTO ROCHA - ÁGUA - AR ANTES DA INJEÇÃO DO NANOFLUIDO E D) ÂNGULO DE CONTATO APÓS A INJEÇÃO... 30
FIGURA 21-OS TRÊS MECANISMOS DE FILTRAGEM CONSIDERADOS ... 31
FIGURA 22 - ILUSTRAÇÃO ESQUEMÁTICA DE NPS EM COLISÃO (A) E OS MECANISMOS DE INTERAÇÃO COM O MEIO POROSO (B-E) ... 32
FIGURA 23-LOCALIZAÇÃO DO CAMPO DE CASTILLA ... 42
FIGURA 24– A)DANO POR EFEITO DE PELÍCULA E B)BOPD DO POÇO CNA ... 43
FIGURA 25– A)VISCOSIDADE DO FLUIDO PRODUZIDO E B)CONCENTRAÇÃO RESIDUAL DE NPS NO POÇO CNA ... 44
FIGURA 26-LOCALIZAÇÃO DO CAMPO DE CHICHIMENE ... 45
FIGURA 27- A)DANO POR EFEITO DE PELÍCULA E B)BOPD DO POÇO CHA ... 46
FIGURA 28- A)VISCOSIDADE DO FLUIDO PRODUZIDO E B)CONCENTRAÇÃO RESIDUAL DE NPS NO POÇO CHA ... 46
FIGURA 29-LOCALIZAÇÃO DO CAMPO DE CUPIAGUA SUR ... 47
FIGURA 30 – PRODUÇÃO DE ÓLEO DO POÇO CPSXL4 ANTES E DEPOIS DA INJEÇÃO DE NANOFLUIDO ... 48
LISTA DE TABELAS
TABELA 1-PROPRIEDADES PETROFÍSICAS DO CAMPO DE CASTILLA ... 42
TABELA 2-PROPRIEDADES PETROFÍSICAS DO CAMPO DE CHICHIMENE ... 44
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
bbl Barril
bopd Barrels Of Oil Per Day BSW Basic Sediment and Water
CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
cP Centipoise
EOR Enhanced Oil Recovery MNPs Magnetic Nanoparticles
MPa MegaPascal
mD MiliDarcy
nm Nanômetros
NPs Nanopartículas
LISTA DE SÍMBOLOS
𝑠 Área da superfície específica total das nanopartículas, cm2 /cm3
𝑠𝑣 Área da superfície específica do meio poroso, cm2 /cm3
𝛽 Coeficiente da área de superfície
𝐷 Coeficiente de dispersão das nanopartículas, m2.s−1
𝐶 Concentração de nanopartículas, m3.m−3
𝐾𝐵 Constante de Boltzmann, , m2.kg.s-2.K-1
𝑘𝑓 Constante para infiltração de fluidos no meio poroso 𝛼 Constante da taxa, m−1
𝑎, 𝑏, 𝑐 Constantes para correlações de pressão capilar, Pa 𝑑𝑖 Diâmetro em um intervalo 𝑖, m
𝐷𝑝.𝑎𝑣𝑔 Diâmetro médio das nanopartículas, m 𝑥 Distância, m
𝑓 Fator de eficiência de fluxo
𝐾 Permeabilidade absoluta do meio poroso, m2
𝐾𝑒 Permeabilidade efetiva, m2
𝐾𝑟 Permeabilidade relativa
∅ Porosidade absoluta do meio poroso
𝑃 Pressão, Pa
𝑆 Saturação
𝑅 Taxa líquida de perda de nanopartículas, m3.m−3 .s−1
𝑇 Temperatura absoluta do meio, K 𝑢 Velocidade do fluido, m.s−1
𝜇 Viscosidade do fluido, Pa.s
𝑉 Volume total de nanopartículas retidas pelo Volume total do meio poroso, m3.m−3
𝑉𝑖,𝑙 Volume de nanopartículas de composição 𝑖 na fase 𝑙 depositadas na superfície dos poros pelo Volume total do meio poroso, m3.m−3
𝑉𝑖,𝑙∗ Volume de nanopartículas de composição 𝑖 retidas na garganta dos poros na fase 𝑙 pelo Volume total do meio poroso, m3.m−3
LISTA DE SUBSCRITOS 𝑤 água 𝑒 arraste 𝑛 composição ou índice 𝑖 composição ou intervalo 𝑑 deposição 𝑙 fase
𝑝𝑡 garganta dos poros 𝑖𝑛 injetado
𝑖 intervalo
𝑜 óleo
𝑟 relativa
𝑡 tempo
𝑐 valor crítico ou pressão capilar 0 valor inicial
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. Motivação e Relevância... 1 1.2. Objetivos e Metodologia ... 2 1.3. Estrutura do Trabalho ... 3 2. CONCEITOS GERAIS ... 5 2.1. Nanotecnologia: O que é? ... 5 2.2. Nanoestruturas ... 6
2.3. Nanofluidos (Fluidos Inteligentes) ... 7
2.4. Nanosensores ... 10
2.5. Nanomembranas ... 12
2.6. Os Desafios da Nanotecnologia ... 13
2.7. Panorama da Nanotecnologia no Mundo ... 14
3. NANOTECNOLOGIA: APLICAÇÃO NA ENGENHARIA DE PETRÓLEO ... 18
3.1. Caracterização de Reservatórios ... 18
3.2. Perfuração e Completação ... 20
3.2.1. Fluidos de Perfuração ... 21
3.2.2. Revestimentos Inteligentes ... 22
3.2.3. Cimentação ... 23
3.2.4. Materiais Nanoestruturados de Alta Resistência ... 23
3.2.5. Fluidos de Fraturamento ... 24
3.3. Produção ... 25
3.4. Métodos de Recuperação Avançada ... 26
4. ESCOAMENTO DE NANOPARTÍCULAS EM MEIOS POROSOS ... 28
4.1. Fundamentos das Propriedades dos Fluidos e do Meio Poroso ... 28
4.1.1. Propriedades dos Fluidos ... 28
4.1.3. Propriedades da Interação Rocha-Fluido ... 29
4.2. Filtração de Nanopartículas ... 31
4.3. Adsorção de Nanopartículas ... 32
4.4. Modelagem Matemática do Transporte de Nanopartículas no Meio Poroso 33 4.4.1. O Transporte de Líquidos no Meio Poroso ... 33
4.4.2. O Transporte de Nanopartículas em um Líquido no Meio Poroso . 34 4.4.3. A Taxa de Perda Líquida de Nanopartículas no Escoamento de Fluidos em um Meio Poroso ... 35
4.4.4. Análise da Porosidade e da Permeabilidade Absoluta... 37
4.4.5. Análise da Permeabilidade Relativa... 37
4.4.6. Solução do Modelo Matemático ... 39
5. ESTUDOS DE CASO FOCANDO EM EOR ... 41
5.1. Campo de Castilla ... 41
5.2. Campo de Chichimene ... 44
5.3. Campo de Cupiagua Sur ... 47
5.4. Aplicação no Brasil ... 49
6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 51
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 53
APÊNDICE A – Artigo aceito e apresentado no III Congresso Nacional de Engenharia de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis ... 59
1. INTRODUÇÃO
A seguir será apresentada a motivação e relevância do presente trabalho, além de seus objetivos e metodologia. A estrutura também será apresentada a fim de contemplar, de forma resumida, os temas que serão abordados em cada Capítulo.
1.1. Motivação e Relevância
A motivação inicial para esta monografia surgiu a partir da elaboração de um artigo cujo conteúdo foi aceito e apresentado no III Congresso Nacional de Engenharia de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, realizado em Salvador dos dias 8 a 10 de agosto de 2018 (ver Apêndice A).
O termo “nanotecnologia” foi inicialmente abordado em 1959 por Richard Feynman e, posteriormente, por Norio Taniguchi em 1974 (TANIGUCHI, 1974). Ambos a definiram como uma tecnologia de produção que envolve o processo de separação, consolidação e deformação de materiais com alta precisão e em dimensões ultrafinas, na ordem de grandeza de 1 a 100 nanômetros (1 nm = 10-9 m) (ALSABA et al., 2020).
A nanotecnologia vem sendo utilizada em diferentes indústrias, incluindo a de alimentos, a de saúde, eletrônica etc. Uma dessas indústrias é a de óleo e gás, onde a sua implementação abrange diferentes setores, tanto o upstream como o downstream. No entanto, por ser uma tecnologia ainda pouco estudada e empregada nessa indústria, algumas questões costumam ser levantadas, como por exemplo: Por que o uso de nanopartículas (NPs)? O que torna o seu uso melhor do que a solução convencional? De forma resumida, as justificativas estão atreladas ao seu tamanho, que as torna capazes de interagir melhor com o meio e auxilia o transporte das mesmas dentro de um reservatório (FAKOYA e SHAH, 2017).
Sendo assim, diante do cenário global do setor petrolífero em que se observa o grande desafio para produção de petróleo e gás devido ao amadurecimento de campos em produção e, em contrapartida, a crescente demanda por energia, surge a necessidade do uso da nanotecnologia frente às suas vantagens (IRFAN et al., 2019). Para isso, torna-se fundamental o incentivo de pesquisas e investimentos nesse setor, e embora o seu custo seja elevado e os impactos ambientais ainda sejam desconhecidos, a aplicação ótima da nanotecnologia se torna possível a partir de
testes, não apenas laboratoriais, mas também em campos de produção. Dessa forma, é necessária a revisão de conceitos gerais para entender melhor as suas aplicações e o seu comportamento em um reservatório, sejam por meio da modelagem matemática ou pelos resultados promissores em campos de produção após o seu uso.
1.2. Objetivos e Metodologia
O objetivo desta monografia é avaliar o uso da nanotecnologia na indústria de petróleo, com o intuito de trazer ao conhecimento público a utilização e relevância dessa tecnologia.
Objetivos específicos:
• Realizar a revisão bibliográfica de conceitos e definições que tangem a nanotecnologia sob a ótica da Engenharia de Petróleo;
• Apresentar as suas aplicações na indústria de petróleo;
• Introduzir a modelagem matemática do escoamento de NPs em um meio poroso;
• Avaliar o emprego de nanofluidos em campos de produção.
A revisão da literatura foi realizada de abril a dezembro de 2020 nas plataformas OnePetro e no portal de periódicos da CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior). Os principais descritores usados foram: nanotechnology, nanoparticle, oilfield, petroleum. É importante ressaltar que descritores em português não foram utilizados por conta de poucas publicações brasileiras a respeito do tema principal desta monografia.
Através da pesquisa realizada vários estudos foram identificados e, dentre eles, 10 artigos foram priorizados por englobar de forma detalhada os descritores principais. As pesquisas restantes também foram fundamentais para aderir informações aos subtópicos, embora abordassem apenas assuntos relacionados a uma das palavras-chave utilizadas.
1.3. Estrutura do Trabalho
Incluindo este Capítulo introdutório, o qual é explicitada a motivação e a relevância deste projeto, além de seu objetivo e estrutura, é importante ressaltar que este trabalho está estruturado em 6 Capítulos, que seguem a seguinte divisão e sequência:
No Capítulo 2 deste trabalho são apresentados conceitos gerais associados à temática em estudo. Conceitos básicos importantes para a nanotecnologia são explicitados, tais como as NPs, nanoestruturas, nanofluidos, nanosensores e nanomembranas. Os desafios atrelados ao uso da nanotecnologia e um panorama mundial, mostrando o aumento no número de publicações sobre o tema ao longo dos anos, também é apresentado.
No Capítulo 3, aplicações da nanotecnologia no âmbito da Engenharia de Petróleo são abordadas. Neste Capítulo é possível ter um melhor entendimento em quais etapas da cadeia de produção ela pode ser utilizada, como por exemplo na Exploração, Perfuração, Completação, Cimentação e como Método de Recuperação Avançada (EOR – Enhanced Oil Recovery).
No Capítulo 4, os fundamentos das propriedades dos fluidos, das rochas e da interação rocha-fluido são contemplados para facilitar o entendimento da modelagem matemática do escoamento de nanofluidos em meios porosos, também abordada neste Capítulo. Na modelagem matemática são apresentadas as equações necessárias e suas principais variáveis para empregar a metodologia IMPES (Implicit Pressure Explicit Saturation), como forma de solucionar o modelo matemático.
No Capítulo 5 são apresentados os estudos de caso, focados em EOR, nos Campos de Castilla, Chichimene e Cupiagua, localizados na Colômbia. A partir desses estudos, são analisados os resultados após a injeção de nanofluidos em cada campo, onde foi possível observar o aumento na taxa de óleo diária e da permeabilidade, e redução do BSW, do fator de película e da viscosidade. Os resultados de cada campo também são discutidos, já que os nanofluidos não possuíam a mesma composição nos três casos.
O Capítulo 6 conclui o projeto, apresentando a importância que se deve dar à nanotecnologia na Engenharia de Petróleo, diante de sua ampla aplicação e dos resultados observados no Capítulo anterior. Algumas sugestões são consideradas
para trabalhos futuros baseados na falta de estudos avaliando o custo de sua utilização e os impactos gerados. Além disso, também é feita uma crítica voltada para o pouco incentivo do uso dessa tecnologia no Brasil.
2. CONCEITOS GERAIS
O estudo da nanotecnologia possui particularidades e, portanto, apresenta complexidades com relação ao entendimento de alguns conceitos. Neste Capítulo são apresentados conceitos e definições para o entendimento dessa área.
2.1. Nanotecnologia: O que é?
A Nanotecnologia lida com a caracterização, produção e aplicação de materiais e dispositivos modelados em escalas nanométricas (CHERAGHIAN e HENDRANINGRAT, 2015). Nesse contexto, nanomateriais possuem o tamanho de 1 a 100 nanômetros, como pode-se observar na Figura 1. Vale ressaltar que os nanomateriais possuem propriedades óticas, eletrônicas e mecânicas exclusivas, com aplicações práticas em diversos setores industriais.
Figura 1 - Escala Nanométrica
Fonte: Adaptado de Innovative Medical Research at the Molecular Scale (National Cancer Institute, 2008)
Embora essa ainda seja uma tecnologia pouco aplicada na indústria petrolífera, torna-se fundamental o seu conhecimento diante da necessidade de aumentar e melhorar as áreas de exploração, perfuração, produção e refino.
Algumas aplicações referentes à Engenharia de Petróleo estão presentes nas próximas Seções deste Capítulo e serão discutidas de forma mais direcionada, a respeito da utilização de nanofluidos, nos Capítulos posteriores.
2.2. Nanoestruturas
Nanoestruturas são estruturas de tamanho intermediário na escala nanométrica, ou seja, entre o nível atômico e microscópico, com ordem de grandeza de 10 a 100 nanômetros.
De acordo com Santos (2002), como consequência de suas dimensões extremamente reduzidas, as nanoestruturas possuem uma grande quantidade volumétrica de contorno de grãos ou interfaces, chamadas de cristalitos. Dessa forma, torna-se possível a alteração de suas propriedades físico-químicas com facilidade.
Além disso, os diversos tipos de nanoestruturas podem ser classificados de acordo com o formato dos cristalitos ou pela sua composição química. É possível verificar cada categoria na Figura 2.
Fonte: Adaptado de Santos (2002)
Quando se avalia o dimensionamento nanoestrutural, elas podem ser chamadas de poços quânticos (duas dimensões), unidimensionais (uma dimensão) e pontos quânticos (dimensão zero) (LIMA, 2008). A Figura 3 ilustra cada tipo.
Figura 3 - Dimensões de Nanoestruturas
Fonte: Reimer et al. (2019)
É fundamental ressaltar que a partir da manipulação das nanoestruturas são formulados os nanofluidos, nanosensores e nanomembranas, que posteriormente podem vir a ser empregados em diferentes setores da indústria petrolífera.
2.3. Nanofluidos (Fluidos Inteligentes)
Os nanofluidos são suspensões coloidais feitos com NPs e possuem um fluido como base. Vale ressaltar que quem irá determinar o tipo de nanofluido produzido e as diferenças entre cada um são as NPs adicionadas a esse fluido (HOLKAR et al., 2018).
Além disso, eles também podem ser caracterizados com relação ao tipo de NPs, sendo classificados como nanofluidos simples, de material único, ou híbridos. Com relação aos simples, do ponto de vista de muitos autores, eles possuem um desempenho superior devido às propriedades termofísicas mais favoráveis do que os fluidos de base. Já os híbridos são feitos por meio de uma combinação de mais de um tipo de NPs com o intuito de melhorar a condutividade térmica do fluido (ALI et al., 2018).
Do ponto de vista funcional, espera-se que a sua capacidade seja significativamente maior, já que a alta proporção entre a área de superfície e o volume que as NPs possuem, colaboram para que o nanofluido tenha maiores interações com o meio que ele será utilizado (AMANULLAH e AL-TAHINI, 2018). Na Figura 4 é possível observar a aderência de um nanofluido em uma superfície rugosa, ilustrando a propriedade anteriormente citada.
Diante desse contexto, os nanofluidos possuem uma alta condutividade térmica quando comparados aos seus fluidos de base, o que se torna uma grande vantagem, já que dessa forma ele é utilizado em pequenas concentrações, reduzindo o custo global do fluido. A Figura 5 destaca os principais parâmetros que influenciam a condutividade térmica efetiva de qualquer nanofluido.
Figura 5 - Parâmetros que influenciam a condutividade térmica efetiva dos nanofuidos
Fonte: Adaptado de Ali et al. (2018)
Segundo Ali et al.(2018), existem diversas combinações de NPs e fluidos de base para a produção de fluidos heterogêneos. As NPs mais usadas para a formulação de nanofluidos são:
Fonte: Adaptado de Ali et al. (2018)
• Metálicas: Cobre (Cu), Prata (Ag), Ferro (Fe), Titânio (Ti); • Semimetálicas: Al (Alumínio), Silício (Si), Zinco (Zn); • Ametais: Grafite / Nanotubos de Carbono/ Diamante;
E os fluidos de base podem ser: • Água;
• Etileno glicol (EG);
• Óleo e outros lubrificantes.
De acordo com Yu e Xie (2011), no âmbito da síntese dos nanofluidos, existem dois métodos para a sua obtenção.
O primeiro método, chamado Two-Steps, ultiliza as NPs como pós secos, obtidos por meio de processos físicos e químicos. Feito isso, esse pó será disperso no fluido de base por meio de agitação magnética, ultrassônica, homogeneização, entre outros. O processo pode ser observado na Figura 6. Além disso, esse é o método mais econômico para produção de nanofluidos em grande escala, e a sua principal desvantagem é a agregação de NPs, ou seja, o nanofluido produzido é considerado metaestável.
No segundo método, One-Step, há uma melhoria com relação a agregação das NPs, em que elas são feitas e dispersas de forma simultânea, por meio de uma única etapa, como ilustra a Figura 7. O processo mais utilizado consiste na evaporação direta das NPs, que após o aquecimento serão dispersas no fluido de base. Dessa forma, os processos de secagem, armazenamento e transporte das NPs não é feito, aumentando a estabilidade do fluido produzido (YU e XIE, 2011). Contudo, torna-se
Figura 6 - Procedimento esquemático da preparação de nanofluidos (Two - Steps)
difícil descartar os possíveis contaminantes presentes no nanofluido após a sua estabilização e o seu custo é maior, dificultando assim a produção em grande escala por esse método.
É importante salientar que como o processo de obtenção dos nanofluidos é feito majoritariamente em laboratório, sem interferências de fenômenos naturais, isso irá permitir o ajuste das propriedades físicas e químicas das NPs que os compõem. Com isso, torna-se possível atender os requisitos operacionais, ambientais e técnicos para o seu uso. Dessa forma, essa autonomia em sua produção irá caracterizá-los como smart fluids ou fluidos inteligentes (AMANULLAH e AL-TAHINI, 2018).
Um exemplo prático das funcionalidades dos nanofluidos é na área de perfuração de poços de petróleo, em que há a redução de sólidos e resíduos químicos do fluido de perfuração por conta da presença de NPs em sua composição. Também é possível utilizá-los em métodos de recuperação avançada (EOR - Enhanced Oil Recovery) nos reservatórios de petróleo, já que eles são capazes de aprimorar as propriedades reológicas dos surfactantes, diminuindo mais ainda a tensão interfacial entre o surfactante e o óleo (SULEIMANOV et al., 2011).
2.4. Nanosensores
Sensores são basicamente dispositivos que convertem uma medição em um sinal que transporta as informações. Segundo Dahman et al. (2017), no caso de
Figura 7 - Procedimento esquemático da preparação de nanofluidos (One - Step)
nanosensores, eles possuem um tamanho de 10 a 100 nm sendo basicamente utilizados para transmitir informações sobre as NPs para o mundo macroscópico.
Dentre os seus diferentes tipos, existem os óticos, biológicos, químicos e físicos, cada um com as suas particularidades e diferentes funções. De acordo com Wiesendanger (1995), um nanosensor é definido como um sensor que preenche pelo menos um dos três requisitos a seguir:
• A sensibilidade do sensor está em nanoescala (por exemplo, sensores de energia apresentaram os seus dados na ordem dos nanowatts);
• A distância espacial do sensor com o objeto está na escala de nanômetros; • O tamanho do sensor está na escala de nanômetros.
Um exemplo é apresentado na Figura 8, em que um nanosensor é implantado em uma amostra de rocha com o intuito de obter melhores informações acerca de sua litologia, ponto fundamental na Engenharia de Reservatórios. Nesse caso, é importante ressaltar que além de ter o tamanho certo e compatível com a distribuição de poros da rocha, os nanosensores devem resistir às mudanças das propriedades físicas do reservatório, sendo capazes de produzir, ao mesmo tempo, parâmetros sensíveis desse meio (AYATOLLAHI e ZERAFAT, 2012).
Fonte: Ayatollahi e Zerafat (2012)
Em comparação aos sensores já existentes, os nanosensores são pequenos e leves. Além disso, possuem maior sensibilidade, seletividade e tempo de resposta das informações mais curto.
Segundo Dahman et al. (2017), para a sua fabricação são empregados diversos tipos de métodos, com destaque para os seguintes: Top Down Lithography e Bottom - Up Assembly.
No caso do método Top Down Lithography, são depositadas camadas de materiais por meio de métodos físicos ou químicos para criar a nanoestrutura desejada. Esse processo é similar ao de esculpir uma estátua a partir de um bloco de mármore, onde é possível modificar a sua forma de acordo com a necessidade. Dentre as principais desvantagens dessa metodologia estão o excesso de material necessário para a sua produção, gerando desperdício, alto custo e, por ser um processo lento de fabricação, não é adequado para produção em larga escala.
Com relação ao Bottom - Up Assembly, a etapa para a fabricação dos nanosensores se inicia com pequenos componentes (moléculas, NPs) que depois são reunidos para criar a estrutura desejada. Essa “união” é feita por montagem automática, tornando-se um processo mais barato que o anterior, embora também possa ser demorado.
2.5. Nanomembranas
As nanomembranas são materiais que possuem sua espessura em nanoescala, embora as suas dimensões laterais sejam macroscópicas. Elas podem ser feitas de materiais inorgânicos, orgânicos e metálicos (JIA et al., 2019).
Em sua grande maioria, elas são fabricadas por camadas. Utiliza-se a metodologia chamada de Layer-by-Layer (LbL), em que há o controle preciso da composição da membrana e a possibilidade de adição de novos componentes. Esses elementos podem ser NPs ou nanotubos, que posteriormente irão se adaptar às propriedades eletrônicas, mecânicas e óticas das nanomembranas. Dentre as limitações de seu uso, destacam-se: a incrustação e a estabilidade, que variam de acordo com a composição da nanomembrana e de sua limpeza (KUMAR et al., 2014).
A Figura 9 representa um esquema do processo de fabricação de nanomembranas de ouro. Nesse método, utiliza-se um molde padronizado de Silício (Si) contendo nanofuros. Assim, após a colocação de uma camada de Cobre (Cu), utilizado como metal de sacrifício, a camada de ouro é colocada por meio de evaporação térmica ou feixe de elétrons. É importante lembrar que os nanofuros do
molde de Silício (Si) devem ser maiores do que a espessura total da camada de Cobre (Cu) e Ouro (Au), justamente para facilitar a retirada da nanomembrana. Esse processo de retirada é facilitado com a adição de uma solução de cloreto de ferro (FeCl3) ao
sistema, fazendo com que a nanomembrana criada “flutue” na superfície da solução.
Figura 9 - Nanomembrana de Ouro (Au)
Fonte: Adaptado de Jia et al. (2019)
Algumas de suas aplicações incluem a dessalinização da água do mar, purificação da água e remoção de impurezas em fluxos de gás. Dessa forma, suas funcionalidades podem ser facilmente utilizadas tanto no processo de refino da indústria de óleo e gás, como também na gestão de reservatórios (KONG E OHADI, 2010).
2.6. Os Desafios da Nanotecnologia
Uma observação preliminar deste trabalho é que a principal limitação do emprego da nanotecnologia é o seu custo de fabricação. Diante disso, torna-se fundamental o incentivo de pesquisas nesse setor, já que as vantagens dessa nova vertente são evidentes.
Sob o aspecto da Engenharia de Petróleo, a nanotecnologia ainda é pouco empregada, sendo necessários incentivos financeiros para o crescimento de sua utilização.
Outra observação introdutória é de que não foram encontradas pesquisas promovendo a discussão dos possíveis impactos ambientais e sociais de sua aplicação, dificultando a análise dos contrapontos de seu uso.
2.7. Panorama da Nanotecnologia no Mundo
Para enfatizar a importância deste trabalho e, como consequência, analisar a relevância do tema abordado, torna-se fundamental um estudo qualitativo acerca do número de publicações realizadas ao longo dos anos.
Como base de pesquisa, foram utilizados o Portal de Periódicos da CAPES e do OnePetro. Vale ressaltar que a CAPES tem o objetivo de disponibilizar para instituições de ensino e pesquisa brasileiros o acesso às produções científicas (artigos, livros, enciclopédias) nacionais e internacionais de forma gratuita (CAPES, 2020). Já o OnePetro, possui a maior base de dados de trabalhos técnicos relacionados à indústria de exploração e produção petrolífera, sendo disponibilizado a um certo custo (SPE, 2020).
Com isso, inicialmente empregou-se a palavra-chave nanotechnology para realizar a busca nas plataformas citadas anteriormente. As Figuras 10 e 11 ilustram a tendência promissora do número de publicações ao longo dos anos, que nesse caso foi considerado o período de 2012 a 2020. A linha de tendência linear, em vermelho, também contempla esse fato.
Fonte: Autoria Própria
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Publicações na CAPES - Nanotechnology
Linear (Número de Publicações) Ano Nú mero d e P u b lic aç õ es
Figura 10 - Gráfico do número de publicações ao longo dos anos no portal CAPES (Nanotechnology)
Figura 11 - Gráfico do número de publicações ao longo dos anos no portal OnePetro (Nanotechnology)
Fonte: Autoria Própria
A respeito dos gráficos, é possível notar um período de maior taxa de crescimento ao longo de 2016 e 2018, isto pode ser explicado pelo aumento do emprego da nanotecnologia em diversas áreas. Nesse sentido, cabe ressaltar que a pesquisa realizada no portal CAPES englobou todos os tópicos envolvendo o tema central deste trabalho, a nanotecnologia, abrangendo não apenas o setor petrolífero, mas também o da saúde, químico, biológico e o de engenharia no geral. Além disso, em todas as buscas realizadas foi utilizado o critério de revisão paritária, também chamado de revisão por pares, que nada mais é do que um processo de revisão feito por uma série de cientistas especializados no assunto abordado, com o intuito de validar a origem dos trabalhos publicados.
Tendo em vista que esta monografia tem como objetivo discutir as aplicações das NPs no setor de óleo e gás, realizou-se uma nova pesquisa considerando esse fator com as palavras-chave nanoparticle, petroleum, oil field e gas field, como mostram as Figuras 12 e 13. 0 20 40 60 80 100 120 140 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Publicações no OnePetro - Nanotechnology
Linear (Número de Publicações) Nú mero d e P u b lic aç õ es Ano
Fonte: Autoria Própria
Fonte: Autoria Própria
0 50 100 150 200 250 300 350 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Publicações na CAPES - Nanoparticle/ Petroleum/ Oil Field/ Gas Field
Linear (Número de Publicações) Ano Nú mero d e P u b lic aç õ es 0 50 100 150 200 250 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Publicações na OnePetro - Nanoparticle/ Petroleum/ Oil Field/ Gas Field Linear (Número de Publicações) Ano Nú mero d e P u b lic aç õ es
Figura 12 - Gráfico do número de publicações ao longo dos anos no portal CAPES (Nanoparticle/ Petroleum/ Oil Field/ Gas Field)
Figura 13 - Gráfico do número de publicações ao longo dos anos no portal
Diante disso, fica claro a evolução do interesse de pesquisadores e cientistas na área da nanotecnologia, e sob a ótica da Engenharia de Petróleo esse fato é ratificado nesses dois últimos gráficos, uma vez que fica evidente a tendência ascendente do número de publicações.
Com base nos dados apresentados e como forma de direcionar melhor este trabalho, dando ênfase ao emprego de nanofluidos na Engenharia de Petróleo, foi utilizado o descritor nanofluids para realizar a busca no portal do Onepetro. A Figura 14 apresenta o resultado, em que é possível observar um cenário parecido com os anteriores.
Figura 14 - Gráfico do número de publicações ao longo dos anos no portal OnePetro (Nanofluids)
Fonte: Autoria Própria
Um aspecto importante que também deve ser considerado a partir das informações apresentadas anteriormente é que os descritores de busca utilizados estavam em inglês, já que em português o número de publicações tem uma queda considerável. Essa conclusão foi obtida a partir dos dados do portal CAPES, uma vez que no OnePetro não é possível por se tratar de publicações estritamente em inglês.
Portanto, fica clara a necessidade de mais estudos e incentivos financeiros para o melhor emprego da nanotecnologia no âmbito nacional.
0 20 40 60 80 100 120 140 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Publicações na OnePetro - Nanofluids
Linear (Número de Publicações) Ano Nú mero d e P u b lic aç õ es
Sendo assim, no próximo Capítulo serão abordadas as diversas aplicações da nanotecnologia na área petrolífera, desde a exploração até a produção.
3. NANOTECNOLOGIA: APLICAÇÃO NA ENGENHARIA DE PETRÓLEO
A Indústria de Petróleo vem enfrentando grandes desafios no decorrer dos últimos anos. De acordo com Ko e Huh (2018), aproximadamente 67% dos novos poços descobertos nos Estados Unidos estão situados em locais que a extração se torna inviável diante da tecnologia atual. Então, para transpor essas adversidades é necessária a implementação de tecnologias mais eficazes. Com isso, nos últimos anos, as micro e nano tecnologias receberam atenção como potenciais candidatas para oferecer soluções frente a alguns desses desafios.
Diante disso, este Capítulo irá apresentar como essa nova tecnologia vem se desenvolvendo dentro da Engenharia de Petróleo, com ênfase em suas aplicações e benefícios.
3.1. Caracterização de Reservatórios
A caracterização de reservatórios possui grande importância, já que irá permitir a criação de um modelo do sistema petrolífero. Com isso, várias pesquisas estão sendo feitas para otimizar e melhorar as técnicas utilizadas nessa área.
Um exemplo disso são os estudos produzidos pelo grupo Advanced Energy Consortium criado pela Universidade do Texas, nos quais uma de suas pesquisas envolve a adição de NPs em uma porção dos fluidos de injeção, sendo possível a detecção de sua localização e movimento remoto (KO e HUH, 2018).
Segundo Ko e Huh (2018), o princípio por trás dessa tecnologia é que a velocidade das ondas eletromagnéticas (EM) diminui quando elas passam através de um meio magnético. Assim, quando há injeção de água contendo essas NPs magnéticas (MNPs, do termo em inglês Magnetic Nanoparticles), elas também entram em contato com o meio poroso. Dessa forma, colocando uma fonte de onda EM no poço injetor e um receptor de onda no poço produtor, pode-se conduzir imagens das ondas EM para localizar as MNPs e, portanto, o comportamento do fluido no reservatório. Este mecanismo pode ser observado na Figura 15.
Fonte: Adaptado de Ko e Huh (2018)
Além disso, é possível detectar a presença de óleo em formações subsuperficiais com o uso das MNPs. Isso depende do movimento monitorado de MNPs para as interfaces óleo e/ou água dos gânglios do petróleo no reservatório, como mostrado na Figura 16. No método proposto, uma vez que os MNPs escoam pelo reservatório e se associam à interface do menisco de óleo no poro da rocha, a oscilação externa do campo magnético é aplicado. Com isso, essas variações no campo magnético e a onda acústica resultante podem ser detectadas e analisadas (KO e HUH, 2018).
Figura 16 - Esquema da entrega direcionada para as interfaces óleo e/ou água no reservatório
Fonte: Adaptado de Ko e Huh (2018)
Figura 15 - Esquema da geração do campo magnético secundário por uma fonte condutora ou paramagnética, causada por indução eletromagnética
As NPs também podem ser projetadas para executar funções específicas, como a detecção de temperatura, pressão e presença de hidrocarbonetos, devido à capacidade de torná-las sensoriais, sendo comumente chamadas de nanosensores (KO e HUH, 2018).
Os sensores contidos nas NPs não precisam de suprimento de energia, já que eles realizam suas tarefas por meio de produtos químicos ou efeitos quânticos. Eles podem ser injetados no reservatório, recuperados e analisados.
Nesse contexto, algumas empresas já estão produzindo esse tipo de tecnologia, como a NanoSensors Inc., localizada na Califórnia. A companhia é responsável por desenvolver uma família de sensores de Silício (Si), que possuem nanoporos quimicamente modificados com técnicas eletroquímicas para detectar uma variedade de compostos químicos e biológicos. Já a Nanomix Inc., que pertence a Universidade da Califórnia, vem desenvolvendo uma gama de sensores de gás, químicos e biológicos, combinando microestruturas de Silício (Si) com Nanotubos de Carbono (CNTs) funcionais.
Outra forma de utilização dos nanosensores na caracterização dos reservatórios, é o Nano Pó, que é utilizado em poços com grandes profundidades. Devido ao ambiente hostil do reservatório, de altas temperaturas e pressões, criaram-se programas ativos e promissores para decriaram-senvolver nanocriaram-sensores compatíveis com esse meio. O Nano Pó é aplicado no poço injetor com o intuito de identificar o tipo de fluido, monitorando o seu fluxo e promovendo a caracterização do reservatório (KONG e OHADI, 2010).
3.2. Perfuração e Completação
No setor de perfuração e completação, o desenvolvimento dessas inovações tecnológicas está focado na aplicação de nanofluidos (fluidos inteligentes), com o intuito de melhorar a integridade do poço e/ou aprimorar suas propriedades reológicas. Nesse sentido, há também estudos para que a nanotecnologia ajude a produzir componentes com maior resistência e durabilidade, como hardware para brocas e revestimentos, agente de sustento usado no fraturamento para geração de múltiplas fraturas, além de revestimentos inteligentes (KO e HUH, 2018).
3.2.1. Fluidos de Perfuração
Há vários propósitos ao se utilizar NPs no fluido de perfuração. Uma dessas finalidades é a sua utilização para o controle da perda de fluido e estabilidade do poço em zonas de folhelho inconsolidados. Quando se perfura nessas zonas, utilizando fluidos de perfuração a base de água há uma certa dificuldade devido ao potencial de perda de integridade do poço, resultante do inchaço das argilas pela intrusão de água nos poros. Assim, na tentativa de prevenir a invasão de água de forma mais eficaz, foram feitos experimentos em que se adicionaram NPs de sílica ao fluido de perfuração, comprovando que a sua utilização realmente bloqueava a intrusão de água (KO e HUH, 2018).
Acredita-se que o mecanismo para a prevenção de intrusão de água seja o bloqueio físico da seção transversal dos poros pelas NPs retidas. As empresas Baker Hughes e MI-Swaco já testaram essa nova técnica em campo e obtiveram sucesso (KO e HUH, 2018).
Outros motivos para se aplicar a nanotecnologia no fluido de perfuração advém da possível redução do torque e problemas de arrasto. O nanofluido tem uma capacidade de formar uma fina camada de NPs e isso auxilia na redução do atrito entre o tubo e a parede do poço devido à formação de uma película lubrificante fina na interface parede-tubo. Isso ocorre porque as NPs são capazes de criar um leito ultrafino de superfície, tipo rolamento de esferas, entre o tubo e a parede do poço e, portanto, pode permitir o fácil deslizamento da coluna de perfuração (EL-DIASTY e RAGAB, 2013).
Há também a remoção de gases tóxicos com a ajuda de NPs. O H2S é um gás
extremamente tóxico e inflamável. Ele pode se propagar do reservatório para a superfície através da lama de perfuração durante a operação. É essencial a retirada desse gás da lama para preservar a saúde dos trabalhadores da operação, além de prevenir a corrosão de dutos e equipamentos.
Sayyadnejad et al. (2008), utilizaram a nanopartícula de óxido de zinco (14-25 nm) para remover o H2S do fluido de perfuração à base de água. Foi utilizada a
seguinte equação:
A eficiência da utilização dessas NPs na remoção de H2S da lama de perfuração
foi avaliada e comparada com a do óxido de zinco. Seus resultados demonstraram que as NPs de óxido de zinco são capazes de remover sulfeto de hidrogênio da lama de perfuração à base de água em cerca de 15 minutos, enquanto o óxido de zinco a granel é capaz de remover o sulfeto de hidrogênio em até 90 minutos, sob as mesmas condições operacionais (EL-DIASTY e RAGAB, 2013).
3.2.2. Revestimentos Inteligentes
Segundo Ko e Huh (2018), ao se utilizar NPs funcionais na superfície sólida dos revestimentos é possível observar:
• Redução da abrasão de superfícies sólidas;
• Redução da corrosão e dimensionamento nas superfícies interna e/ou externa das instalações;
• A capacidade de “auto restaurar” danos menores desenvolvidos nas superfícies; • Qualquer corrosão sendo desenvolvida sob o revestimento.
O tratamento na superfície contém cristalitos na ordem de tamanho de 3 nm que obstruem a fina película de óxido nos contornos dos grãos da superfície a ser tratada. Isso torna a superfície tratada com NPs extremamente resistente ao desgaste, aumentando a longevidade e reduzindo o tempo de inatividade. Esse processo é chamado de “Tratamento de Superfície de Implantação Molecular (MIST)”, e foi amplamente testado pelos pesquisadores do Laboratório de High Temperature Materials, que está inserido no Laboratório Nacional de Oak Ridge (KO e HUH, 2018). Um importante fabricante de material de revestimento nanoestruturado é o Integran Technologies Inc. Ele possui uma tecnologia chamada Nanovate ™ que produz materiais de revestimento em grãos nanoescalares. Seu revestimento de metal, chamado Nanovate-NS, é desenvolvido para fornecer melhor erosão e proteção contra o impacto de peças compostas. Já o Nanovate-EM é projetado para fornecer um revestimento de superfície de alta permeabilidade com uma blindagem magnética de baixa frequência. Outro fabricante de material de revestimento é a Tecnologia Sub-One, cujo revestimento nomeado InnerArmor, é oferecido à indústria de petróleo com
o propósito de reduzir a corrosão, o desgaste e a erosão, para minimizar o atrito e maximizar o fluxo (KO e HUH, 2018).
3.2.3. Cimentação
Já na parte de aprimoramentos das propriedades do cimento, as NPs podem ser utilizadas em pequenas quantidades na cimentação dos poços, e com a sua aplicação é possível acelerar ou retardar o processo de hidratação do cimento; aumentar a resistência à compressão; ajudar a controlar a perda de fluido; e reduzir a probabilidade de colapso do revestimento, evitando a migração do gás, que é um dos problemas de cimentação em poços de gás (EL-DIASTY e RAGAB, 2013).
Santra et al. (2012) pesquisaram vários tipos de nanomateriais eficazes para serem utilizados na indústria de cimentação de poços de petróleo, sendo eles:
• Nanossílica e nanoalumina, como aceleradores potenciais;
• Nanomateriais, incluindo nanotubos de carbono (CNTs) com alta proporção para melhorar as propriedades mecânicas;
• Nanomateriais para reduzir a permeabilidade e/ou porosidade; • Nanomateriais para aumentar condutividade térmica e/ou elétrica.
Nesse mesmo estudo foi comprovado que o efeito da nanossílica, cuja área de superfície específica é em torno de 60 a 650 m2/g, nas propriedades reológicas do
cimento fresco pode ser benéfico para melhorar a consistência do concreto e para reduzir a probabilidade de segregação. Essa tecnologia é importante para poços em águas profundas, visto que quando estes poços são concluídos, devido ao longo comprimento do gap entre a formação e o revestimento, que irá ser preenchido por cimento e está em contato com a fria da água do mar, o controle do tempo de cura do cimento é extremamente importante.
3.2.4. Materiais Nanoestruturados de Alta Resistência
A nanotecnologia pode ser empregada para melhorar as propriedades mecânicas e outras características desejáveis por meio da engenharia de
microestrutura dos materiais, utilizados no fraturamento. Os materiais empregados atualmente nas bolas de fraturamento e nos plugs estão sujeitos ao escoamento precoce ou mudanças de sua forma, pois o limite de elasticidade das ligas de alumínio convencionais é geralmente menor de 400 MPa (EL-DIASTY E RAGAB, 2013).
Com o novo método da nanotecnologia, bolas nano-compostas são aplicadas. Devido a sua alta resistência, elas conseguem executar a função necessária durante a fratura, mas depois desintegram-se no fluido de perfuração. O processo de desintegração funciona através de reações eletroquímicas que são controladas por revestimentos em nanoescala, dentro da estrutura do grão composto. A nanomatriz do material é de alta resistência e possui propriedades químicas únicas que os materiais convencionais não possuem. Vale ressaltar que as bolas convencionais devem ser removidas do poço após a fratura, o que não é necessário com as bolas nano-compostas (KO e HUH, 2018). Elas podem ser observadas na Figura 17.
Figura 17 - a) Exemplos de bolas de assento feitas com nanocompostos e b) Esquema do sistema de fratura múltipla
Fonte: Ko e Huh (2018)
3.2.5. Fluidos de Fraturamento
Os fluidos de fraturamento devem possuir alta viscosidade durante o estágio de fraturamento para gerar um gradiente de alta pressão na fratura de propagação e para minimizar o vazamento de fluido para a zona da matriz vizinha (ARMSTRONG et al., 1995). Após a fratura, o fluido de fraturamento precisa ser removido de forma limpa, de modo que o fluxo subsequente de óleo, água e/ou gás não seja impedido.
Para o controle da reologia do fluido de fraturamento, vem sendo aplicada uma combinação de nanopartícula de polímero da seguinte maneira: durante a fase de fraturamento, as moléculas de polímero são ligadas às NPs funcionais, em forma de rede ou em forma de dendrímero, de modo que a combinação gera uma alta viscosidade. Durante a fase de remoção do fluido, as moléculas de polímero são
separadas das NPs, de modo que a viscosidade do fluido se torne baixa e o fluido possa ser facilmente removido da fratura recém-gerada (KO e HUH, 2018).
3.3. Produção
As MNPs podem ser usadas para tratar fluidos produzidos na fase de produção, removendo produtos químicos indesejáveis. Nesse sentido, pesquisadores examinaram o uso das MNPs para remoção de polímeros, como a poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM), na água produzida. Esses polímeros costumam ser utilizados como método de recuperação avançada, chamado de inundação de polímeros. Para isso, essas MNPs são atraídas pelas moléculas dos polímeros, que estão carregadas negativamente. Assim, quando um campo magnético é aplicado à mistura, o polímero e as MNPs, agora associados, separam-se da fase aquosa da solução. Além disso, por meio do ajuste do pH da solução, as MNPs podem ser carregadas negativamente e, consequentemente, o polímero irá se dessorver das MNPs, que podem ser reutilizadas.
Como a força dos campos magnéticos pode ser maior do que a da gravidade, esse método permite uma separação mais rápida entre o polímero e a água do que os processos tradicionais de separação física (LAU et al., 2017). A Figura 18 ilustra, de forma simples, o processo descrito anteriormente.
Fonte: Ko e Huh (2018)
Figura 18 - Esquema do processo de separação dos polímeros da água produzida utilizando MNPs
No âmbito da estimulação, fluidos de polímero reticulado de alto peso molecular tem sido utilizado para estimular poços de petróleo e gás por décadas. Esses fluidos apresentam viscosidade excepcional, estabilidade térmica, capacidade de transporte de propante e controle de vazamento de fluido. Entretanto, há uma grande desvantagem dos fluidos de polímero reticulado devido à quantidade de resíduos poliméricos que eles geram. Sendo assim, tendo em vista que esse tipo de resíduo pode danificar significativamente a permeabilidade da formação e a condutividade da fratura, alternativas devem ser analisadas.
Com isso, criou-se um fluido de estimulação de surfactante viscoelástico (VES) que é um fluido composto por tensoativos de baixo peso molecular e que pode ser utilizado para o fraturamento hidráulico. Os surfactantes se organizam estruturalmente para formar micelas semelhantes a bastonetes que exibem o comportamento de um fluido viscoelástico. Os fluidos VES, uma vez injetados, geram poucos resíduos ou danos à produção. No entanto, o vazamento excessivo de fluido e a baixa estabilidade térmica limitaram significativamente seu uso.
Após a injeção do nanofluido VES nas fissuras, o fluido perde dramaticamente sua viscosidade e, então, ele se parte em partículas de tamanho nanométrico. Com isso, as partículas se tornam pequenas o suficiente para passar pela garganta dos poros das formações produtoras. Assim, elas conseguem adentrar nas formações com os fluidos de produção, sem gerar nenhum dano (CREWS e HUANG, 2008).
3.4. Métodos de Recuperação Avançada
A nanotecnologia pode ser empregada em campos maduros, possibilitando que ela seja implementada em um método de recuperação. Contudo, essa tecnologia ainda não é utilizada de forma ampla, embora pesquisas comprovem que existam alterações, após o seu uso, com relação às propriedades do fluido do reservatório, da rocha e da interação rocha-fluido. Essas mudanças serão abordadas nos próximos Capítulos.
Rodriguez et al., (2009), como forma de avaliar o escoamento das NPs no meio poroso, sintetizaram suspensões aquosas concentradas (até ~ 20% em peso) de NPs de sílica, com o intuito de aplicá-las em rochas sedimentares de diferentes litologias e permeabilidades. Após esse experimento, foi observado que as partículas sofreram
pouca retenção nos poros, sendo quase toda diluída após um longo período de fluxo (EL-DIASTY e RAGAB, 2013).
As NPs quando diluídas em uma solução aquosa apresentam arranjos estruturais em uma fase descontínua, como o óleo, gás, parafina ou polímero. As partículas que estão presentes nesta região de contato trifásico, formam uma estrutura em forma de cunha entre a fase descontínua e o substrato, como ilustrado na Figura 19. Quando essa força fica confinada ao vértice das fases descontínuas, ocorre o deslocamento na tentativa de recuperar o equilíbrio (EL-DIASTY e RAGAB, 2013).
Figura 19 - NPs formando a estrutura
Fonte: Adaptado de Lau et al. (2017)
Além disso, as emulsões estabilizadas com NPs, podem suportar as condições de alta temperatura e salinidade do reservatório por longos períodos, superando assim algumas limitações de emulsões estabilizadas apenas por surfactantes. Isso pode expandir substancialmente a gama de reservatórios aos quais essa tecnologia pode ser aplicada. As NPs também podem carregar funcionalidades adicionais, como o superparamagnetismo, que oferece potencial para manipular o comportamento das emulsões com a aplicação de campo magnético (KO e HUH, 2018).
Com isso, elas podem ser utilizadas sob o mesmo viés, com o objetivo de aumentar a viscosidade do fluido de injeção. Exemplo disso, são as NPs com óxido de cobre, pois elas podem estabilizar emulsões por conta de suas atividades de superfície, o que também pode levar ao aumento da viscosidade no fluido de injeção.
4. ESCOAMENTO DE NANOPARTÍCULAS EM MEIOS POROSOS
Para entender como ocorre o escoamento de NPs em meios porosos, que no caso deste trabalho está atrelado à engenharia de reservatórios, é preciso considerar o seu comportamento sob altas temperaturas e pressões. Neste Capítulo são expostos os conceitos base para o entendimento desse tipo de escoamento e o respectivo modelo matemático de transporte, com o intuito de analisar a interação entre as NPs e o reservatório.
4.1. Fundamentos das Propriedades dos Fluidos e do Meio Poroso
Nesta Seção serão apresentados alguns conceitos de propriedades dos fluidos, das rochas e da interação rocha-fluido para facilitar o entendimento dos fenômenos de superfície (filtração e adsorção de NPs) e a modelagem matemática do escoamento de nanofluidos, ambos explicitados nas Seções posteriores deste Capítulo.
4.1.1. Propriedades dos Fluidos
• Densidade absoluta: é a relação entre a massa e o volume de um fluido. Neste trabalho o modelo matemático abordado na Seção 4.4 é considerado incompressível e por isso as densidades da água e do óleo são constantes. • Viscosidade (𝜇): a viscosidade nada mais é do que a resistência que um fluido possui, seja líquido ou gás, em relação ao escoamento. É um parâmetro que está sempre presente na modelagem de transporte de um fluido e, no caso dos nanofluidos, está diretamente relacionado à temperatura, concentração e formato das NPs que o compõem, e às propriedades físicas do fluido de base (ZHANG e HAN, 2018). Cabe ressaltar que a viscosidade também é função da pressão e está proporcionalmente relacionada, ou seja, em um reservatório subsaturado, a viscosidade do fluido será crescente, já em um meio poroso saturado, ela é decrescente.
4.1.2. Propriedades da Rocha
• Permeabilidade absoluta (𝐾): a permeabilidade mede a capacidade da formação de permitir o fluxo dos fluidos que estão presentes no meio poroso, quando saturado 100% por esse fluido. Além disso, é responsável por controlar o movimento direcional e a taxa de fluxo no reservatório.
• Porosidade (∅): do ponto de vista da engenharia de reservatórios, a porosidade é uma das propriedades mais importantes da rocha. É definida pela razão entre o volume do poro e o volume total da rocha.
4.1.3. Propriedades da Interação Rocha-Fluido
• Molhabilidade: é definida como a tendência de um fluido se espalhar ou de aderir a uma superfície sólida na presença de outros fluidos imiscíveis. No meio poroso, a superfície sólida será a rocha e os fluidos podem estar na fase óleo, gás ou água. Essa propriedade exerce forte influência no fator de recuperação do óleo, pois ela irá afetar a pressão capilar e a permeabilidade relativa do meio, e com o intuito de aumentar este fator, as NPs podem ser utilizadas. Após a injeção do nanofluido no reservatório, ele se comportará como a fase molhante, fazendo com que o coeficiente de espalhamento aumente. Como consequência disso, a molhabilidade é alterada, podendo ser mensurada pelo ângulo de contato 𝜃, como é possível visualizar na Figura 20 (AGI et. al, 2018). Vale ressaltar que quando 𝜃 > 90° o líquido molhante será o óleo, e quando 𝜃 < 90° o líquido molhante será a água. Nos casos em que 𝜃 = 90°, a molhabilidade é neutra.
Figura 20 - a) ângulo de contato em um conjunto rocha - óleo - ar antes da injeção do nanofluido, b) ângulo de contato após a injeção, c) ângulo de contato em um conjunto rocha -
água - ar antes da injeção do nanofluido e d) ângulo de contato após a injeção
Fonte: Agi et al. (2018)
• Permeabilidade Relativa (𝐾𝑟): o fluxo no reservatório geralmente envolve mais de um fluido, o que significa que a capacidade geral de escoamento é influenciada pela presença dos mesmos em um meio poroso. Sendo assim, o conceito que melhor descreve esse fluxo multifásico é conhecido como permeabilidade relativa, que é definida como a razão entre a permeabilidade efetiva de um fluido e a permeabilidade absoluta. Além disso, ela está diretamente relacionada com as saturações, ou seja, seu valor diminui com a diminuição da saturação da respectiva fase (ARCHER e WALL, 1986).
• Pressão Capilar (𝑃𝐶): as forças capilares em um reservatório são resultado do efeito combinado das tensões superficiais e interfaciais da rocha e dos fluidos, do tamanho e da geometria dos poros e da molhabilidade do sistema. Quando dois fluidos imiscíveis estão em contato, óleo e água, por exemplo, existe uma descontinuidade de pressão entre esses dois líquidos, que depende da curvatura da interface entre eles. Essa diferença é conhecida como pressão capilar. Em outras palavras, é a diferença de pressão entre a fase não molhante e a fase molhante. Dessa forma, a fim de manter o meio poroso parcialmente saturado com um fluido não umectante, deve-se manter a sua pressão maior que a do fluido umectante e é nesse cenário que as NPs podem ser empregradas. Segundo Agi et al. (2018), a injeção de nanofluidos em um reservatório podem resultar no deslocamento de 35% do óleo quando
comparado à apenas 17% com o uso de um surfactante homogêneo. Isso ocorre porque as NPs podem aumentar a capilaridade, diminuindo a tensão interfacial entre o óleo e a água.
• Saturação (𝑆): a saturação é definida como a fração ou porcentagem do volume do poro ocupado por um determinado fluido (óleo, gás ou água). É importante ressaltar que todas as saturações são calculadas de acordo com o volume dos poros e não com o volume total do reservatório. A saturação de cada fase varia de 0 a 100% e, por definição, a soma de todas as saturações dos fluidos presentes no sistema poroso é 100%.
4.2. Filtração de Nanopartículas
A filtração é o processo conhecido pela passagem de um líquido por uma matéria permeável. Sendo assim, para compreender o fluxo de NPs em meios porosos é necessário avaliar como esse fenômeno ocorre frente às variações do tamanho da nanopartícula e das diferentes morfologias da rocha (AGI et al., 2018).
Segundo Irfan et al. (2019), é possível caracterizar três mecanismos de filtragem diferentes, como mostra a Figura 20. No primeiro caso observa-se que esse regime inclui partículas com um tamanho igual ou superior aos grãos do meio poroso. Nesse fluxo, a permeabilidade da rocha é significativamente reduzida devido à deposição de NPs na superfície. A segunda situação envolve partículas de tamanhos um pouco menores que as dos grãos. Assim, a redução da permeabilidade é menos severa do que no regime anterior. Já no terceiro caso, os tamanhos das partículas são menores do que o tamanho dos grãos e, como esperado, a redução da permeabilidade é muito menor.
Figura 21 - Os três mecanismos de filtragem considerados
