UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA MARIA DALGEANY DE ARAUJO DOMINGOS

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

MARIA DALGEANY DE ARAUJO DOMINGOS

UTILIZAÇÃO DE RESÍDUO DA INDÚSTRIA CIMENTEIRA COMO ADITIVO DE PASTAS DE CIMENTO PARA POÇOS DE PETRÓLEO SUBMETIDOS À INJEÇÃO

DE VAPOR.

MOSSORÓ

2019

MARIA DALGEANY DE ARAUJO DOMINGOS

UTILIZAÇÃO DE RESÍDUO DA INDÚSTRIA CIMENTEIRA COMO ADITIVO DE PASTAS DE CIMENTO PARA POÇOS DE PETRÓLEO SUBMETIDOS À INJEÇÃO

DE VAPOR.

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Rodrigo César Santiago, Prof. Dr.

MOSSORÓ

2019

© Todos os direitos estão reservados a Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteira

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D671u Domingos, Maria Dalgeany de Araújo.

Utilização de resíduo da indústria cimenteira como aditivo de pastas de cimento para poços de petróleo submetidos à injeção de vapor / Maria Dalgeany de Araújo Domingos. - 2019.

43 f. : il.

Orientador: Rodrigo César Santiago.

Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Mecânica, 2019.

1. Cimentação em poços de petróleo. 2. Resíduo

cerâmico. 3. Sílica flour. I. Santiago, Rodrigo

César, orient. II. Título.

À meus avôs: Antônio Domingos da Silva e Genival Virginio de Araujo (In Memoriam).

Dedico este trabalho a minha família, em

especial: aos meus pais Maria Dalgeny de

Araujo e Iranailson Domingos da Silva, e

aos meus irmãos, Iranaildson Davison,

Antony Emanuel e José Ítalo.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus por me ter concedido o dom da vida, por me dá forças todos os dias para superar os obstáculos e chegar até aqui.

Aos meus pais, Iranailson Domingos da Silva e Maria Dalgeny de Araujo, que sempre me apoiam em minhas decisões, me incentivam e fazem do impossível possível para que o melhor sempre chegue a mim. Minha mãe, minha melhor amiga, sempre com suas palavras certas de conselho e conforto nas horas mais difíceis. Meu pai, uma pessoa amável e determinada que me fez perceber que com esforço conseguimos alcançar nossos objetivos.

São meus maiores exemplos! A eles agradeço por todo amor, paciência, incentivo [...].

Aos meus amados avós, Genival Virgínio de Araujo e Maria Dalva de Araujo que com dedicação, carinho e amor, fazem parte da minha criação e educação. Sua vasta experiência me ensinou que uma pessoa deve ter princípios, valores e humildade.

Ao meu irmão Iranaildson Davison de Araujo Domingos, por ser meu amigo e está sempre pronto para me ajudar a qualquer hora. Sei que este sonho também pertence a ele.

Aos meus irmãos - e minhas crianças - Antony Emanuel e José Ítalo, que minha luta por qualificação profissional sempre almejando um futuro melhor sirva de exemplo para o fortificar em busca da realização dos seus sonhos.

Ao meu grande amigo Prof. Dr. Rodrigo César Santiago, por ter sido um orientador paciente e de conhecimento notável, disponibilizando seu tempo para compartilhar conhecimento e experiência. Sou grata pela confiança e contribuição em minha vida acadêmica.

Ao Núcleo Tecnológico de Cimentação de Poços de Petróleo (NTCPP) da UFRN e as pessoas que nele trabalham que contribuíram para o estudo realizado.

A todos os meus amigos, em especial à Renan Cavalcante, Laine Paula, Matheus

Medeiros, Luann Georgy, Josicleide Moura, Iolanda Andrade, Dannylo Paiva, Éberte Valter,

Jordania Araujo, Renata Sayonara, Ranna Lemos, Sumaya Luna, Gledyson dos Santos, Sueli

Germano, Mateus Amon, Bárbara Ebilizarda, o meu muito obrigada por todos os momentos

compartilhados, agradeço pela amizade e companheirismo.

Consagre ao Senhor tudo o que você faz, e os seus planos serão bem-sucedidos.

Provérbios 16:3

RESUMO

A cimentação de poços de petróleo é uma operação que permite a aderência do revestimento à formação geológica, suporte mecânico e isolamento hidráulico, contribuindo para a integridade do poço. Falhas na cimentação, se não forem identificadas ou controladas, propiciam acidentes que provocam danos físicos, ambientais, materiais e financeiros. As pastas de cimento utilizadas na indústria petrolífera necessitam de aditivos específicos de acordo com as características de cada poço, permitindo suportar diversos tipos de esforços provenientes de variações de temperatura e pressão. Buscando fontes alternativas ao aditivo comercial amplamente utilizado, sílica flour, este trabalho tem por objetivo fazer uso de um resíduo da indústria cimenteira como substituição parcial do cimento Portland de pastas submetidas a altas temperaturas. Neste contexto, foi realizada a caracterização do resíduo através de Difração de Raios-X (DRX), Fluorescência de Raios X (FRX), Termogravimetria (TG) e massa específica e foram formuladas três pastas de cimento, sendo uma padrão, contendo apenas água e cimento, uma pasta de referência contendo o aditivo comercial e a pasta contendo o resíduo para estudos comparativos sendo estas curadas em alta temperatura e pressão (300 °C e 3.000 PSI). Para a caracterização das pastas, foram realizadas as técnicas de DRX e TG e ensaios de resistência à compressão seguindo normas API. Os resultados confirmaram a potencialidade do resíduo ser aplicado como agente antiretrogressão, com fases de menor relação Ca/Si, apresentando comportamento mecânico superior às pastas de referência, o que o faz um material promissor, uma vez que confere melhores propriedades mecânicas em condições severas de temperatura e pressão, tem baixo custo, comparado aos materiais comerciais, além de dar utilização a um resíduo que seria descartado no meio ambiente.

Palavras-chave: Cimentação em poços de petróleo. Resíduo cerâmico. Sílica flour.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1:Representação das partículas de cimento em diferentes tempos de reação de

hidratação... 16

Figura 2.2: Estágios do processo de hidratação. ... 16

Figura 2.3: Formação de silicatos de cálcio. ... 19

Figura 4.1: Fluxograma geral do procedimento experimental ... 22

Figura 4.2: Equipamento utilizado na etapa de cura das amostras. ... 26

Figura 5.1: Difratograma de raios-X do RIC. ... 31

Figura 5.2: Difratograma de raios-X do pasta padrão PAC. ... 32

Figura 5.3: Difratograma de raios-X do pasta padrão PSF35. ... 34

Figura 5.4: Difratograma de raios-X da pasta padrão PRIC35. ... 35

Figura 5.5: Resistência compressiva dos corpos de prova das pastas depois da cura durante 7 dias à 300°C e 3000 PSI (simulação injeção de vapor). ... 36

Figura 5.6: Amostra da pasta de cimento no início do ensaio de resistência a compressão... 37

Figura 5.7:Amostra da pasta de cimento ao término do ensaio de resistência a compressão. . 37

Figura 5.8: Curva termogravimétrica das pastas PCA, PSF35 e PRIC35. ... 40

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1: Densidade e volume específico a 25ºC dos materiais utilizados. ... 25

Tabela 4.2: Concentração dos aditivos das pastas de densidade 1,87 g/cm ³ (15,6 lb/gal). ... 25

Tabela 5.1: Composição química das fontes de sílica. ... 30

Tabela 5.2: Identificação das fases para amostra PCA. ... 33

Tabela 5.3: Identificação das fases para amostra PSF35. ... 34

Tabela 5.4: Identificação das fases para amostra PRIC35. ... 35

Tabela 5.5: Resultados das porcentagens de perda de massa das pastas. ... 39

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 12

1.1 Objetivos ... 13

2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 14

2.1 Perfuração ... 14

2.2 Cimentação ... 14

2.2.1 Tipos de cimentação ... 15

2.2.1.1 Cimentação primária ... 15

2.2.1.2. Cimentação secundária ... 15

2.3 Reações de hidratação ... 15

2.4 Alta temperatura ... 17

2.5 Aditivos minerais ... 19

2.5.1 Principais aditivos minerais ... 19

2.6 Materiais pozolânicos ... 20

2.6.1 Efeitos físicos das pozolanas ... 20

2.7 Areia proveniente da fabricação de materiais para construção civil ... 20

3 ESTADO DA ARTE ... 21

4 METODOLOGIA ... 22

4.1 Materiais utilizados ... 22

4.1.1 Cimento ... 22

4.1.2 Resíduo da indústria cimenteira (RIC) ... 23

4.1.3 Sílica ... 23

4.1.4 Água ... 23

4.2 Caracterização do resíduo ... 23

4.2.1 Massa Específica ... 23

4.2.2 Análise Granulométrica ... 23

4.2.3 Análise de Fluorescência de Raios X (FRX) ... 23

4.2.4 Difração de Raios X (DRX) ... 24

4.3 Elaboração e caracterização das pastas ... 24

4.3.1 Cálculo das pastas ... 24

4.3.2 Mistura das pastas ... 25

4.3.3 Cura das pastas ... 25

4.3.4 Resistência à Compressão ... 27

4.3.5 Difração de Raios X (DRX) ... 27

4.3.6 Análise Termogravimétrica ... 27

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 29

5.1 Caracterização do resíduo da indústria cimenteira ... 29

5.1.1 Massa Específica ... 29

5.1.2 Análise Granulométrica ... 29

5.1.3 Fluorescência de raios-x (FRX) ... 29

5.1.4 Difração de raios X (DRX) do RIC ... 31

5.2 Caracterização das pastas ... 32

5.2.1 Difração de Raios-X (DRX) ... 32

5.2.2 Resistência à compressão ... 36

5.2.3 Análise termogravimétrica ... 38

5 CONCLUSÕES ... 41

REFERÊNCIAS ... 42

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1 INTRODUÇÃO

A indústria do petróleo detém 31,9% da produção energética do mundo (EPE, 2015).

Segundo dados da ANP (2019), a produção nacional de petróleo em Janeiro de 2019 totalizou 2,631 milhões de barris de petróleo por dia (bbl/d). Atualmente, com desenvolvimento de novas tecnologias para exploração em campos cada vez mais específicos, como o pré-sal, são necessárias novas alternativas com intuito de redução de custos.

Na perfuração de poços, cada vez mais profundos, há a necessidade de se garantir a sua estabilização. Com isso, a busca por novos materiais para compor as colunas de revestimento e o cimento utilizado na cimentação de poços está em ascensão.

Uma vez perfurado um poço de petróleo insere-se uma coluna de revestimento. Entre esta coluna e as paredes do poço há o espaço anular, o qual é preenchido com cimento visando a fixação da tubulação e evitando que haja infiltrações atravessadas pelo poço, por detrás do revestimento.

O processo de cimentação do espaço anular realiza-se a partir do bombeio de pasta de cimento e água, que é deslocada através da própria tubulação de revestimento. A pasta deve endurecer e fixar fortemente à superfície externa do revestimento e à parede do poço, nos intervalos previamente determinados (THOMAS, 2004).

As pastas de cimentos nos poços de petróleo devem apresentar propriedades especificas, assim como os cimentos utilizados na produção destas. São vários os parâmetros levados em consideração, pode-se destacar temperatura e pressão. Dessa forma, é importante desenvolver pastas de cimento específicas que se enquadrem à estes parâmetros.

O material base das pastas utilizadas na cimentação dos poços de petróleo é o cimento Portland, ainda que este seja utilizado há muito tempo é necessário introduzir alguns aditivos, assim como no cimento utilizado na indústria civil. Porém, são aditivos mais específicos para poder suportar diversos tipos de esforços, como por exemplo, altas temperaturas.

Os aditivos mais utilizados são os ricos em sílica. A farinha de sílica, resultado da trituração de quartzo é o mais eficaz para a operação de cimentação quando em grande quantidade, pois o seu preço torna-se viável e apresenta boa qualidade (GE, 2018). A inserção deste aditivo, reduz a quantidade necessária do cimento para a fabricação das pastas utilizadas na cimentação de poços de petróleo que são submetidas a altas temperaturas.

Consequentemente reduzindo o próprio custo com sua fabricação. Assim como, conferindo

melhores propriedades mecânicas.

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Quando a matéria prima é um resíduo proporciona a redução do impacto ambiental, pois haverá a reutilização. Estes podem ser utilizados como aditivo no cimento Portland, substituindo-o parcialmente, assim como torna-se economicamente viável.

1.1 Objetivos

Avaliar a potencialidade do resíduo da indústria cimenteira como alternativo a aditivo comercial utilizado em larga escala nas pastas de cimento para cimentação de poços de petróleo submetidos a altas temperaturas na recuperação térmica.

- Caracterizar o rejeito da indústria cimenteira;

- Formular pastas de cimento com materiais de referência e pasta com utilização do resíduo;

- Realizar a cura das pastas em condições de simulação de injeção de vapor (alta temperatura e alta pressão);

- Caracterizar as pastas curadas e realizar testes de resistência à compressão.

14

2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Perfuração

A perfuração de poços de petróleo é uma atividade que caracteriza-se por sua complexidade, seus riscos e principalmente, elevados custos financeiros. Os chineses foram os primeiros há usarem a perfuração à percussão com a finalidades de perfurar poços profundos para a obtenção de água, extração de gás ou sal, os registros datam de 256 a.C. Na era moderna, o primeiro poço de petróleo foi perfurado na Pensilvânia, Estados Unidos da América, no ano de 1859. Na indústria de petróleo são utilizados dois métodos de perfuração, à percussão e o rotativo, sendo que o primeiro caiu em desuso (CHIPINDU, 2010).

O método rotativo, consiste na perfuração das formações rochosas a partir da rotação e peso aplicados pela broca acoplada na coluna de perfuração. A remoção dos fragmentos das rochas é efetuada pelo fluido de perfuração, o qual também tem as funções de pressão hidrostática, lubrificação e resfriamento dos equipamentos de perfuração. Para injetar o fluido no interior da coluna de perfuração utiliza-se bombas, este irá retornar a superfície por meio do espaço entre a coluna e o poço (CHIPINDU, 2010). Para que a profundidade do poço seja obtida com segurança, a perfuração divide-se em fases, onde há variação do diâmetro, sendo a fase posterior de diâmetro menor que a anterior.

Ao atingir uma determinada profundidade retira-se a coluna de perfuração e uma coluna de revestimento de aço é inserida no poço, promovendo sustentação mecânica e isolamento hidráulico. O espaço anular entre os tubos de revestimento e as paredes do poço deve ser cimentado desde sua base, até uma altura definida no projeto do poço (SANTIAGO, 2014).

2.2 Cimentação

A primeira cimentação de poço ocorreu no Campo Lompoc na Califórnia, após quatro décadas da perfuração do primeiro poço. A pasta bombeada nessa primeira operação, foi preparada com cinquenta sacos de cimento, com o objetivo de impedir que a água da formação fosse absorvida para o poço. O tempo para o endurecimento do cimento era de vinte e oito dias (COSTA, 2012).

Em 1919, Erle P. Halliburton fundou a Halliburton Cementing Co., tornando-se a

maior empresa da área de cimentação. Em 1922, a prática de cimentar os revestimentos pelas

outras empresas tornou-se mais acessível, uma vez que Halliburton patenteou o misturador

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com jatos “jet mixter”, possibilitando a automatização da mistura da pasta. Nesta ocasião, o cimento endurecia no tempo de sete a vinte e oito dias (HALLIBURTON, 1998 – apud COSTA, 2012).

A fabricação de cimentos especiais para a indústria de petróleo teve início em 1923, quando fabricantes americanos e europeus passaram a fabricar cimento com alta resistência inicial. Com o surgimento dos aditivos químicos, o tempo de pega foi reduzido de forma progressiva (72 horas até 1946; 24 a 36 horas a partir de 1946). Outras propriedades das pastas de cimento foram controladas (COSTA, 2012).

2.2.1 Tipos de cimentação 2.2.1.1 Cimentação primária

Considerada a cimentação principal, é executada após a descida da coluna de revestimento no poço e sua qualidade geralmente é avaliada através de perfis acústicos corridos dentro do revestimento, após a pega do cimento (THOMAS, 2004).

2.2.1.2. Cimentação secundária

São as cimentações realizadas, tendo em vista a correção de falhas na cimentação primária. Dessa forma, uma cimentação secundária pode ser realizada para eliminar a entrada de água de uma zona indesejável, reparar vazamentos na coluna de revestimento, etc (COSTA, 2012). São três as modalidades de cimentação secundária: recimentação, compressão de cimento (squeeze) e tampões. Um exemplo de aplicação para a recimentação é se, por alguma razão, o topo do cimento não alcançar a altura prevista no espaço anular, fazendo-se circular pasta de cimento por trás do revestimento, através dos canhoneios (perfurações realizadas no revestimento). A compressão de cimento é utilizada, quando não é possível a circulação da pasta, o que fará corrigir defeitos localizados na cimentação primária ou corrigir vazamentos na coluna de revestimento. Os tampões são utilizados para o abandono de poço ou para o isolamento de zonas inferiores, também são ocasionalmente utilizados para combater perdas de circulação ou para servir de base para desvio do poço (COSTA, 2012).

2.3 Reações de hidratação

O enrijecimento do cimento é consequência dos produtos formados, uma vez que haja

o contato de seus compostos com água durante as reações de hidratação. São dois os

mecanismos para ocorrer hidratação: no decorrer dos estágios iniciais de hidratação, haverá a

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dissolução-precipitação, em que existe uma dissolução dos compostos anidros nos seus respectivos constituintes iônicos e a formação de hidratos que, por ter baixa solubilidade, precipitam na solução; o segundo mecanismo é denominado de hidratação no estado sólido ou topoquímico. As reações ocorrem diretamente na superfície dos componentes do cimento anidro, e estes não entram em solução. É observado em estágios posteriores, onde a mobilidade iônica na solução se torna limitada (METHA E MONTEIRO, 1994 – apud SANTIAGO, 2014). As reações de hidratação podem ser explicadas, a partir, da ilustração esquemática da Figura 1, adaptada (RIDI, FRATINI, BAGLIONI, 2011).

Durante a hidratação do cimento ocorrem reações químicas contínuas e exotérmicas, estas podem ser divididas em vários estágios, conforme o fluxo de calor (ROMANO, 2011;

SANTIAGO, 2014). A Figura 2 ilustra os cinco estágios e estes são descritos abaixo, segundo (FARIA, 2004; LYRA, 2010; SANTIAGO, 2014).

Fonte: adaptado de RIDI, FRATINI, BAGLIONI, 2011.

Figura 2.2: Estágios do processo de hidratação.

Fonte: FARIA, 2004

Figura 2.1:Representação das partículas de cimento em diferentes tempos de reação

de hidratação.

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1º Estágio: ocorre nos primeiros 15 a 20 minutos após a água entrar em contato com o cimento, o qual ao ser dissolvido forma uma suspensão de íons, um destes é o Al ³⁺ que reage de imediato com o gesso e a água do sistema, liberando uma grande quantidade de calor, originando o primeiro pico exotérmico. A partir desta reação forma-se uma camada constituída por pequenas agulhas chamadas etringita (FARIA, 2004).

2º Estágio: conhecido como período de indução ou dormente, as reações de hidratação ocorrem lentamente (2 a 4 horas), devido à formação de uma camada de gel de C-S-H (silicato de cálcio hidratado) em torno das partículas de cimento. Este ainda permanece plástico (FARIA, 2004; LYRA, 2010). Havendo gesso na forma de íons, a etringita continuará sendo formada, no entanto, de forma mais lenta. Ao término da dissolução dos minerais do cimento aumenta a concentração de íons na solução. Nesse estágio a liberação de calor é baixa e não havendo mais a formação de íons haverá uma instabilidade da camada de etringita ocasionando sua desintegração, cessando o período dormente (FARIA, 2004;

SANTIAGO, 2017).

3º Estágio: com um período de 4 a 8 horas, tem como principal característica a concentração crítica de íons e a conseqüente retomada das vigorosas reações nas quais, os íons Ca

²⁺ estão envolvidos na formação e precipitação do C–S–H e do CH. Nessa fase, ocorre a taxa máxima de reação, gerando uma forte liberação de calor que dá origem ao segundo pico exotérmico. O processo de pega chega ao final e o endurecimento se inicia (FARIA, 2004).

4º Estágio: inicia-se após o segundo pico exotérmico, convertendo etringita em monossulfato.

Consolida-se no tempo de 8 a 12 horas. Haverá a formação de uma proteção em torno do grão de cimento, o que evita o contato da água livre com a sua parte não hidratada (FARIA, 2004).

5º Estágio: último estágio (12 a 24 horas). Também recebe o nome de controle de difusão.

Neste estágio, a temperatura influencia pouco na hidratação (FARIA, 2004; SANTIAGO, 2017).

2.4 Alta temperatura

A temperatura afeta notavelmente a cinética de reação de hidratação do cimento

Portland. A taxa de hidratação do cimento, estabilidade e morfologia dos produtos de

hidratação são influenciadas por este parâmetro, uma vez que a temperatura elevada contribui

para a aceleração da hidratação do cimento. Quando trata-se de cura prolongada, geralmente,

o grau de hidratação e a resistência reduzem, provavelmente, devido a uma densa camada de

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gel C-S-H localizada ao redor da superfície do C 3 S, a qual dificulta sua completa hidratação (NELSON, 1990).

A Norma 10A da API (American Petroleum Institute), abrange as profundidades dos poços, os quais cada classe de cimento para poços de petróleo são aplicáveis. As mudanças na microestrutura e morfologia do gel C-S-H, ocorrem em temperaturas superiores a 40°C, onde o material torna-se mais fibroso e com elevado grau de polimerização de silicato (NELSON, 1990).

Em temperatura inferior a 110°C a fase C-S-H contribui fortemente para a estabilidade dimensional da resistência da pasta de cimento, porém, em temperatura superior a 110°C ocorre um metamorfismo nesta fase, resultando na retrogressão da resistência compressiva da pasta de cimento (AGOSTINHO, 2016).

Estas temperaturas se enquadram em casos de poços sujeitos à injeção de vapor, técnica utilizada como recuperação térmica, aumentando a temperatura do reservatório e com consequente redução da viscosidade do óleo, para facilidade de escoamento ou produção.

Para minimizar a retrogressão, pode-se reduzir a relação Ca/Si presente na pasta de

cimento. Adição de quartzo moído, areia de sílica ou sílica flour em concentrações de 35 a

40% em peso de cimento misturados a seco, são comumente utilizados visando a redução

dessa relação que ocorre, geralmente, próximo de 1 e forma o mineral tobermorita (C 5 S 6 H 5 ),

este preserva a alta resistência a compressão e baixa permeabilidade. Quando a temperatura

de cura aumenta para 150°C, há a conversão para xenotlita (C 6 S 6 H) e uma pequena

quantidade para gyrolita (C 6 S 3 H 2 ) ocasionado uma mínima deterioração do desempenho do

cimento. Em cimento Portland a 250°C pode conter tobermorita, devido à substituição de

alumínio na estrutura do retículo (NELSON, 2006 – apud AGOSTINHO, 2016). Na Figura 3

pode-se observar as condições para formação de compostos de silicato de cálcio, muitos

ocorrem geologicamente.

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2.5 Aditivos minerais

De origem mineral, em sua maioria, os aditivos minerais são compostos basicamente de minerais silicosos ou silico-aluminosos finamente moídos. Quando adicionados aos materiais cimentícios em quantidades relativamente grandes (10% a 100%) em relação à massa do cimento Portland, podem melhorar o comportamento destes, especialmente os concretos e argamassas no estado fluido. Nota-se uma melhor consistência e coesão das misturas. Após o endurecimento, ocorrem reações químicas e efeitos físicos. As reações pozolânicas ou cimentícias, melhoram a resistência à compreensão e diminuem a permeabilidade. Agem fisicamente, através do preenchimento de poros, também denominado efeito filler (ANJOS, 2009).

2.5.1 Principais aditivos minerais

Em materiais cimentícios, os aditivos minerais mais adicionados são os materiais pozolânicos naturais e os materiais de subprodutos como microssílica, as cinzas volantes (fly ash), a escória granulada de alto forno e a cinza da casca de arroz. Destaca-se a microssílica, um subproduto da fabricação de silício metálico ou de ligas de ferro-silício a partir do quartzo de elevada pureza e carvão em fornos elétricos de eletrodos de arco submerso (SANTIAGO, 2014).

Figura 2.3: Formação de silicatos de cálcio.

Fonte: TAYLOR, 1964

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2.6 Materiais pozolânicos

As pozolanas possuem em sua composição sílica (SiO 2 ) na forma não cristalina, com algum teor de alumina (Al 2 O 3 ) e de óxido de ferro (Fe 2 O 3 ). Classificam-se em: pozolanas naturais, como os materiais de origem vulcânica. Não exploradas comercialmente no Brasil;

artificiais, materiais resultantes de processos com o propósito de produzir uma pozolana ou em subprodutos com propriedades pozolânicas, como os resíduos industriais ou resíduos agrícolas, os quais requerem ou não um processamento posterior como secagem e moagem.

Exemplos: cinza volante, cinza de casca de arroz e cinza de bagaço de cana-de-açúcar (ANJOS, 2009; SANTIAGO, 2014).

Segundo a NBR 12653 (ABNT, 2012) materiais pozolânicos são materiais silicosos ou silicoaluminosos, que possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas, quando finamente divididos e na presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente formando compostos com propriedades aglomerantes.

2.6.1 Efeitos físicos das pozolanas

Quando as pozolanas são adicionadas ao cimento e na presença de água, podem contribuir com o ganho de resistência mecânica e redução de água para a trabalhabilidade devido ao efeito físico das partículas na distribuição granulométrica do sistema. Quanto mais fina a pozolana, mais acentuado é esse efeito. Como exemplo, tem-se a sílica ativa que possui diâmetro médio das partículas em 0,5 mm. Uma vez que o diâmetro das partículas do cimento Portland tem 45 mm, ao utilizar um teor de 15% de sílica como substituição deste, estima-se 2 milhões de partículas de sílica ativa para cada grão de cimento Portland (HOLLAND, 2005).

2.7 Areia proveniente da fabricação de materiais para construção civil

Segundo Guacelli (2010), a extração contínua das areias naturais – utilizadas em

argamassas, concretos e outros materiais utilizados em construções – resultou no esgotamento

das jazidas próximas aos grandes centros urbanos. Além disso, órgãos ambientais têm

aumentado as restrições para essa extração, devido ao impacto ocasionado na natureza. Esse

aspecto, é uma das justificativas para a busca de fontes alternativas e substituição da areia

natural por areia industrial.

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3 ESTADO DA ARTE

Cimentação em reservatórios submetidos a injeção de vapor a alta temperatura necessitam de uma atenção especial durante a formulação e preparação das pastas. Toda a estrutura que compõe o poço é afetada e a alta temperatura é conduzida até o cimento presente no espaço anular, o qual tem como função isolar a parede do poço e revestimento metálico.

As elevadas temperaturas propiciam a formação de novas fases ricas em cálcio na matriz do cimento que levam ao fenômeno da retrogressão da resistência mecânica. Essas alterações geram falhas no cimento, reduzindo o isolamento hidráulico do poço, propiciando a haver insegurança nas operações que o poço venha a ser submetido, bem como a redução de sua vida econômica, logo, pesquisas vêm sendo desenvolvidas visando analisar a influência de aditivos minerais substituindo aditivos comerciais em pasta de cimento submetidas a altas temperaturas na recuperação térmica.

Anjos (2009) avaliou a aplicação de pastas compósitas com adição de resíduos de biomassa do bagaço da cana-de-açúcar moídas como aditivo mineral anti-retrogressão para cimentação de poços petrolíferos sujeitos a recuperação térmica. Constatou-se que a cinza em teores de 40% e 59% tem ótima eficiência como aditivo anti-retrogressão, pois evitam a diminuição da resistência à compressão.

Santiago (2014) sugeriu a incorporação da cinza da casca de arroz como aditivo mineral substituinte da sílica flour, comercialmente utilizada, como fonte de sílica para reduzir a razão CaO/SiO 2 das pastas de cimento. Os resultados obtidos mostraram que a pasta contendo 30% de cinza de casca de arroz é satisfatória, obtendo resistência mecânica desejável e equivalente à resistência mecânica da pasta contendo 40% de sílica flour.

Agostinho (2016) apresentou o comportamento do resíduo cerâmico como aditivo em

pastas destinados a cimentação de poços de petróleo sujeitos à injeção de vapor, como um

substituto de baixo custo para sílica flour. As pastas curadas à alta temperatura que foram

aditivadas com resíduo cerâmico não se mostraram eficazes como aditivo antiretrogressão. Por

outro lado, a pasta com 30% de resíduo cerâmico curada à baixa temperatura, apresentou alto

valor de resistência compressiva, mais elevados que os das pastas de referência.

22

4 METODOLOGIA

Este capítulo descreve a metodologia experimental empregada na formulação das pastas de cimento, para uso em poços de petróleo sujeitos a injeção de vapor, utilizando o resíduo da indústria cimenteira como alternativa ao uso do aditivo sílica flour comercial.

Além disso, vem descrever também as técnicas de caracterização empregadas, assim como os testes de resistência a compressão do material obtido. A Figura 4.1exibe um fluxograma geral do procedimento experimental.

Foram preparadas pastas com a adição de resíduo da indústria cimenteira (RIC) em percentual de 35% em relação a massa de cimento. Para efeito de comparação dos resultados obtidos, também foi preparada a pasta com adição de 35% de sílica flour (utilizada em larga escala na formulação de pasta de cimento para poços submetidos a injeção de vapor), além de uma pasta padrão contendo apenas água e cimento. As pastas foram preparadas com massa específica de 1,87 𝑔/𝑐𝑚 ³ (15,6 lb/gal).

4.1 Materiais utilizados 4.1.1 Cimento

Figura 4.1: Fluxograma geral do procedimento experimental

23

Cimento Portland especial de classificação G, segundo definição API. Batelada 136, de fabricação MIZU.

4.1.2 Resíduo da indústria cimenteira (RIC)

Por questões de sigilo de informações, o resíduo não será apresentado, entretanto, trata-se de um material utilizado no processo de fabricação de produtos utilizados na construção civil. Este material é utilizado em uma faixa granulométrica específica, sendo rejeitado em granulações consideravelmente pequenas. O rejeito forma pilhas no pátio da indústria e não tem nenhuma aplicação ainda definida. Esta porção rejeitada é a utilizada no trabalho, como material promissor alternativo à materiais comercialmente utilizados em cimentação de poços de petróleo. A fábrica está localizada na Zona Rural de Mossoró, região do semiárido potiguar.

4.1.3 Sílica

A Sílica flour, material comercialmente utilizado, foi fornecida pela empresa Baker Hughes.

4.1.4 Água

Para a formulação das pastas, não é necessário utilizar água com tratamentos específicos. Foi utilizada água potável, proveniente da rede de distribuição local.

4.2 Caracterização do resíduo 4.2.1 Massa Específica

A massa específica do RIC foi determinada através de picnometria. Este dado é importante para o cálculo da densidade da pasta a ser formulada.

4.2.2 Análise Granulométrica

A granulometria do resíduo foi realizada por peneiramento, através de peneiras de até 200 mesh. Onde essas aberturas constituem uma série padrão.

4.2.3 Análise de Fluorescência de Raios X (FRX)

A partir desta técnica determina-se a composição química semiquantitativa dos

compostos. Esta técnica foi utilizada para determinação e quantificação da composição

24

química do resíduo proveniente da fabricação de argamassa, avaliando a porcentagem dos elementos: SiO 2, Al 2 O 3, e Fe 2 O 3 presentes no resíduo. Afim de verificar se o resíduo pode ser considerado um material pozolânico de acordo com requisitos químicos exigidos pela NBR 12653, a qual determina que a soma dos elementos anteriormente citados seja superior a 70%.

Realizou-se a análise, em um equipamento de fluorescência de raios x por energia dispersiva (EDX) da Shimadzu, modelo EDX-820 do laboratório de catálise e refino (LCR) localizado no Núcleo de Processamento Primário e Reuso de Águas e Resíduos (NUPPRAR) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

4.2.4 Difração de Raios X (DRX)

A análise por difração de raios X (DRX) é uma técnica padrão que permite a identificação mineral a partir da caracterização da estrutura cristalina dos materiais. Neste trabalho, utilizou-se esta técnica com a finalidade de verificar a existência de picos característico de SiO 2 no resíduo da indústria cimenteira utilizado. Foi utilizado o equipamento Shimadzu modelo XRD-7000 com radiação Cu Kα. Os dados foram coletados em um intervalo de variação angular entre 10° e 80°

4.3 Elaboração e caracterização das pastas

Os processos de elaboração, preparação e ensaios das pastas foram executados no Núcleo Tecnológico em Cimentação de Poços de Petróleo (NTCPP) da UFRN. O trabalho teve início com a coleta do resíduo, onde a indústria cimenteira o forneceu com granulometria inferior a 200 mesh. Após, formulou-se as pastas de cimento e as amostras foram curadas em tempo e temperatura determinados. As caracterizações química, física e mecânica do RIC e das pastas, foram elaboradas através de ensaios, seguindo todos os procedimentos do PROCELAB e da norma NBR-9831.

4.3.1 Cálculo das pastas

As concentrações dos materiais utilizados foram calculadas de acordo com os

procedimentos estabelecidas no PROCELAB (2005). As quantidades dos componentes para

as pastas foram calculados para a obtenção de uma quantidade volumétrica de 600 cm ³ de

pasta de cimento (quantidade necessária para realização dos ensaios de laboratório). As

densidades e volumes específicos dos materiais utilizados nas quatro pastas estão descritos na

Tabela 4.1.

25

Tabela 4.1: Densidade e volume específico a 25ºC dos materiais utilizados.

Materiais Densidade a 25⁰C (g/cm ³ )

Vol. Específico a 25⁰C (g/cm ³ )

Cimento especial 3,15 0,317

Resíduo cerâmico 2,62 0,382

Sílica flour 2,67 0,374

Água potável 0,997 1,003

Foram testadas três pastas de peso específico fixado em 1,87 g/cm ³ (15,6 lb/gal), peso ao qual é comumente utilizado em formulações de pastas de cimento Portland especial. As três pastas formuladas estão apresentadas na Tabela 4.2.

Tabela 4.2: Concentração dos aditivos das pastas de densidade 1,87 g/cm ³ (15,6 lb/gal).

Pasta

Cimento Portland Especial (g)

Concentração Aditivo – BWOC (%)

Resíduo Indústria Cimenteira (g)

Sílica

Flour (g) Água (g)

PAC 768,76 - - - 351,25

PSF35 582,25 35 - 203,79 334,34

PRIC35 582,15 35 203,75 - 335,64

4.3.2 Mistura das pastas

A mistura das pastas foi realizada de acordo com a NBR 9831 e procedimentos estabelecidos pelo PROCELAB (2005).

4.3.3 Cura das pastas

As amostras foram acomodadas em moldes cúbicos de 50,00 mm de aresta e

submetidas por 24 horas a temperatura de 125°F (52°C), simulando condições normais de um

poço na bacia potiguar equivalente a 600 metros de profundidade, cujo gradiente geotérmico é

de 2,3ºF/100ft e 1 ATM. Posteriormente, foram submetidas à câmara de cura HPHT (High

26

Pressure High Temperature – alta pressão e alta temperatura) modelo Chandler 1910 (Figura 4.2) por 7 dias a 300°C e 3.000 PSI, condição de alta temperatura (simulação de injeção de vapor). A Figura 4.3 exibe o fluxograma das etapas de cura das pastas.

Figura 4.2: Câmara de cura.

27

Figura 4.3: Fluxograma do procedimento de cura das pastas.

4.3.4 Resistência à Compressão

Após o período de cura, procedeu-se o resfriamento lento. Posteriormente, todos os corpos de prova de todas as formulações elaboradas, foram ensaiados em uma máquina universal de ensaio da Shimadzu, seguindo os procedimentos descritos pela NBR 9831. Os ensaios foram realizados obtendo-se os valores de resistência em MPa.

4.3.5 Difração de Raios X (DRX)

Foi utilizada com o intuito de identificar os picos de difração dos diversos compostos de hidratação do cimento. Utilizou-se o equipamento Shimadzu modelo XRD-7000, com fonte de radiação de CuKα.

4.3.6 Análise Termogravimétrica

A análise termogravimétrica (TG), foi executada afim de relacionar o percentual de

massa da amostra quando submetida a uma variação de temperatura, determinando assim a

atividade pozolânica do resíduo. O ensaio foi realizado no equipamento DTG-60 da

Shimadzu, sob taxa de aquecimento de 10°C/min, numa faixa de temperatura ambiente até

28

900°C, utilizando atmosfera dinâmica de nitrogênio a uma vazão de 50 mL/min. Durante as

análises, utilizou-se cadinhos de platina de 70 microlitros e massa de amostra de

aproximadamente 15 miligramas.

29

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 Caracterização do resíduo da indústria cimenteira 5.1.1 Massa Específica

A massa específica do RIC encontrada foi de 2,62 𝑔/𝑐𝑚 ³ , determinado através de picnometria. Este dado é utilizado na determinação da densidade absoluta, importante para cálculos da formulação das pastas com as densidades utilizadas.

5.1.2 Análise Granulométrica

A granulometria do resíduo fornecido foi analisada por peneiramento, tendo o seu resultado apresentado valores inferiores a 200 mesh (0,074 mm).

5.1.3 Fluorescência de raios-x (FRX)

A sílica flour foi utilizada como referência e ao analisar sua composição química identificam-se quais as suas características que a fazem um aditivo mineral utilizado vastamente pela indústria de cimentos.

A norma NBR 12653 (ABNT, 2012) estabelece que os aditivos minerais, são

considerados pozolânicos, quando apresentam um teor de Al 2 O 3 +SiO 2 +Fe 2 O 3 de pelo menos

70%, assim como de SO 3 abaixo de 4%. As composições químicas da sílica flour e do RIC

são apresentadas na Tabela 5.1.

30

Tabela 5.1: Composição química das fontes de sílica.

Compostos Sílica flour RIC Teor (%)

SiO 2 93,364 50,506

Al 2 O 3 2,410 31,065

CaO 2,248 3,414

Fe 2 O 3 0,227 3,805

SO 3 1,631 0,125

MnO 0,020 0,054

Cs 2 O 0,071 -

Cr 2 O 3 0,029 -

K 2 O - 9,940

TiO 2 - 0,875

ZrO 2 - 0,184

SrO - 0,015

Rb 2 O - 0,009

ZnO - 0,005

Y 2 O 3 - 0,004

Fonte: Adaptação de Santiago (2014).

A análise de FRX comprovou que a percentagem da soma dos elementos: SiO 2, Al 2 O 3,

e Fe 2 O 3 presentes na composição do resíduo era de 85,376%, valor que se enquadra como

material pozolânico de acordo com requisitos químicos exigidos pela norma NBR 12653, uma

vez que o teor Al 2 O 3 +SiO 2 +Fe 2 O 3 chega a ser superior a 70%, enquanto que o teor de SO 3 é

de 0,125 (< 4%).

31

Com esses resultados, comprovou-se a possibilidade de aplicação do material em pastas de cimento a partir dos limites exigidos pela norma NBR 12653 (ABNT, 2012), utilizando-o como material pozolânico, garantindo a potencialidade do mesmo em reagir com as fases de hidratação do cimento. Observa-se, que o teor de Al 2 O 3 +SiO 2 +Fe 2 O 3 da sílica flour chega a ser superior a 96% (>70%) enquanto que o teor de SO 3 é de 1,631 (< 4%).

5.1.4 Difração de raios X (DRX) do RIC

O difratograma de raios X da amostra RIC, resultou em um material que apresentam uma cristalinidade referente há algumas fases bem definidas, apresentando também uma amorfização devido há alguns contaminantes presentes na amostra. Observou-se na Figura 5.1, grande predominância de quartzo (SiO 2 ). Além da sílica, encontrou-se também as seguintes fases: Si 80 O 160 (óxido de silício), Si 6 Al 2 Fe 6 K 1,91 O 24 (alumínio silicato), CaCO 3

(carbonato de cálcio). Essas são características do tipo de resíduo, pois o mesmo é extraído de rios, apresentando “contaminantes” como argila e calcita. Há a sobreposição de fases, dificultando a identificação, porém, podem ser identificados os compostos mais comuns neste tipo de resíduo, como o quartzo. De acordo com Santiago (2014), este arranjo pode ser reorganizado, tendendo a formar novas fases, quando sujeito à elevadas temperaturas. O surgimento de novas fases pode implicar numa melhoria no combate a retrogressão das pastas.

Figura 5.1: Difratograma de raios-X do RIC.

32

5.2 Caracterização das pastas 5.2.1 Difração de Raios-X (DRX)

As mudanças ocorridas na estrutura química das pastas de cimento, justificam as alterações sofridas pela resistência à compressão das pastas de cimento submetidas a elevadas temperaturas. Dessa forma, é essencial observar a formação de novas fases.

5.2.1.1 Pasta padrão (PCA)

A Figura 5.2 para a pasta padrão (PCA), mostra a presença de três fases, sendo duas delas variações de silicato de cálcio hidratado. As fórmulas químicas estão demonstradas na tabela 5.2, assim como a relação Ca/Si.

Os produtos hidratados que apresentam uma alta relação Ca/Si, podem ser responsáveis pela menor resistência mecânica desta pasta quando submetidas a altas temperatura e pressão, resultando em um aumento de permeabilidade do cimento e redução da resistência mecânica. Mais a diante será discutido os ensaios de resistência a compressão.

Observou-se, no difratograma a seguir, a presença de silicato de cálcio hidratado com duas estruturas Ca 5 (SiO 4 ) 2 (OH) 2 e Ca 6,43 Si 4 O 16 H 3,17 , que apresentam relação Ca/Si superior a 2,0. Como pode ser observado na Tabela 5.2. Valores que contribuem para o aumento de permeabilidade e retrogressão da resistência mecânica.

Figura 5.2: Difratograma de raios-X do pasta padrão PAC.

33

Tabela 5.2: Identificação das fases para amostra PCA.

Fase / Fórmula Química Ca / Si

Calcio-chondrodite, syn / Ca 5 (SiO 4 ) 2 (OH) 2 2,5 Killalaite / Ca 6,43 Si 4 O 16 H 3,17 1,61

Olivine / O 16 Si 3,92 Ca 7,96 2,03

Anjos (2009) afirma que a presença de fases de silicato de cálcio hidratadas como o Ca 5 (SiO 4 ) 2 (OH) 2, que apresenta uma relação Ca/Si superior a 1, torna-se fator negativo para pastas cimentícias que serão sujeitas a altas temperaturas, uma vez que estas fases, quando submetidas a temperaturas acima de 120°C, tendem a se cristalizar em fases ricas em óxido de cálcio (CaO), favorecendo a retrogressão da resistência à compressão e aumento da permeabilidade.

5.2.1.2 Pasta referência com 35% de sílica flour (PSF35)

A pasta referência, contendo 35% de sílica flour, teve um comportamento diferente da

pasta padrão (sem adição de aditivo mineral) na análise de difração de raios-X. A Figura 5.3

mostra que foram formadas novas fases ricas em sílica como a Xonotlite e a Riversideite –

9A, que apresentam relação Ca/Si igual 1,0 e 0,83, respectivamente. As fórmulas químicas

das fases formadas podem ser observadas na Tabela 5.3. Essas fases com teores mais elevados

de silício, diminuem consequentemente a relação Ca/Si, reduzindo o efeito da retrogressão da

resistência à compressão da pasta de cimento.

34

Figura 5.3: Difratograma de raios-X do pasta padrão PSF35.

Tabela 5.3: Identificação das fases para amostra PSF35.

Fase / Fórmula Química Ca / Si

Xonotlite / Ca 12 Si 12 O 38 1

Xonotlite, syn / Ca 6 Si 6 O 17 (OH) 2 1 Riversideite – 9A / Ca 5 Si 6 O 16 (OH) 2 0,83

Srebrodolskite, syn / Ca 2 Fe 2 O 5 -

Segundo Santiago (2014) as fases Xonotlite, syn (Ca 6 Si 6 O 17 (OH) 2) e Riversideite – 9ª (Ca 5 Si 6 O 16 (OH) 2 ) desenvolvem-se em pastas de cimento aditivadas com minerais de alto teor de sílica e quando estas são submetidas a temperaturas acima de 110°C.

5.2.1.3 Pasta teste com 35% de RIC (PRIC35)

O difratograma da pasta teste, contendo 35% do RIC, apresenta as fases dos produtos

de hidratação formadas para esta formulação (Figura 5.4). Apesar da sobreposição de picos,

foram identificadas as fases Xonotlite syn, Killalaite, Hatrurite e Portlandite.

35

Figura 5.4: Difratograma de raios-X da pasta padrão PRIC35.

Analisando as fórmulas químicas das fases encontradas (Tabela 5.4), observou-se que houve a redução da relação Ca/Si quando comparado com a pasta padrão PCA. As relações são de valor igual a 1,0 e 1,61 para a fase Xonotlite e Killalaite, respectivamente. Essas baixas relações são favoráveis para a obtenção de pastas de cimento com maior resistência a esforços mecânicos e baixa permeabilidade.

Tabela 5.4: Identificação das fases para amostra PRIC35.

Fase / Fórmula Química Ca / Si

Xonotlite, syn / Ca 6 Si 6 O 17 (OH) 2 1 Killalaite / Ca 6,43 Si 4 O 16 H 3,17 1,61

Hatrurite / Ca 3 SiO 5 3

Portlandite / Ca(OH) 2 -

A fase Xonotitle que apresenta a relação Ca/Si igual a 1,0, foi formada tanto na pasta

com adição de 35% de sílica flour como na pasta com adição de 35% do RIC, podendo ser

explicado devido as características físicas e químicas destes aditivos minerais serem

semelhantes. E comprovando que tanto a adição de sílica flour, quanto do RIC é favorável

36

para a formação de fases com propriedades que garantem o controle do efeito da retrogressão da resistência mecânica das pasta cimentícias.

5.2.2 Resistência à compressão

Com a finalidade de avaliar o comportamento das pastas formuladas e submetidas à alta temperatura e pressão, realizou-se o ensaio de resistência à compressão utilizando os valores médios dos corpos de prova testados, além de simular as condições reais de pressão (3000 PSI) e temperatura (300ºC) em poços submetidos a injeção de vapor. Os valores obtidos nos corpos de prova podem ser observados na Figura 5.5, onde os valores da resistência estão em MPa.

Figura 5.5: Resistência compressiva dos corpos de prova das pastas depois da cura durante 7 dias à 300°C e 3000 PSI (simulação injeção de vapor).

Conforme pôde ser observado, o melhor desempenho foi da pasta aditivada com 35%

de RIC (PRIC35), com uma resistência de 22,342 Mpa, o que equivale a 3240,549 PSI.

Apresentando um valor de resistência compressiva superior a 60%, comparando-se a pasta adicionada com 35% de sílica flour (PSF35), a qual já era esperado apresentar um bom valor de resistência compressiva mesmo depois de submetidos a injeção de vapor. A pasta padrão (PAC) apresentou a menor resistência à compressão, com resultado de 6,040 Mpa (876,028 PSI).

Os dados acima confirmam os resultados do DRX das pastas, onde para as pastas

PSF35 e PRIC 35, observou-se o surgimento de novas fases hidratadas, com menor relação

Ca/Si favorecendo uma menor permeabilidade e menor retrogressão da resistência mecânica.

37

Nas Figura 5.6 e 5.7 pode-se observar a amostra da pasta sendo submetida a análise de resistência a compressão.

Figura 5.6: Amostra do cimento no início do ensaio de resistência a compressão.

Figura 5.7: Amostra do cimento ao término do

ensaio de resistência a compressão.

38

O aumento da resistência à compressão ao invés do decréscimo em pastas de cimento submetidas a elevadas temperaturas, também já foi encontrado por Anjos (2009) em um estudo onde utilizou-se um resíduo proveniente da queima da biomassa da cana-deaçúcar como aditivo anti-retrogressão da resistência.

De acordo com Santiago (2014), o valor considerado aceitável para garantir que a cimentação estará propícia para suportar os esforços aos quais o poço deverá estar sujeito é em torno de 10,7 Mpa, o equivalente a 1500 PSI. Uma vez que a pasta aditivada com o RIC apresenta mais que o dobro da resistência aceitável, este torna-se uma excelente alternativa como substituinte do resíduo comercial.

Comparando a pasta PSF35 com a pasta com 35% de RIC, pôde-se concluir que a adição do RIC em proporção de 35% é favorável para a formulação de pastas de cimento a serem submetidas à recuperação térmica, uma vez que em alta temperatura formam-se fases que mantêm a resistência do cimento em valores admissíveis para suportar os esforços mecânicos gerados nos poços. Este resultado é benéfico tanto do ponto de vista econômico, como ambiental. Visto que o aditivo trata-se de um resíduo, sem valor comercial, tornando-o uma opção mais barata quando comparado ao aditivo sílica flour comercialmente utilizado, resultando em uma minimização dos custos de operação. Levando em consideração o ponto de vista ambiental, o resíduo não será mais depositado no meio ambiente tendo como destino adequado a reutilização.

Consequentemente, a utilização do RIC, pelas características exibidas, possibilitará a redução dos custos de operação, uma vez que o consumo do cimento será reduzido, assim como também na manutenção que deverá ter menos ocorrência de possíveis falhas na cimentação em virtude das altas temperaturas em poços com recuperação térmica, resultando em menor necessidade de operações de cimentação secundária.

5.2.3 Análise termogravimétrica

A partir da análise termogravimétrica, determinou-se o teor de hidróxido de cálcio e avalia a quantidade de água quimicamente combinada com os produtos hidratados do cimento através da perda de massa. (SANTIAGO, 2014).

Para auxiliar na interpretação dos resultados de termogravimetria, a Tabela 5.5

apresenta os valores relativos às perdas de massa para cada pasta de cimento analisada a partir

das faixas de temperatura de decomposição definidas.

39

Tabela 5.5: Resultados das porcentagens de perda de massa das pastas.

FORMULAÇÃO

FAIXA DE TEMPERATURA DE DECOMPOSIÇÃO

Água Livre C-S-H C-S-H C-H

20°C – 100°C 100°C – 300°C 300°C – 400°C 400°C – 500°C PERDA DE MASSA

PCA 0,43% 1,49% 2,38% 4,52%

PSF35 0,81% 1,78% 1,73% 1,21%

PRIC35 9,19% 0,51% 1,32% 1,01%

No intervalo de 20ºC a 100ºC, há uma maior perda de massa, para a pasta contendo 35% de RIC, indicando maior quantidade de água livre e menor formação de produtos hidratados como o C-S-H. As pastas PSF35 e PCA apresentam perda de massa semelhantes, porém inferiores à perda da PRIC35.

Na faixa de temperatura de 300ºC a 400ºC as perdas de massa das três pastas são bem próximas, correspondendo à perda de água quimicamente ligada as fases hidratadas do cimento (C-S-H). Mas, analisando as porcentagens de perda para essa faixa de temperatura, percebe-se que as pastas formuladas com silício em suas composições apresentaram menor perda de massa, uma vez que, favorecem a formação de fases de menor relação Ca/Si, que são mais estáveis quimicamente e suportam maiores variações de temperatura.

Por fim, na faixa de temperatura de 400ºC a 500ºC, a perda de massa corresponde a desidratação combinada do hidróxido de cálcio. Como é visto, apenas a pasta padrão apresenta uma perda significativa.

Os resultados de termogravimetria das três pastas estudadas estão plotados em um

único gráfico na Figura 5.6, facilitando a comparação dos resultados discutidos.

40

Figura 5.8: Curva termogravimétrica das pastas PCA, PSF35 e PRIC35.

41

5 CONCLUSÕES

A partir das análises de FRX e DRX do RIC avaliou-se a potencialidade deste como alternativo a aditivo comercial, utilizado especificamente nas pastas de cimento para cimentação de poços de petróleo submetidos a injeção de vapor. Assim como foi caracterizado como agente antiretrogressão, sem a necessidade de tratamento prévio ou redução da granulometria.

Foram formuladas pastas de cimento com materiais de referência e pasta com utilização do resíduo, posteriormente realizou-se a cura das pastas em condições de simulação de injeção de vapor, para que assim fosse feita a caracterização das pastas curadas.

A análise de resistência a compressão das pastas indicaram que a pasta aditivada com o RIC apresentou o maior valor de resistência compressiva, quando em comparação com as pastas com adição de sílica flour e a pasta padrão sem aditivos. A pasta com a adição de 35%

de RIC - PRIC35, apresentou um valor de resistência compressiva superior a 60%, comparando-se a pasta aditivada com sílica flour (PSF35).

Contudo, a utilização do RIC como uso alternativo ao aditivo comercial garantiria redução nos custos de produção destas pastas, consequentemente a operação de cimentação teria um custo menor. Sendo uma diferença significativa, além de permitir uma destinação aos resíduos cerâmicos, reduzindo o impacto ambiental provocado pelo descarte destes.

Para futuros trabalhos, propõe-se avaliar a influência deste em pastas cimentícias

variando a concentração do RIC.

42

REFERÊNCIAS

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