Caracterização da goma diutana em um fluido de perfuração base-água

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ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE PETRÓLEO CURSO DE ENGENHARIA DE PETRÓLEO

JULIA FELIX FIDELIS VINICIUS CANTARINO CURCINO

CARACTERIZAÇÃO DA GOMA DIUTANA EM UM FLUIDO DE PERFURAÇÃO BASE-ÁGUA

Niterói-RJ 2018

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VINICIUS CANTARINO CURCINO

Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado ao Corpo Docente do Departamento de Engenharia Química e de Petróleo da Escola de Engenharia da Universidade Fe-deral Fluminense, como parte dos requisi-tos necessários à obtenção do título de En-genheira(o) de Petróleo

Orientador: Prof. João Crisósthomo de Queiroz Neto

Niterói-RJ 2018

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VINICIUS CANTARINO CURCINO

Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado ao Corpo Docente do Departamento de Engenharia Química e de Petróleo da Escola de Engenharia da Universidade Fe-deral Fluminense, como parte dos requisi-tos necessários à obtenção do título de En-genheira(o) de Petróleo.

Aprovado em 10 de dezembro de 2018, com nota 10,0 (dez, zero), pela banca examinadora

BANCA EXAMINADORA

Prof. João Crisósthomo de Queiroz Neto, D.Sc. - Orientador UFF

Prof. Alfredo Moises Vallejos Carrasco , D.Sc. UFF

Prof. Roger Matsumoto Moreira, Ph.D. UFF

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Agradeço primeiramente à Deus, que é a base para todos os caminhos na mi-nha vida, aos meus pais Sergio e Beatriz e meu irmão Davi, que sempre estiveram ao meu lado me apoiando e me incentivando para superar todos os desafios que eu encontrava a cada dia e se alegrando com as vitórias e conquistas. Sem eles eu ja-mais chegaria perto de onde cheguei. Agradeço à minha família e aos amigos que sempre torceram para que esse sonho se realizasse, em especial ao amigo Vinicius Cantarino, que lutou junto de mim do início ao fim e, desta forma, alcançamos nossos objetivos com muita força, dedicação e amizade, sendo de fundamental importância para realização desse trabalho. (Julia)

Agradeço à minha família e amigos, em especial aos meus pais Marcos e Liete e ao meu irmão Matheus, por tudo o que representam para mim, todo apoio prestado durante esses anos, superando junto de mim os momentos difíceis e comemorando as alegrias alcançadas, sendo peças chave para que a conclusão desse ciclo fosse possível. Agradeço também a minha amiga Julia Felix, que compartilhou comigo mo-mentos de felicidade e de tristeza, sempre com bom humor e paciência, possibilitando assim que alcancemos nossos objetivos durante as trajetórias acadêmica e profissio-nal. (Vinicius)

Agradecemos também aos professores que passaram por nós ao longo do curso, que agregaram conhecimento, e assim, foi possível consolidar o aprendizado vivido em sala de aula. Em destaque, agradecemos ao professor e nosso orientador João Cri-sósthomo de Queiroz Neto, que esteve sempre à disposição para contribuir conosco intelectualmente e operacionalmente e ao Guilherme Pereira Mota, que nos auxiliou com muita generosidade em todos os passos para a execução deste trabalho. (Julia e Vinicius)

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Os fluidos de perfuração têm um papel fundamental durante a etapa de perfu-ração de um poço. Por causa disso, o desenvolvimento de uma formulação de fluido de perfuração envolve conhecimento das formações a ser perfuradas, dos fluidos con-tidos em seus poros e dos aditivos de fluido de perfuração, o que torna esta atividade um grande desafio para os engenheiros que trabalham com esse fluido. Na formulação dos fluidos são adicionados determinados aditivos que visam aumentar seu desempe-nho nas suas diversas funções e, com isso, melhorar suas características e proprie-dades desejadas. Uma dessas proprieproprie-dades é a viscosidade, que é responsável pela capacidade de limpeza e carreamento do fluido de perfuração. A goma xantana é um aditivo muito usado no controle da viscosidade do fluido de perfuração a base água. A goma diutana é também um aditivo para o controle da viscosidade, porém ainda é pouca usada nas formulações dos fluidos de perfuração, por ser pouco estudada. Para tal, foram realizados testes em laboratório através dos reômetros HAAKE RS50 e Mars III a fim de confrontar o desempenho das duas gomas em solução aquosa e da goma diutana em suspensão, ou seja, em um fluido de perfuração base água. Palavras-chave: Fluidos de Perfuração, Goma Xantana, Goma Diutana.

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Drilling fluids stablish a key role during the drilling stage of a well. Because of this, the development of a drilling fluid formulation involves knowledge of the formati-ons to be drilled, of the fluids contained in their pores and of the drilling fluid additives, which makes this activity a major challenge for engineers working with that fluid. In the formulation of fluids certain additives are added which aim to increase their per-formance in their various functions and thereby improve their desired properties and properties. One of these properties is the viscosity, which is responsible for the clea-ning and carrying capacity of the drilling fluid. Xanthan gum is a widely used additive in controlling the viscosity of waterborne drilling fluid. Diutan gum is also an additive for viscosity control, but it is still little used in the formulations of drilling fluids, because it is little studied.Therefore, laboratory tests were performed through the HAAKE RS50 and MARS III rheometer to compare the performance of the two gums in aqueous solution and the diutan gum in suspension, which is a water-based drilling fluid.

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Figura1 – Tensões normal e cisalhante. . . 10

Figura2 – Escoamento de um fluido entre placas. . . 10

Figura3 – Classificação de fluidos segundo a reologia.. . . 12

Figura4 – Fluidos não newtonianos independentes do tempo. . . 12

Figura5 – Estrutura molecular da goma xantana. . . 20

Figura6 – Estrutura molecular da goma diutana. . . 22

Figura7 – Ensaio de tixotropia. . . 25

Figura8 – Curva de fluxo. . . 25

Figura9 – Rampa de tensão. . . 26

Figura10 – Rampa de frequência. . . 27

Figura11 – Geometria cone-placa . . . 28

Figura12 – Reômetro HAKKE RS 50 com todos os componentes. . . 30

Figura13 – Reômetro HAKKE MARS III. . . 30

Figura14 – Agitador e balança . . . 35

Figura15 – Comparação curvas de fluxo goma diutana. . . 39

Figura16 – Curva de fluxo - goma diutana salgada, 60°C. . . 43

Figura17 – Tixotropia - goma diutana pura, 20°C. . . 45

Figura18 – Tixotropia - goma diutana salgada, 20°C. . . 45

Figura19 – Rampa de tensão - goma diutana salgada , 20°C. . . 46

Figura20 – Rampa de frequência, goma diutana, 20 °C.. . . 49

Figura21 – Rampa de frequência, goma diutana, 40°C. . . 50

Figura22 – Rampa de frequência, goma diutana, 60 °C.. . . 51

Figura23 – Rampa de frequência, efeito da contaminação, goma diutana.. . . 52

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Figura26 – Tixotropia - goma xantana salgada com magnésio , 60°C. . . 59

Figura27 – Rampa de tensão - goma xantana doce , 20°C . . . 61

Figura28 – Rampa de frequência, goma xantana, 20 °C. . . 63

Figura31 – Comparação curvas de fluxo, goma xantana e diutana. . . 67

Figura32 – Curvas de fluxo - Comparação entre os fluidos de perfuração com diutana,60°C . . . 73

Figura33 – Curvas de fluxo - fluido de perfuração com diutana,60°C . . . 73

Figura34 – Tixotropia - Comportamento da viscosidade, fluido de perfuração com diutana sem contaminação,60°C. . . 76

Figura35 – Comparação as curvas de tixotropia entre os fluidos de perfura-ção com diutana. . . 77

Figura36 – Rampa de tensão - fluido de perfuração com diutana,60°C. . . 78

Figura37 – Rampa de frequência - fluido de perfuração com diutana, 60°C. . . 79

Figura38 – Efeito da Temperatura curvas de fluxo - fluidos de perfuração com diutana. . . 81

Figura39 – Efeito da Temperatura rampa de frequência- fluidos de perfuração com diutana. . . 83

Figura40 – Efeito da Contaminação Curvas de fluxo - fluido de perfuração com diutana,60°C. . . 85

Figura41 – Efeito da Contaminação Rampa de frequência- fluido de perfura-ção com diutana,60°C. . . 85

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Tabela1 – Classificação reológica dos materiais quanto ao número de

De-borah (De). . . 9

Tabela2 – Modelos de fluidos não-Newtonianos - Equações Constitutivas.. . . . 14

Tabela3 – Modelos de fluidos não-Newtonianos – Fluidos Viscoelásticos Li-neares. . . 15

Tabela4 – Modelos de fluidos não-Newtonianos – Fluidos Viscoelásticos Não-Lineares. . . 16

Tabela5 – Tempo de mistura dos componentes da solução. . . 32

Tabela6 – Concentrações utilizadas. . . 32

Tabela7 – Componentes do fluido de perfuração para 350ml. . . 33

Tabela8 – Componentes do fluido de perfuração contaminado com cálcio para 350ml. . . 33

Tabela9 – Componentes do fluido de perfuração contaminado com magné-sio para 350ml. . . 34

Tabela10 – Componentes do fluido de perfuração contaminado com cálcio e magnésio para 350ml.. . . 34

Tabela11 – Preparo do fluido de perfuração. . . 36

Tabela12 – Parâmetros dos modelos Potências e Herschel-Bulkley para as amostras da goma diutana a 20°C. . . 40

Tabela15 – Influência da temperatura nos parâmetros do modelo de potên-cias para a goma diutana. . . 43

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rentes temperaturas. . . 44 Tabela17 – Parâmetros dos modelos de Potências e Herschel-Bulkley para

as amostras da goma xantana a 20°C. . . 55 Tabela18 – Parâmetros dos modelos de Potências e Herschel-Bulkley para

as amostras da goma xantana a 40°C. . . 55 Tabela19 – Parâmetros dos modelos de Potências e Herschel-Bulkley para

as amostras da goma xantana a 60°C. . . 56 Tabela20 – Influência da temperatura nos parâmetros do modelo de

potên-cias para a goma xantana. . . 57 Tabela21 – Valores de tixotropia para as amostras de goma xantana a

dife-rentes temperaturas. . . 60 Tabela22 – Comparação entre os parâmetros do modelo de Potências para

as gomas diutana e xantana. . . 68 Tabela23 – Comparação entre os graus de tixotropia das gomas diutana e

xantana. . . 70 Tabela24 – Comparação entre o ponto gel das gomas diutana e xantana.. . . 71 Tabela25 – Parâmetros do modelo de Herschel-Bulkley para o fluido de

per-furação contendo diutana . . . 74 Tabela26 – Comparação entre os graus de tixotropia dos fluidos de

perfura-ção com diutana. . . 76 Tabela27 – Parâmetros do modelo de Herschel-Bulkley para o fluido de

per-furação contendo diutana, 20°C. . . 82 Tabela28 – Parâmetros do modelo de Herschel-Bulkley para o fluido de

per-furação contendo diutana, 40°C. . . 82 Tabela29 – Comparação entre os pontos de cruzamento dos fluidos com

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De Número de Deborah

λT Tempo natural ou característico de relaxação do material

∆F Força ∆A Área

˙

γi,j Taxa de Cisalhamento

∆X Distância entre as placas ∆V Variação da velocidade τi,j Tensor Tensão

µ Viscosidade Newtoniana ηa Viscosidade Aparente

k Índice de Consistência do Fluido n Índice de Comportamento do Fluido η0 Viscosidade do Platô Newtoniano

η∞ Viscosidade quando ˙γ → ∞

τ1/2 Valor da Tensão quando η =

η0

2

Tb Parâmetro do Modelo de Cross Modificado

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τ∗ Tensão na qual ocorre a transição entre o primeiro patamar Newtoniano e a

região da Lei das Potências λr Tempo de Retardação

Φ1 Primeiro Coeficiente de Tensões Normais

Φ2 Segundo Coeficiente de Tensões Normais

t0 Tempo Passado t Tempo Presente

˙¯¯γ Tensor Taxa de Deformação ¯

¯

γ Tensor Deformação

τ0 Tensão Inicial de Escoamento ou Tensão no Ponto de Escoamento

ω Frequência

γo Amplitude máxima de deformação

τo Amplitude da tensão

δ Defasagem

G0 Módulo de Armazenamento em Cislahamento G00 Módulo de Perda em Cisalhamento

tanδ Coeficiente de Amortecimento G∗ Módulo Complexo em Cisalhamento η∗ Viscosidade Complexa em Cisalhamento η0 Viscosidade Dinâmica

η Viscosidade Imaginária

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D

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1 INTRODUÇÃO. . . 1

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS. . . 1

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO . . . 1

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. . . . 3

2.1 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO . . . 3

2.1.1 TIPOS DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO . . . 3

2.1.2 PRINCIPAIS ADITIVOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE PERFU-RAÇÃO . . . 6

2.2 REOLOGIA EM ESTADO ESTACIONÁRIO . . . 8

2.2.1 TENSÃO, DEFORMAÇÃO E TAXA DE DEFORMAÇÃO . . . 9

2.2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS . . . 10

2.3 MODELOS REOLÓGICOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE PERFURA-ÇÃO . . . 13

2.4 REOLOGIA EM ESTADO OSCILATÓRIO . . . 16

3 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E REOLÓGICA DAS GOMAS XANTANA E DIUTANA. . . 19 3.1 GOMA XANTANA. . . 19 3.1.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS . . . 19 3.1.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS . . . 20 3.2 GOMA DIUTANA . . . 22 3.2.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS . . . 22 3.2.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS . . . 22

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4.1.1 TESTE DE TIXOTROPIA . . . 24

4.1.2 CURVA DE FLUXO . . . 25

4.2 ENSAIOS EM REGIME OSCILATÓRIO . . . 26

4.2.1 RAMPA DE TENSÃO. . . 26

4.2.2 RAMPA DE FREQUÊNCIA . . . 27

5 MATERIAIS E MÉTODOS. . . 28

5.1 REÔMETRO HAAKE RS 50 E MARS III . . . 28

5.2 SOLUÇÕES AQUOSAS COM AS GOMAS DIUTANA E XANTANA. . . 31

5.2.1 METODOLOGIA EMPREGADA NO PREPARO DAS SOLUÇÕES 31 5.3 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO CONTENDO AS GOMAS XANTANA E DIUTANA . . . 32

5.3.1 METODOLOGIA UTILIZADA NO PREPARO DOS FLUIDOS . . . 32

6 ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS. . . 37

6.1 CARACTERIZAÇÃO DA GOMA DIUTANA EM SOLUÇÃO AQUOSA . . . 37

6.1.1 ENSAIOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO . . . 38

6.1.2 ENSAIOS EM ESTADO OSCILATÓRIO . . . 46

6.2 CARACTERIZAÇÃO DA GOMA XANTANA EM SOLUÇÃO AQUOSA . . . 53

6.2.1 ENSAIOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO . . . 53

6.2.2 ENSAIOS EM ESTADO OSCILATÓRIO . . . 60

6.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS GOMAS DIUTANA E XANTANA EM SOLU-ÇÃO AQUOSA . . . 62

6.3.1 CURVAS DE FLUXO . . . 62

6.3.2 TIXOTROPIA . . . 69

6.3.3 CROSSOVER . . . 70

6.4 CARACTERIZAÇÃO DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO BASE-ÁGUA COM A GOMA DIUTANA . . . 72

6.4.1 CURVA DE FLUXO . . . 72

6.4.2 TIXOTROPIA . . . 74

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6.4.5 EFEITO DA CONTAMINAÇÃO . . . 83

7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS. . . 86

7.1 CONCLUSÕES . . . 86

7.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS . . . 88

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1 INTRODUÇÃO

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS

Os fluidos de perfuração, também conhecidos como lamas de perfuração, são fundamentais para o processo de perfuração de poços de petróleo, pois desempe-nham funções importantes como controle da pressão de formação, carreamento de cascalhos até a superfície e manutenção da estabilidade do poço.

Os fluidos podem ser de alguns tipos como: base água, base óleo sintético e base ar. Em muitos casos, são utilizados aditivos para controlar as propriedades do fluido e desta forma incrementar a sua eficácia de operação, sendo eles de caracte-rísticas adensantes, inibidoras, viscosificantes, entre outras.

Neste trabalho, apresentam-se os tipos de fluidos existentes com foco nos flui-dos base água e nos aditivos viscosificantes. O experimento é realizado para carac-terização da goma diutana, ainda pouco utilizada, confrontando-se seu desempenho com a goma xantana que já é largamente conhecida na indústria.

O estudo levou em consideração as propriedades reológicas de polímeros para que, posteriormente ao levantamento de dados experimentais, fosse possível ana-lisar as formas de escoamento, deformação, classificação do fluido de acordo com os modelos existentes. E, com isso, descrever as características da goma diutana e compará-la com a xantana em solução aquosa, e realizar o estudo da goma diutana como fluido de perfuração apontando, desta forma, suas funcionalidades na indústria petrolífera.

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO

Este trabalho está dividido em 7 capítulos , os quais mostram aspectos teóricos, procedimentos experimentais, análise de dados e conclusões.

O capítulo 1 é introdutório apresentando os objetivos do trabalho e a organiza-ção textual.

O capítulo 2 envolve toda a parte teórica a respeito de fluidos de perfuração, bem como suas classificações e modelos aplicáveis, tanto para reologia em estado

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estacionário quanto oscilatório.

O capítulo 3 apresenta um estudo de caracterização teórica das duas gomas analisadas durante o trabalho, mostrando suas principais características químicas e reológicas.

O capítulo 4 mostra os fundamentos, curvas características e parâmetros obti-dos nos ensaios que foram realizaobti-dos no presente trabalho, de modo a contribuir para a análise de dados dos resultados experimentais.

No capítulo 5 estão dispostas as metodologias utilizadas para formulação e pre-paro das soluções contendo as gomas e os fluidos de perfuração, além da metodologia de funcionamento dos reômetros utilizados para a realização dos ensaios.

O capítulo 6 engloba todos os resultados experimentais obtidos com os testes e suas interpretações e conclusões, incluindo exposição de gráficos e tabelas com os resultados.

No capítulo 7 estão dispostas as sugestões para trabalhos futuros baseados nos resultados obtidos neste trabalho.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo são abordados uma breve revisão sobre fluidos de perfuração, suas funções e importância para o sucesso da operação de um poço, bem como os tipos de fluidos utilizados na indústria. Além disto, são analisados os principais aditivos empregados pelas empresas petrolíferas com o intuito de otimizar a perfuração.

Após isto, são apresentados os conceitos fundamentais da reologia em estado estacionário e classificação de fluidos de acordo com suas características reológicas.

2.1 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO

Os fluidos de perfuração, ou lamas de perfuração, são misturas de sólidos, lí-quidos, aditivos químicos e/ou gases. Suas funções consistem em lubrificar e resfriar a broca, limpar o poço e transportar o cascalho à superfície, proteger as paredes do poço, prevenir a entrada de fluidos da formação para dentro do poço e trazer in-formações das in-formações perfuradas à superfície. São diferenciados quanto à sua base, que pode ser água, óleo, ar ou sintética. Seu desenvolvimento permanece até hoje como um grande desafio para a indústria do petróleo, na busca do ponto perfeito entre custo, desempenho e atendimento às exigências ambientais. A eficiência da perfuração de um poço depende, em grande parte, da combinação entre o fluido de perfuração utilizado com as formações perfuradas.

Durante a perfuração de um poço pode haver entrada de fluidos de perfuração no mar, através de acidentes ou eventos operacionais, como o descarte de cascalho ao mar (que leva o fluido agregado), através das trocas de fluido ao final de cada fase de perfuração ou ao final das atividades (quando não há reaproveitamento de fluido).

2.1.1 TIPOS DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO

2.1.1.1 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO À BASE DE ÁGUA

Esses são uma mistura de sólidos, líquidos e aditivos químicos, que tem a água como a fase contínua. O líquido base pode ser a água salgada, água doce ou salmoura, dependendo da disponibilidade e das necessidades relativas ao fluido de

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perfuração. Em comparação com os outros tipos de fluidos de perfuração, os a base de água possuem um baixo custo, são biodegradáveis e se dispersam facilmente na coluna d’água, com isso, seu descarte no mar é permitido em quase todo o mundo.

Porém, também possuem algumas desvantagens como o fluido possuir argilas altamente hidrofílicas em sua composição, este fenômeno interfere mecanicamente com a perfuração, provocando um efeito de intrusão da argila nos poros das forma-ções cortadas pela broca, formando uma barreira que paralisa ou restringe significati-vamente o fluxo da produção de hidrocarbonetos, com isso provocando instabilidade ao poço e perda de fluido para as formações. A solução para os problemas apontados acima é “inibir” o fluido através da adição de substâncias químicas que impeçam ou diminuam sua reação com a água. Os “inibidores” como o sódio, potássio e íons de cálcio, reduzem a atividade dos sólidos ativos minimizando a hidratação e o aumento da argila e folhelhos. Os fluidos de perfuração à base de água não conseguiram acom-panhar os novos desafios que foram surgindo com a evolução da tecnologia, como a perfuração direcional ou em águas profundas. A utilização dos fluidos à base de água nestes empreendimentos pode tornar a perfuração lenta, custosa ou até mesmo im-possível, além de gerar uma quantidade maior de resíduos.

2.1.1.2 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO À BASE ÓLEO

Esses foram desenvolvidos para situações onde os fluidos à base de água apre-sentavam limitações técnicas e operacionais. São similares em composição aos flui-dos à base de água, porém sua fase contínua é oleosa. Começaram a ser usadas na década de 40 e logo ganharam destaque, mesmo com um custo de 2 a 4 vezes maior do que os de base aquosa, já que apresentam um desempenho superior para per-furação de formações com folhelhos altamente reativos que avariem facilmente com lamas à base de água, perfuração de poços sujeitos a altas pressões e temperatu-ras, de poços direcionais, de poços que requisitarem uma maior lubrificação entre a coluna e as formações ou quando as condições geológicas requisitassem uma maior estabilização do furo do poço.

Podemos citar como vantagens da perfuração com fluidos a base de óleo com-patibilidade com as formações sensíveis à água, minimização da corrosão, maior es-tabilidade térmica e estrutural na perfuração de poços profundos e com altas

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tempe-raturas, melhor lubrificação, facilitando a perfuração de poços direcionais e pode ser reaproveitado após tratamento adequado. Infelizmente, ao mesmo tempo em que ga-nham em performance, elas são prejudiciais ao meio ambiente quando descartadas ao mar. São altamente tóxicas e biodegradam-se lentamente nas condições anóxias, que são encontradas no ambiente submarino.

2.1.1.3 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO SINTÉTICOS

Como os fluidos à base de água tinham algumas limitações em questões re-lacionadas à performance e os à base de óleo em relação a questões ambientais, desenvolveram-se os chamados fluidos de perfuração sintéticos. Esses utilizam como base substâncias químicas sintéticas, que oferecem menor toxicidade e produzem me-nos resíduos de perfuração, com isso são bastante usados em meio marítimo, visto que nessas áreas é proibido o descarte de cascalho, quando são usados fluidos à base de óleo.

Apesar de mais caros que os oleosos, os fluidos sintéticos não deixam de ser economicamente viáveis, já que o descarte marítimo dos à base de óleo é proibido em diversas partes do mundo, e isso leva a custos e riscos a serem assumidos com o transporte dos resíduos para serem descartados em terra.

A agência de proteção ambiental americana (EPA), vendo que os outros dois tipos de fluidos tinham certas limitações, concluiu que seria melhor alterar as normas vigentes para descarte de resíduos da atividade de perfuração marítima de poços de óleo e gás, no qual apoia à utilização de fluidos de base sintética. Já no Brasil não há legislação que regulamente o descarte de cascalho e do fluido de perfuração, provenientes da perfuração marítima.

2.1.1.4 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO À BASE AR

Além dos fluidos já citados, um poço pode ser perfurado utilizando ar ou gás natural. A perfuração com ar puro utiliza nitrogênio ou ar comprimido, deve-se ter cui-dado ao usar o ar, visto que sua combinação com hidrocarbonetos no subterrâneo pode se transformar numa mistura explosiva, exigindo cuidados extras quanto a ex-plosões ou incêndios. Através destes tipos de fluidos, o ar ou gás circulam da mesma maneira que um fluido líquido convencional, pela pressão fornecida por compressores

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que são instalados na superfície junto aos outros equipamentos de perfuração.

Os fluidos de perfuração a base de ar são satisfatórios em suas funções quanto à perfuração, menos quando se trata do transporte de cascalho (apesar de apresentar a vantagem de não contaminar o cascalho) e ao controle de pressões subterrâneas. Com isso, sua aplicação fica limitada somente a regiões que possuam autorização le-gal e existência de formações de baixa permeabilidade, como calcários ou formações com rochas muito duras.

As lamas aeradas são utilizadas quando há problemas graves de perda de cir-culação nas formações perfuradas e não há possibilidade de se utilizar outro fluido à base de ar. Para reduzir as taxas de corrosão associadas à utilização das lamas aeradas tem sido utilizado, ao invés do ar, o nitrogênio que é gerado na região da perfuração.

2.1.2 PRINCIPAIS ADITIVOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE PERFURAÇÃO Na indústria do petróleo os aditivos são usados para tentar controlar propri-edades de um fluido de perfuração promovendo uma melhoria no desempenho da atividade de perfurar um poço. Dentre os principais aditivos utilizados tem-se os vis-cosificantes, adensantes, inibidores, controladores de filtrado entre outros.

Os adensantes, ou densificantes, são utilizados para aumentar a densidade do fluido de perfuração com o objetivo de manter a estabilidade do poço e assim evitar um influxo indesejado de fluido da formação para o anular. Entre os mais utilizados temos os minerais argilosos, como a barita, hematita e galena [3]. No Brasil, o material argiloso mais utilizado é a barita. Os controladores de filtrado tem como principal fun-ção promover a formafun-ção do reboco, ou seja, uma fina camada composta por sólidos presentes no fluido de perfuração que ao atingir a formação permeável, impedem que a lama penetre na formação e assim minimizar o dano. Mas também, esta camada deve ser de fácil remoção durante a etapa de completação do poço para que seja feito o canhoneio, segundo [21]. O principal composto químico utilizado para desempenhar tais funções é o amido propilado.

Os inibidores são utilizados para que não haja interação físico-química entre o fluido de perfuração e a formação perfurada. Os inibidores se dividem em físicos, cuja função é reduzir o contato entre a matriz e o fluido, e químicos, que possuem

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diversas funções, como evitar o inchamento e expansão de argilas, e evitar reação química entre o fluido e a rocha minimizando a chance de desmoronamento em casos de formações salinas. Os inibidores físicos mais utilizados são os lignossulfatos e os polímeros, enquanto que os químicos mais usados são o cloreto de sódio, cloreto de potássio e hidróxido de cálcio.

Neste trabalho são abordados dois viscosificantes, goma xantana, que já é am-plamente utilizada no mercado de fluidos de perfuração, e a goma diutana, que vem sendo implantada devido a algumas melhorias de performance quando comparada à goma xantana.

Os viscosificantes tem como principal objetivo conferir viscosidade ao fluido para que este possa elevar o cascalho produzido durante a perfuração do poço até a superfície. Entre os aditivos que são utilizados para conferir viscosidade ao fluido, o principal e mais difundido na indústria do petróleo é a goma xantana. Esta goma é um polissacarídeo produzido por espécies de bactérias do gênero Xanthomonas [4]. Ela é bastante utilizada nas indústrias do petróleo, de alimentos, farmacêutica e agrícola, com diferentes aplicações. O comportamento dessa goma com relação ao teor de sais, contaminação e temperatura é analisado no presente trabalho por meio de experiências em laboratório. Um outro aditivo similar à goma xantana é a goma diutana, que é um polissacarídeo natural de elevado peso molecular produzido por espécies de bactérias do gênero Sphingomonas sp, segundo [29]. Essa goma atua como agente espessante, de suspensão, de ligação, de emulsão e de estabilização, sendo comumente utilizada na fabricação de cimento e concreto. Além de ser um aditivo viscosificante bastante efetivo no que diz respeito a um incremento da visco-sidade, sabe-se também que a diutana se comporta bem em condições extremas de reservatório, ou seja, em alta temperatura e com alta taxa de salinidade, fazendo com que aumente o fator de recuperação do óleo. Ressalta-se que são escassos os estu-dos sobre esta goma na indústria do petróleo, assim o presente trabalho descreve o comportamento e propriedades reológicos das duas gomas mencionadas com intuito de comparar as suas performances.

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2.2 REOLOGIA EM ESTADO ESTACIONÁRIO

Reologia é a ciência que estuda o fluxo e a deformação de matérias por meio da análise, entre outras, das respostas (na forma de deformações ou tensões) de um material à aplicação de uma tensão ou de uma deformação. A matéria pode estar no estado líquido, sólido ou gasoso [6].

Em um polímero, as propriedades reológicas podem ser caracterizadas através de três tipos de materiais, que são: os materiais viscosos, os elásticos e alguns podem ser considerados tipos especiais, que possuem tanto características viscosas como elásticas, conhecidos como os materiais viscoelásticos, por exemplo, os poliméricos sólidos, fundidos ou em solução.

Materiais viscosos são aqueles que possuem dificuldade em escoar, logo pos-suem um maior coeficiente de viscosidade, pois quando submetidos a uma tensão, maior é a resistência interna ao fluxo. A temperatura é um fator que influencia bas-tante nos valores de viscosidade, sendo estes diminuídos conforme ocorre o aumento da temperatura. Já os materiais elásticos voltam ao seu estado normal assim que os esforços deixam de atuar sobre eles.

Em reologia, um material sólido e um líquido se diferenciam através da relação conhecida como número de Deborah que é definida como:

De = λT

t (1)

Onde:

λT: tempo natural ou característico de relaxação do material. t: intervalo de

tempo no qual foi aplicada a deformação ou a tensão.

O número de Deborah representa uma relação entre as forças elásticas e viscosas atuantes no material. Quando t <λT o material não atinge o regime permanente, pois

o tempo não será suficiente, com isso, o experimento será dominado pelos processos de relaxação. Se λT → ∞, tem-se os sólidos elásticos e no caso de λT → 0, temos os

líquidos viscosos. A partir destas definições, pode-se classificar os materiais em suas reologias através do número de Deborah como pode ser observado na Tabela 1.

Através do número de Deborah, podemos perceber que tudo pode fluir, desde que o tempo necessário seja aguardado. E a partir dele, é possível classificar os

(26)

Tabela 1 - Classificação reológica dos materiais quanto ao número de Deborah (De). Sólidos Elásticos Fluidos Viscosos Materiais Viscoelásticos

De → ∞ De → 0 0< De< ∞

Fonte: Adaptado de [6].

materiais em sólidos, líquidos ou gasosos levando-se em conta o fator reológico.

2.2.1 TENSÃO, DEFORMAÇÃO E TAXA DE DEFORMAÇÃO

A tensão é a força que atua por unidade de área e tem como definição:

lim ∆A→0 ∆F ∆A (2) Onde: ∆F = Força; ∆A= Área.

Em um exemplo prático, a tensão está relacionada às forças atuando em um fluido em movimento, visto que elas surgem devido ao movimento (forças de inércia) devido à ação da gravidade (forças de corpo) e também aos gradientes de pressão e das interações intermoleculares do fluido, ou seja, as forças de superfície. Existem dois tipos básicos de tensão que podem ser exercidas no elemento de fluido sendo conhecidas como tensões normais (que são as que atuam na direção normal à face do elemento de fluido) e as tensões de cisalhamento (que atuam na direção paralela a uma dada face do elemento de fluido) como podem ser vistas na Figura 1.

Quando há mudança na forma de um corpo, tem-se a sua deformação. A taxa de deformação ocorre quando essa mudança varia com o tempo, ela pode ser distinta de ponto a ponto em um escoamento e também é conhecida como taxa de cisalha-mento simples, que está associada ao gradiente de velocidades e assim, pode-se descrever a deformação e escoamento de um fluido. Na Figura 2, é possível observar um fluido entre placas paralelas, sendo a placa superior móvel e a inferior imóvel, se ∆X for muito pequeno, a deformação de cisalhamento é considerada linear e inde-pendentemente do tamanho do elemento de fluido.

(27)

Figura 1 - Tensões normal e cisalhante.

Figura 2 - Escoamento de um fluido entre placas.

Com isso, a taxa de cisalhamento é definida, matematicamente, como:

˙γ = ∆V

∆X (3)

Onde:

∆V = Variação da velocidade; ∆X = Distância entre as placas.

2.2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS 2.2.2.1 Fluidos newtonianos

Os fluidos newtonianos são aqueles que obedecem à equação de proporcio-nalidade para líquidos puramente viscosos, na qual, existe uma relação linear entre a

(28)

tensão cisalhante e a taxa de deformação.

τij = µ ˙γi,j (4)

Onde:

τi,j = Tensão cisalhante;

µ= Viscosidade newtoniana; ˙

γi,j = Taxa de Cisalhamento.

Quando um fluido possui uma baixa viscosidade, tem, desta forma, uma menor resistência ao escoamento, como ocorre no caso da água, líquidos finos e gases em geral. Na equação 4 é possível extrair uma informação importante à respeito dos flui-dos Newtonianos, eles se deformam continuamente a uma taxa do tensor de tensões em relação ao tempo, o que não ocorre no caso de sólidos.

2.2.2.2 FLUIDOS NÃO-NEWTONIANOS

Os fluidos não-newtonianos são aqueles que não satisfazem a equação 4, ou seja, a relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento não é cons-tante. Para estes fluidos pode ser usada a definição de viscosidade aparente, con-forme a equação 5 . Os fluidos não newtonianos podem ser classificados em: visco-elásticos, dependentes do tempo e independentes do tempo, conforme ilustra a figura 3. ηa= τ ˙γ (5) onde: ηa é a viscosidade aparente.

Se em um fluido não newtoniano a viscosidade aparente varia com a taxa de cisalhamento, então este fluido é dito como dependente do tempo, se não, é dito como independente do tempo.

Se em um fluido não newtoniano dependente do tempo a sua viscosidade apa-rente diminui com o tempo de aplicação de uma tensão de cisalhamento, então este fluido é dito tixotrópico, caso contrário ele é dito como reopético.

Um fluido não newtoniano independente do tempo é aquele em que a taxa de deformação é função apenas da tensão de cisalhamento. A figura 4 apresenta as

(29)

Figura 3 - Classificação de fluidos segundo a reologia.

Fonte: Elaboração própria

diferentes classificações destes fluidos.

Figura 4 - Fluidos não newtonianos independentes do tempo.

Quando um fluido não newtoniano independente do tempo sofre aumento da tensão de deformação com o aumento da taxa de deformação, mantendo-se a tempe-ratura constante, este fluido é classificado como dilantante. Caso a tensão de deforma-ção decresça com o aumento da taxa de deformadeforma-ção, então este fluido é classificado como pseudoplástico. Existem ainda fluidos que necessitam de uma tensão inicial de escoamento ou tensão residual, eles podem ser classificados como plásticos de Bingham ou Herschel-Bulkley. Ambos escoam normalmente após vencerem a tensão

(30)

residual.

2.2.2.3 FLUIDOS VISCOELÁSTICOS (MODELOS LINEARES)

Fluidos viscoelásticos são aqueles que apresentam características viscosas e elásticas ao se deformarem. Os fluidos viscoelásticos de modelos lineares podem ser descritos da seguinte forma: “Se a deformação é pequena, ou aplicada com suficiente lentidão, os arranjos moleculares nunca estarão longe do equilíbrio. A resposta mecâ-nica é então apenas um reflexo de processos dinâmicos ao nível molecular que ocor-rem constantemente, mesmo para um sistema em equilíbrio. Este é o fundamento da viscoelasticidade linear. As magnitudes de stress(tensão) e strain(deformação) estão relacionadas linearmente, e o comportamento de qualquer líquido é descrito comple-tamente por uma única função de tempo.” [27].

2.2.2.4 FLUIDOS VISCOELÁSTICOS (MODELOS NÃO-LINEARES)

Os modelos viscoelásticos não-lineares são modelos complexos, geralmente empíricos, que geram dados quantitativos e ainda estão sendo bastante estudados. A principal característica é que a relação entre os tensores tensão e a taxa de defor-mação não dependem da orientação do elemento de volume em um determinado ins-tante. Como em modelos lineares são se aplicam em casos de taxas de deformação elevadas, os modelos não-lineares são utilizados para a análise do comportamento viscoelástico de polímeros.

2.3 MODELOS REOLÓGICOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE PERFURAÇÃO

Nesta seção apresentam-se em forma de tabela os principais modelos adota-dos para os fluiadota-dos não newtonianos dependentes do tempo, independentes do tempo e os viscoelásticos lineares e não-lineares. Nas tabelas 2, 3 e 4 ilustram, respec-tivamente os modelos para fluidos newtonianos, viscoelásticos lineares e não-lineares.

(31)

Tabela 2 - Modelos de fluidos não-Newtonianos - Equações Constitutivas.

MODELO CARACTERÍSTICAS EQUAÇÃO

Lei das Potências Mede a pseudoplasticidade do polí-mero.

Se

n = 1 → A equação fica equivalente à do fluido Newtoniano

n < 1 → Fluido Pseudoplástico n > 1 → Fluido Dilatante

η = k ˙γn−1

Modelo de Ellis Dependência da viscosidade em re-lação à taxa de cisalhamento (taxas baixa e alta). ηo η(τ ) = 1 + ( τ τ1 2 )α−1 Modelo de Carreau-Yasuda

Descreve o comportamento da vis-cosidade do material a taxas baixas, médias e altas. η − η∞ ηo− η∞ = [1 + (λ1˙γ)α] Modelo de Bingham

Descreve o comportamento da vis-cosidade para fluidos que antes de escoar, precisam de uma tensão crí-tica.

η( ˙γ) = ηo+

τy

˙γ

Modelo de Cross Se assemelha ao modelo de Car-reau – Yasuda, porém não prevê a viscosidade a altas taxas de cisalha-mento.

η = (η0− η∞) 1 + K ˙γm + η∞

Modelo de

Herschel-Bulkley

Considera fluidos pseudoplásticos que necessitam de uma tensão ini-cial de escoamento. η = τ0 ˙γ + k ˙γ n−1 Modelo de Cross Modificado

Nesse caso, considera-se o efeito da temperatura. η = B exp( T b T ) 1 + (ηoγ˙ τ∗ ) 1−n Fonte : Adaptado de [6].

(32)

Tabela 3 - Modelos de fluidos não-Newtonianos – Fluidos Viscoelásticos Lineares.

Modelo de Maxwell

É expresso por uma equa-ção diferencial linear. É apli-cado para pequenas deforma-ções. A sua importância con-siste em poder relacionar pro-priedades viscoelásticas linea-res com a estrutura molecular do sistema. τxy = Z t −∞ µ λe −t−t0 λ ˙ γxy(t0)dt0 Modelo de Jeffreys Expansão do modelo de Maxwell. É um modelo linear de primeira ordem, pois as derivadas de valores menores que 1 são desprezadas.

τij + λ ∂τij ∂t = µ( ˙γij + λr ∂τij ∂t ) Fonte: Adaptado de [6].

(33)

Tabela 4 - Modelos de fluidos não-Newtonianos – Fluidos Viscoelásticos Não-Lineares.

Modelo de Criminale – Ericksen – Fillbey (CEF) Verifica o efeito viscoso não-Newtoniano e elás-tico não-linear. ¯ ¯ τ = η ˙γ − 1 2Ψ1 D ˙¯¯γ Dt + ˙¯γ · ˙¯¯ γ¯ τxy = η ˙γ(Não-Newtoniano)      τxx = (Ψ1+ Ψ2) ˙γ2 τyy = Ψ2˙γ2 (Elástico Não-Linear) Modelo de Gie-sekus Descreve qualitativa-mente o comporta-mento viscoelástico não-linear de políme-ros fundidos. ¯ ¯ τ +λ[D¯¯τ t − 1 2(¯τ · ˙¯¯¯γ+ ˙¯γ·¯¯ ¯τ )]−α λ ηo (¯τ ·¯¯τ ) = η¯ o˙¯¯γ Fonte: Adaptado de [6].

2.4 REOLOGIA EM ESTADO OSCILATÓRIO

De forma a caracterizar a conformação macromolecular e as interações inter-moleculares de suspensões poliméricas são feitos os ensaios dinâmicos ou oscilató-rios.

Nos ensaios dinâmicos, os materiais são submetidos a uma deformação (em ambiente controlado) ou a uma tensão oscilatória senoidal a uma frequência ω apli-cada ao material durante o ensaio, sendo que a amplitude de tensão ou deformação de cisalhamento necessita ser pequena o suficiente para assegurar que as medidas vão ficar dentro do regime de viscoelasticidade linear ([6]). Neste são medidas a di-ferença de fase entre a tensão e a deformação, bem como a taxa de amplitude. A deformação é uma função do tempo, segundo a equação 6.

γ(t) = γosen(ωt) (6)

Onde:

γo é a amplitude máxima de deformação, e

ωé a frequência, medida em rad/s.

(34)

ser um material viscoelástico exibindo comportamento linear, as tensões oscilam com a mesma frequência ω, mas apresentam uma diferença de fase (ou defasagem) em relação a deformação, conforme a equação 7.

τ (t) = τosen(ωt + δ) (7)

Onde:

τ é a tensão oscilatória, τo é a amplitude da tensão,e

δé a defasagem.

Aplicando a regra de transformação trigonométrica : sen(x+y)= sen(x)cos(y) + sen(y)cos(x) na 7 obtem-se a seguinte expressão:

τ (t) = [(τosen(ωt)cos(δ)) + cos(ωt)sen(δ))] (8)

Podem ser definidos dois parâmetros a partir da equação 8, são eles:

G0(ω) = τo γo cos(δ) (9) G00(ω) = τo γo sen(δ). (10)

O termo denominado G’ é definido como módulo de armazenamento em cisa-lhamento ([25]), e pode ser interpretada como a componente que está em fase com a deformação, ou seja, está associada à contribuição elástica ou ao armazenamento de energia em cada ciclo ([6]);e o termo denominado G"é definido como módulo de perda em cisalhamento ([25]), e pode ser interpretada como a componente que está defasada em 90° em relação a deformação, ou seja, está associada à contribuição viscosa ou dissipação de energia em cada ciclo ([6]).

A partir dos parâmetros G’ e G"e suas equações pode-se definir o coeficiente de amortecimento:

tanδ = G”

(35)

O módulo complexo de cisalhamento é definido como:

|G∗| = τo γo

=p(G0₎2_{+ (G”)}2 ₍₁₂₎

A relação entre as componentes elástica e viscosa da viscosidade é expressa pela equação 13: |η∗| = G ∗ ω = p (η0₎2_{+ (η”)}2 ₍₁₃₎ Onde:

η0 é a viscosidade dinâmica e está relacionada à contribuição viscosa, η”é a viscosidade imaginária e está relacionada à contribuição elástica.

Pode-se relacionar estas viscosidades com os módulos G’ e G"segundo as equações 14 e 15 : η0 = G” ω (14) η” = G 0 ω (15)

Uma outra importante e comum propriedade usada para caracterizar viscoe-lasticamente um material é a tangente do ângulo de fase, a qual é uma função da frequência, descrita na equação 16.

tanδ = G”

G0 (16)

Este parâmetro está diretamente relacionado a energia perdido por ciclo pela energia armazenada por ciclo, ou seja, quando toda é recuperada durante a deforma-ção (δ=0), trata-se de um sólido elástico ideal, quando toda a energia é perdida (δ=π

2) trata-se de um fluido newtoniano [25]. Os fluidos viscoelásticos são aqueles em que o ângulo de fase varia entre 0 e π

2 e a magnitude de δ determina o quanto de energia foi dissipada ou armazenada.

(36)

3 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E REOLÓGICA DAS GOMAS XANTANA E

DIU-TANA

Neste capítulo são abordadas as principais características químicas e reológi-cas das gomas xantana e diutana.

3.1 GOMA XANTANA

3.1.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS

A goma Xantana é produzida pela bactéria Xanthomonas campestris e é com-posta de uma estrutura primária de unidades pentassacarídicas que se repetem ao longo de sua cadeia. É, normalmente constituída, de unidades de β-Dglicose unidas por ligação 1-4, formando a cadeia principal celulósica; na posição C(3) de cada resí-duo de glucose alternada existe uma cadeia lateral trissacarídica contendo unidades de β-D-manose-1, 4-β-D-ácido glicurônico - 1,2-α-D-manose, podendo apresentar na posição C(6) da α-D-manose,interna, grupos O-acetil e na β-D-manose terminal subs-tituinte 4,6-ácido pirúvico( [13];[14]).O ácido acético no polissacarídeo B-1459 parece estar presente como um éster e o ácido pirúvico está condensado como um acetal com unidades de manose terminal [13].

A estrutura secundária da xantana depende das condições sob as quais a mo-lécula é caracterizada. A momo-lécula pode estar em uma conformação ordenada ou desordenada. Dois modelos têm sido propostos para a estrutura secundária da mo-lécula de xantana:simples e dupla hélice. A conformação ordenada pode ser nativa ou renaturada; não há consenso quanto à existência de relação entre a natividade da conformação e o tipo de estrutura verificada. A forma nativa está presente em tem-peraturas abaixo do ponto de transição conformacional da molécula, que depende da força iônica do meio em que a xantana produzida está dissolvida. A transição confor-macional ordem-desordem é dirigida pela ocorrência de temperaturas acima do ponto de transição e/ou a redução da força iônica. Tanto a manutenção da conformação nativa (ordenada), quanto a renaturada (re-ordenada) dependem dos mesmos fatores [5].

(37)

Em condições de baixa força iônica, a repulsão entre os grupos carboxílicos tende a desestabilizar a estrutura ordenada, mas, se sais são adicionados, os cátions estabilizam a conformação evitando o rompimento induzido por aquecimento [12].

A estrutura molecular da goma xantana é ilustrada na figura 5. Figura 5 - Estrutura molecular da goma xantana.

Fonte: [30].

3.1.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS

A xantana é solúvel em água fria ou quente, exibindo alta viscosidade até mesmo em baixas concentrações ([22]; [14]). Soluções de xantana são altamente pseudoplásticas, ou seja, a viscosidade diminui com o aumento da taxa de defor-mação, mas recuperam rapidamente a viscosidade na remoção da tensão de cisa-lhamento, logo o fenômeno da histerese não é pronunciado [22]. A associação das cadeias de xantana existe quando em repouso ou em baixas taxas de cisalhamento, sendo estabilizadas pelas ligações de hidrogênio [9]. No cisalhamento, a extensão da agregação é reduzida pelo alinhamento das cadeias, resultando em uma baixa viscosidade [16].

A viscosidade das soluções de xantana é muito estável em termos de varia-ções no pH, temperatura e força iônica [22]. A viscosidade destas soluvaria-ções não é fortemente afetada pela mudança de pH entre 1-2 a 11-13 ([11];[5]). Entretanto, a es-tabilidade das soluções frente às mudanças de pH é dependente da concentração da

(38)

goma. À concentração de 1% de goma, não existe mudança na viscosidade na faixa de pH 1,5 a 11; a 0,25% de goma a estabilidade é menor e a viscosidade máxima é alcançada entre pH 6 e 8 [8].

De uma forma geral, na literatura é citado que as soluções de goma xan-tana, comparativamente a outros polímeros, são resistentes à degradação pelo ca-lor, mantêm-se a elevadas temperaturas por prolongados períodos de tempo, sem nenhuma grande alteração de viscosidade. Somente uma pequena mudança é obser-vada quando soluções são auto claobser-vadas a 121 °C por 15 a 30 minutos. Soluções de xantana são também estáveis sob condições de frio [22]. O efeito da temperatura na viscosidade das soluções também é dependente da concentração da goma [8].

A presença de sais melhora a resistência da goma à degradação pelo calor e pode causar alterações no comportamento reológico. Em baixas concentrações de xantana, a adição de traços de sais pode causar uma leve queda de viscosidade ([22];[26]). Entretanto, em altas concentrações de polissacarídeos, os sais incremen-tam a viscosidade marcadamente ([14]; [22]; [26]). A viscosidade das soluções de xantana é independente da concentração de sais quando o conteúdo de sais exceder 0,1 % (m/v) [15].

As cadeias de xantana, em solução, formam uma rede tridimensional contínua, com fraca ligação; consequentemente, estas soluções podem também ser caracteri-zadas como géis fracos. A associação intermolecular, por meio das cargas negativas da molécula de xantana, pode ser promovida por íons metálicos; a ordem da efetivi-dade na indução de géis fracos é Ca2+>K+>N a+. Entretanto, sob certas condições, a xantana pode gelificar. Isso pode ocorrer na presença de certos íons trivalentes (Cr3+, Al3+ ou F e3+), ou com o efeito sinérgico com outros polímeros [5]. A goma xantana formará géis termorreversíveis, quando misturados com galactomananas como goma locusta ou goma tara.

Misturada com goma guar, resulta em um aumento de viscosidade. A distinção entre aumento da viscosidade ou gelatinização parece depender da proporção entre manose:galactose da galactomanana e da distribuição da galactose na cadeia lateral [19].

(39)

3.2 GOMA DIUTANA

3.2.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS

A Diutana é uma biogoma, produzida por um microorganismo natural do gênero Sphingomonas. O peso molecular desta goma é em torno de 5 milhões g/mol, sendo assim, uma molécula muito maior do que xantana ou goma de mascar, que ajuda a explicar sua extraordinária capacidade de suspensão.

Figura 6 - Estrutura molecular da goma diutana.

Fonte: [24].

A estrutura química da goma diutana, ilustrada na figura 6, é composta de confi-gurações repetidas de ramnose, glicose e ácido glicurônico (α-1,4-L-rhamnopyranosyl, 2 sacarídeos L-rhamnopyranosyl, β-1,4-D-glucopyranosyl, β-1,4-D-glucuronopyranosyl, β-1,3-d-glucopyranosyl). O grupamento funcional carboxila ligado à mólecula de ácido glicurônico fornece cargas aniônicas à estrutura molecular da goma diutana. As duas unidades de ramnose ligadas à segunda unidade de glicose são consideradas uma proteção por serem estéreis aos ácidos carboxílicos, evitando assim a reticulação de íons cálcio [24].

3.2.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS

A diutana é um biopolímero que foi desenvolvida com a finalidade de atender demandas que necessitam de características de suspensão muito elevadas, como no

(40)

caso de fluidos de perfuração utilizados na indústria petrolífera. No instante em que a goma se encontra em baixas concentrações, a solução se torna mais viscosa, já no caso de uma alta variação de temperatura, ocorre o oposto, a viscosidade não se altera em larga escala.

A fonte de geração da goma é a fermentação aeróbica controlada e possui fun-ção de agente modificador de viscosidade (VMA), além disso, a sua reologia apresenta características pseudoplásticas altamente relevantes, ou seja, quando o material res-ponde instantaneamente a aplicações ou remoções de cisalhamento conferindo mu-danças na viscosidade (aumento ou declínio da taxa), maior viscosidade de baixa taxa de cisalhamento (LSRV) e melhor retenção de viscosidade a temperaturas elevadas quando confrontado com modificadores poliméricos tradicionais usados em fluidos de perfuração, workover ou completação.

Durante este trabalho, são realizados experimentos que contribuem para o en-tendimento do comportamento da goma diutana em soluções base água e com isso, analisar suas características reológicas e pontos relevantes para sua utilização em fluidos de perfuração.

(41)

4 PRINCIPAIS ENSAIOS EM REGIMES ESTACIONÁRIO E OSCILATÓRIO

Neste capítulo serão descritos os principais ensaios que foram feitos na parte experimental: rampa de frequência, rampa de tensão, curva de fluxo e tixotropia.

4.1 ENSAIOS EM REGIME ESTACIONÁRIO 4.1.1 TESTE DE TIXOTROPIA

A taxa de formação da estrutura durante o processo de desaceleração não é necessariamente igual à taxa com que a estrutura inicial é destruída, ou seja, sua rede tridimensional de moléculas é desfeita, durante o processo de aceleração. Contudo, se ambas as mudanças forem muito rápidas, as curvas equivalentes aos dois proces-sos se sobrepõem, pois a diferença entre elas não será detectável. Dá-se o nome de tixotropia ao fenômeno observado quando o processo de recomposição da estru-tura é mais lento que o processo de destruição da estruestru-tura inicial. Já os materiais reopéticos, extremamente raros, possuem o processo de recomposição da estrutura mais rápido do que o processo de destruição. Uma programação básica para um teste capaz de quantificar o valor de tixotropia de um dado material seria:

(i) rampa de aumento de taxa de cisalhamento de 0 a M (s−1) por um período t1, a uma temperatura T fixa;

(ii) manutenção da taxa de cisalhamento M (s−1) por um período t2, a

tempera-tura T fixa;

(iii) rampa de redução de taxa de cisalhamento de M a 0 (s−1) por um período t1,

a uma temperatura T fixa, onde M é o valor máximo de taxa de cisalhamento escolhido pelo operador.

O valor de tixotropia pode ser calculado como a diferença entre as áreas sobre as curvas de aumento e de redução de tensão. Contudo, é importante salientar que este é um teste relativo e, portanto, os valores de tixotropia só são comparáveis para a mesma condição de análise. Testes realizados com períodos diferentes de rampa, mesmo utilizando a mesma faixa de taxas de cisalhamento, acarretam em valores diferentes de tixotropia. A resposta gráfica deste ensaio pode ser observada na figura

(42)

7.

Figura 7 - Ensaio de tixotropia.

Fonte: [20].

4.1.2 CURVA DE FLUXO

Por meio da curva de fluxo é possível classificar reologicamente o fluido anali-sado, como newtoniano ou não-newtoniano, assim como suas subclassificações (pseu-doplástico, bingham, etc.). Este ensaio analisa o comportamento da viscosidade em relação à taxa de cisalhamento, conforme observa-se na figura 8.

Figura 8 - Curva de fluxo.

(43)

4.2 ENSAIOS EM REGIME OSCILATÓRIO

Os ensaios em regime oscilatório tem por objetivo medir propriedades em con-dições operacionais de bombeio, visto que na operação de petróleo são utilizadas bombas que operam por ciclos.

4.2.1 RAMPA DE TENSÃO

O teste de varredura da tensão consiste em um teste oscilatório em que a frequência é fixada em uma faixa de valores e a taxa de deformação e tensão de cisalhamento variam como uma função senoidal [20]. A partir deste ensaio é possível a determinação da faixa viscoelástica linear do fluido e o resultado deste ensaio é uti-lizado como ponto de partida para outros ensaios tanto em regime oscilatório quanto em regime estacionário, visto que nesta faixa linear o material suporta maiores de-formações sem que haja o rompimento de sua estrutura. Uma resposta comum para este ensaio é ilustrada na figura 9.

Figura 9 - Rampa de tensão.

(44)

4.2.2 RAMPA DE FREQUÊNCIA

O teste de varredura de frequência fornece informações estruturais de fluidos, caracterizando-os quanto a sua natureza viscoelástica e o fluido pode ser caracteri-zado após o ensaio de varredura de tensão. Neste ensaio, a partir da resposta do material ao aumento de frequência (taxa de deformação) é monitorada a amplitude (stress ou strain) e temperatura constantes e pode ser utilizado em diversos casos, como informação de viscosidade à taxa zero, cisalhamento fino (shear thinning), elas-ticidade (deformação reversível), ao encontrar ruptura em dispersões gelificadas, em propriedades do módulo a taxas altas e baixas (tempos curtos e longos) e ao au-mentar a faixa de tempo e frequência com TTS (superposição tempo-temperatura). A resposta deste teste pode ser observada na figura 10.

A partir da resposta deste teste é possível analisar o material observando-se o comportamento entre as curvas do módulo de perda e do módulo de armazena-mento em função da frequência angular. No caso de suspensões, se baixos valores de frequências, os valores de G’ forem maiores que G”, então, a suspensão será mais estável na situação de repouso. No ponto de cruzamento entre as curvas, ocorre uma inversão no comportamento do fluido, caso os valores de G” sejam maiores que os de G’, isto quer dizer que a natureza viscosa do fluido está prevalecendo sobre a natureza elástica [20].

Figura 10 - Rampa de frequência.

(45)

5 MATERIAIS E MÉTODOS

Este capítulo aborda as etapas de preparo dos fluidos e do funcionamento do equipamento (reômetro), iniciando-se pelas etapas referentes às soluções aquosas com as gomas e por fim explora as etapas relativas aos fluidos de perfuração con-tendo as duas gomas. Para realização deste trabalho foram utilizados dois modelos de reômetro, o HAAKE RS 50 e o MARS III, adotando a geometria cone-placa nos dois aparelhos para realização dos ensaios das soluções aquosas e para os ensaios com os fluidos de perfuração.

5.1 REÔMETRO HAAKE RS 50 E MARS III

No reômetros foram utilizadas a geometria cone-placa para realização dos en-saios, conforme exemplificado na figura 11, onde: .

Figura 11 - Geometria cone-placa

Fonte: [23]

Rc= Raio externo do cone;

α= Ângulo do cone;

RT = Raio de truncamento;

a = Altura da ponta removida.

A partir disto, é possível calcular os principais parâmetros que são respostas tí-picas dos ensaios a serem realizados no reômetro, conforme visto em [23] e dispostos

(46)

na lista a seguir.

• Cálculo da taxa de cisalhamento no cone( ˙γc)

˙ γc= 1 tanα.Ω = M.Ω[s −1 ] (17)

sendo M definido como:

M = 1 tanα = 1 α (18) e Ω é definido como: Ω = 2.π.n 60 (19) onde:

Ω= velocidade angular [rad/s]; n = velocidade do rotor [min−1];

M = fator da taxa de cisalhamento [1/rad] - Constante para geometria cone placa; • Cálculo da tensão de cisalhamento no cone (τc)

τc= ( 3 2πR3 c ).MD = A.MD (20) Onde:

τc= tensão de cisalhamento no cone [Pa];

Rc= raio externo do cone [m];

MD = torque medido [N.m];

A = fator de taxa de cisalhamento - ele é constante para um dado sistema de sensores. • Viscosidade (η) η = MD.A Ω.M = MD.G Ω [P a.s] (21) sendo: G = A M (22) onde:

G = fator de geometria do sistema de sensores.

Os ensaios para a goma diutana em solução aquosa foram realizados no reô-metro rotativo HAAKE RS 50 (vide figura 12 e os demais ensaios foram realizados

(47)

no MARS III (vide figura 13) , utilizando-se a geometria cone-placa (sensor C35/2°Ti), com diâmetro de 35mm e conicidade de 2°.

1. o computador que permite configurar os parâmetros para realização do ensaio e posterior análise gráfica.

2. banho hidrostático, que tem por objetivo alcançar a temperatura desejada no ensaio.

3. sistema de medição em si, o qual realiza o ensaio de fato, através dos sensores.

Figura 12 - Reômetro HAKKE RS 50 com todos os componentes.

Fonte: Laboratório de Reologia, Uff.

Figura 13 - Reômetro HAKKE MARS III.

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5.2 SOLUÇÕES AQUOSAS COM AS GOMAS DIUTANA E XANTANA 5.2.1 METODOLOGIA EMPREGADA NO PREPARO DAS SOLUÇÕES

Com o objetivo de se caracterizar as gomas xantana e diutana em solução aquosa e em suspensão, é necessário verificar os seguintes parâmetros:

• Efeito da Temperatura;

• Efeito da Contaminação com Cálcio e Magnésio; • Efeito da Salinidade.

Este trabalho experimental divide-se em duas grandes etapas: na primeira são feitos ensaios com as gomas em solução aquosa para que sejam testados os efeitos do acréscimo de temperatura e contaminações com os sais, na segunda são feitos ensaios com as gomas em fluido de perfuração base água para que também sejam testados os mesmos efeitos citados para as gomas em solução aquosa.

O primeiro passo consiste na formulação e preparo das soluções,e para isto é necessário seguir a seguinte metodologia:

1. Adicionar 350 ml de água deionizada (com ou sem sal marinho) no béquer. 2. Submeter a amostra a um misturador mecânico de pás giratórias à uma

veloci-dade variando entre 500 e 1000 rpm.

3. Pesagem da goma e, posteriormente, dos cátions inorgânicos através de uma balança com precisão de três casas decimais.

4. Adição das gomas e, posteriormente, de seus aditivos à água deionizada. 5. Mistura da solução final por 10 minutos.

6. Após a mistura, a solução permanece estacionária por 15 minutos. 7. Início dos ensaios relativos à goma.

Os tempos relativos à mistura dos componentes adicionados à solução encontram-se na tabela 5.

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Tabela 5 - Tempo de mistura dos componentes da solução. Tempo de mistura dos componentes da solução

Componentes Tempo

Goma 10 min

Contaminantes 10 min Solução final 5 min

Repouso 15 min

Fonte : Elaboração própria

Tabela 6 - Concentrações utilizadas. Concentrações Utilizadas

Goma Diutana (ou xantana) 4300 ppm

NaCl 40000 ppm

Cálcio 300 ppm

Magnésio 300 ppm

Foram preparadas soluções contendo goma diutana e goma xantana com o intuito de testar os efeitos de contaminação e salinidade. As concentrações utilizadas para cada contaminante estão listadas na tabela 6.

Com as soluções já preparadas através da metodologia listada, foi necessário deixá-las em repouso por aproximadamente 12 horas visando a diminuição de bolhas nas amostras. Feito isto prosseguiu-se para a realização dos ensaios, os parâmetros característicos de cada um deles estão citados nas seções referentes a cada ensaio no capítulo 6.

5.3 FLUIDOS DE PERFURAÇÃO CONTENDO AS GOMAS XANTANA E DIUTANA 5.3.1 METODOLOGIA UTILIZADA NO PREPARO DOS FLUIDOS

Os fluidos de perfuração foram formulados de acordo com a tabela 7 para o caso de não haver contaminação. As funções de cada aditivo são:

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• Goma: viscosificante;

• Amido: controlador de filtrado;

• Soda cáustica (NaOH): controlador de PH; • Bactericida: evita a fermentação do fluido;

• Salmoura de NaCl: adensante e inibidor de argilas; • CaCO3: agente de tamponamento e adensante.

Tabela 7 - Componentes do fluido de perfuração para 350ml. Componentes Quantidade Goma 2.00 g Amido 10.67 g Glutaraldeído 4 gotas NaOH 0.33 g NaCl 18.93 g CaCO3 46.67 g

Tabela 8 - Componentes do fluido de perfuração contaminado com cálcio para 350ml. Componentes Quantidade Goma 2.00 g Amido 10.67 g Glutaraldeído 4 gotas NaOH 0.33 g NaCl 18.93 g CaCO3 46.67 g CaCl2 0.105 g

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Tabela 9 - Componentes do fluido de perfuração contaminado com magnésio para 350ml. Componentes Quantidade Goma 2.00 g Amido 10.67 g Glutaraldeído 4 gotas NaOH 0.33 g NaCl 18.93 g CaCO3 46.67 g MgCl2 0.105 g

Tabela 10 - Componentes do fluido de perfuração contaminado com cálcio e magnésio para 350ml. Componentes Quantidade Goma 2.00 g Amido 10.67 g Glutaraldeído 4 gotas NaOH 0.33 g NaCl 18.93 g CaCO3 46.67 g MgCl2 0.105 g CaCl2 0.105 g

Para a pesagem de todos os aditivos foi utilizada uma balança com precisão de 4 casas decimais (vide figura 14(a)) e para a mistura dos aditivos ao fluido, foi utilizado um agitador Hamilton Beach (vide figura 14(b)).

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Figura 14 - Agitador e balança

(a) Agitador (b) Balança

Fonte: Laboratório de Reologia, Uff

São testados os seguintes efeitos nos fluidos de perfuração com goma diutana e com goma xantana em suas composições:

• Efeito da contaminação com cálcio, magnésio e a mistura dos dois (componentes nas tabelas 8-10);

• Efeito da temperatura.

Para testar o efeito da contaminação por sais como cálcio e magnésio e a mis-tura deles, foram feitos 3 fluidos utilizando a concentração de 300 ppm de cada sal citado, conforme mostram as tabelas 7-10. Para testar o efeito da temperatura, foram realizados ensaios com todos os fluidos sendo submetidos a temperaturas de 20, 40 e 60 °C.

A metodologia empregada no preparo dos fluidos de perfuração encontra-se na tabela 11. As amostras foram feitas em bateladas de 350 ml e em temperatura ambiente [21].

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Tabela 11 - Preparo do fluido de perfuração.

Passo Descrição

1 Pesagem das amostras dos aditivos numa balança de precisão com três casas decimais;

2 Preparo da salmoura: mistura-se a massa de NaCl em 350 ml de água deionizada no copo metálico do agitador, agitando a mistura por 10 minutos à baixa agitação;

3 Adicionar lentamente a amostra do óxido de magnésio em 300 ml da salmoura de NaCl e agitar a mistura por 5 minutos à baixa agitação;

4 Adicionar lentamente a goma a mistura e agitar a mistura por 5 minutos a baixa agitação;

5 Adicionar as quantidades do amido propilado, do lubrificante, do bactericida, do carbonato de cálcio, respectivamente, seguindo o mesmo procedimento adotado na adição da goma;

6 Adicionar ao volume da mistura quantidade de salmoura neces-sária para completar o volume de 350 ml de fluido. Depois disso, agitar esse volume de mistura por 10 minutos à média agitação.

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6 ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

A primeira etapa dessa discussão de resultados teve como objetivo efetuar as caracterizações reológicas da goma diutana em solução aquosa em diferentes tempe-raturas, da seguinte maneira:

• Pura;

• Contaminada com NaCl (Diutana/Xantana salgada); • Contaminada com Cálcio;

• Contaminada com Magnésio;

• Contaminada com Cálcio e Magnésio.

A escolha dos contaminantes cálcio e magnésio se justifica devido ao contato entre o fluido de perfuração e a sapata de assentamento após perfurar uma fase e iniciar uma nova fase. As sapatas são constituídas de cimento, o qual contém cálcio e magnésio em sua composição, podendo haver, assim, uma contaminação do fluido de perfuração presente no anular do poço.

Após isto, serão expostos os resultados das análises feitas com a goma xantana submetida as mesmas condições e ensaios feitos com a goma diutana a fim de fazer sua caracterização reológica.

A terceira etapa consiste em analisar a goma diutana em um fluido de perfura-ção base água, estudando a influência da temperatura e das contaminações, de forma a caracterizá-la reologicamente.

6.1 CARACTERIZAÇÃO DA GOMA DIUTANA EM SOLUÇÃO AQUOSA

Para a caracterização reológica da goma diutana em solução aquosa foram realizados ensaios em estado estacionário (curva de fluxo e tixotropia) e em estado oscilatório (rampas de tensão e frequência) de modo a permitir a classificação do fluido e os devidos ajustes dos dados experimentais. Com isto foi possível identificar

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a região viscoelástica linear da goma, classificar o modelo reológico que descreve com maior eficácia o comportamento desta goma, constatar o efeito de tixotropia e caracterização estrutural do material analisado.

6.1.1 ENSAIOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO

Os ensaios de curva de fluxo foram realizados utilizando um intervalo de tensão de 0,3 a 30 Pa por 1200 segundos.

Através do software OriginPro 2017 foram gerados os gráficos obtidos com os resultados experimentais feitos no reômetro HAAKE RS50, e a primeira etapa de análise consiste em verificar qual tipo de fluido a goma diutana é, isto é, se é fluido newtoniano ou não newtoniano.

Por meio das figuras 15(a)-15(e) observa-se que a goma em análise possui ca-racterísticas de um fluido não newtoniano, visto que a viscosidade não é constante com a variação da taxa de cisalhamento. Quanto às subclassificações de um fluido não newtoniano, a goma se comporta como um fluido pseudoplástico pois com o au-mento da taxa de cisalhaau-mento ocorre uma queda na viscosidade, conforme exemplifi-cado na figuras 15(a)-15(e). De modo a comprovar que a goma se comporta como um fluido pseudoplástico, os dados experimentais foram ajustados através dos modelos de Potências e Herschel-Bulkley por meio do software RheoWin Data Manager, e os parâmetros dos modelos estão listados nas tabelas 12-14.

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Figura 15 - Comparação curvas de fluxo goma diutana.

(a) Goma diutana pura.

(b) Goma diutana salgada. (c) Goma diutana salgada com cálcio.

(d) Goma diutana salgada com magnésio. (e) Goma diutana salgada com cálcio e mag-nésio.

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Tabela 12 - Parâmetros dos modelos Potências e Herschel-Bulkley para as amostras da goma diutana a 20°C.

Amostras Potências Herschel-Bulkley

K n R2 τ0 K n R2 Diutana Pura 6,511 0,396 0,9978 0 16,74 0,09894 0,9998 Diutana Salgada 6,023 0,4968 0,9952 0 6,929 0,2447 0,9995 Diutana Salgada com Cálcio 7,791 0,2957 0,9996 0,7694 7,763 0,387 0,9998 Diutana Salgada com Magnésio 6,692 0,42 0,9989 01332 6,952 0,4437 0,9990 Diutana Salgada com Cálcio e Magnésio 7,877 0,2517 0,9995 1,479 7,337 0,41 0,9998

Tabela 13 - Parâmetros dos modelos Potências e Herschel-Bulkley para as amostras da goma diutana a 40°C.

Amostras Potências Herschel-Bulkley

K n R2 τ0 K n R2 Diutana Pura 5,531 0,3743 0,9983 0 18,18 0,05991 0,9999 Diutana Salgada 5,319 0,3776 0,9972 0 52,78 0,022 0,9998 Diutana Salgada com Cálcio 9,618 0,1602 0,9998 0 112,6 0,0142 0,9999 Diutana Salgada com Magnésio 7,024 0,3156 0,9994 0 18,06 0,105 0,9998 Diutana Salgada com Cálcio e Magnésio 8,151 0,2129 0,9998 0 79,21 0,01909 0,9999