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i
Universidade de Braslia - UnB Faculdade UnB Gama - FGA
Curso de Engenharia de Energia
SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO DE
FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA
Autor: Bruno Batista Suehara Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo
Falla
Gama, DF 2013
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ii
BRUNO BATISTA SUEHARA
SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO
DE FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA
Monografia submetida ao curso de graduao em Engenharia de
Energia da Universidade de Braslia, como requisito parcial para
obteno do Ttulo de Bacharel em Engenharia de Energia.
Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo
Falla
Gama, DF 2013
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iii
FICHA CATALOGRFICA
Suehara, Bruno Batista
Sntese de Nanoaditivo de Argila Bentontica para Formulao de
Fluidos de Perfurao Base de gua Gama-DF, 2013.
xv, 72p., 210 x 297 mm (ENERGIA/FGA/UnB, Engenheiro de
Energia, Engenharia de Energia, UnB, 2013)
Monografia de Projeto de Graduao Universidade de Braslia, Campus
Gama. Faculdade do Gama (FGA). Engenharia de Energia.
Professora Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo Falla
Referncias Bibliogrficas: p. 70-72.
1. Fluidos de Perfurao 3. Mtodo de Pechini
2. Argila Bentontica 4. Nanopartculas
I. ENERGIA/FGA/UnB II. Ttulo
-
iv
SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO DE
FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA
Bruno Batista Suehara
Monografia submetida como requisito parcial para obteno do Ttulo
de Bacharel em Engenharia de Energia da Faculdade UnB Gama - FGA,
da Universidade de Braslia, em 18 de julho de 2013 apresentada e
aprovada pela banca examinadora abaixo assinada:
Prof. Mara del Pilar Hidalgo Falla, UnB / FGA
Orientadora
Prof. Taygoara Felamingo de Oliveira, UnB / ENM
Membro Convidado
Prof. Eugnio Liborio Feitosa Fortaleza, Mecatrnica / FT /
UnB
Membro Convidado
Gama, DF
2013
-
v
Agradecimentos
Primeiramente, gostaria de agradecer minha famlia pelo imenso
amparo dado em todos os
anos do curso. Agradeo aos meus pais, Osvaldo Tadashi Suehara e
Rosana da Abadia Batista,
aos meus avs Nilton Batista e Rose Mary Atti, ao meu irmo
Marcelo Batista Suehara, aos
meus tios Lucimara Batista e Humberto Morais, Romildo Batista,
Elisabete Batista e Clodoaldo
Rodrigues da Costa Jnior, Doraci Batista e Vilson Ronchi.
Agradeo aos meus amigos da
Engenharia de Energia, Cludia Sampaio Rezende, Glayson
Quintiliano de Souza, Joo Pedro
Carvalho Silveira, Jssica Santoro Gonalves, Luiz Eduardo Nunes
Albuquerque, Natlia
Seyko Inocncio Aoyama, Tlio Henrique Pedra Pereira e William
Macedo Pereira pelas
inmeras ajudas recebidas e pela troca de conhecimento nos
momentos de estudo. Em especial,
agradeo minha professora orientadora Mara del Pilar Hidalgo
Falla pelo profundo auxlio
neste projeto e pelos ensinamentos que fortificaram minha formao
de engenheiro.
Bruno Batista Suehara
-
vi
RESUMO
As otimistas estimativas de produo de petrleo com a descoberta
do pr-sal tornam o Brasil
um pas com posio estratgica favorvel frente demanda mundial de
energia. A maior
disponibilidade energtica brasileira provm do petrleo, o que faz
deste o recurso energtico
mais utilizado no pas. Porm, nos ltimos anos, as questes
ambientais vm ganhando
destaque, o que exige maiores cuidados inclusive no processo de
perfurao de poos de
petrleo. Neste contexto, este projeto visa produo de fluidos de
perfurao no poluentes,
base dgua, que possam auxiliar de forma mais eficiente perfurao
de poos. Para tanto,
realizar-se- a sntese de nanopartculas de argila bentontica via
de mtodo de Pechini. Estas
nanopartculas sero empregadas como aditivos para a formulao de
fluidos de perfurao, e
ser efetuada a anlise do desempenho da nova lama por meio do
estudo do efeito das
nanopartculas nas propriedades reolgicas dos fluidos de
perfurao.
Palavras-chave: fluidos de perfurao, argila bentontica, mtodo de
Pechini,
nanopartculas.
ABSTRACT
The optimist estimates of oil production with the discovery of
pre-salt become Brazil a
country with favorable strategic position regarding the world
energy demand. The greater
Brazilian availability energetic comes from oil, making this the
most used energy resource in
the country. However, in recent years, environmental issues have
been getting importance,
requiring even greater care in the oil well drilling process. In
this context, this project aims to
produce clean water based drilling fluids that can help more
efficiently oil well drilling. For this
purpose, it will perform the synthesis of bentonite clay
nanoparticles by way of Pechini method.
These nanoparticles will be used as additives for the
formulation of drilling fluids, and will be
accomplished an analysis of the performance of the new mud
through study of the effect of the
nanoparticles in the rheological properties of drilling
fluids.
Key-words: drilling fluids, bentonite clay, Pechini method,
nanoparticles.
-
vii
SUMRIO
1 INTRODUO
.........................................................................................
1
1.1 MOTIVAO ENERGIA E PETRLEO
....................................................... 1
1.2 OBJETIVOS
............................................................................................
3
1.2.1 Objetivos Especficos
........................................................................
3
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
.....................................................................
3
2 REVISO BIBLIOGRFICA
......................................................................
5
2.1 FLUIDOS DE PERFURAO
......................................................................
5
2.1.1 Definio de Fluido de Perfurao
....................................................... 5
2.1.2 Percurso Realizado pelo Fluido de Perfurao
....................................... 6
2.1.3 Funo dos Fluidos de Perfurao
....................................................... 7
2.1.4 Classificao dos Fluidos de Perfurao
............................................... 7
2.2 ADITIVOS PARA FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA
.....................10
2.3 ARGILAS BENTONTICAS
........................................................................13
2.3.1 Estrutura das Argilas Bentonticas
.....................................................14
2.3.2 Hidratao das Argilas Bentonticas
...................................................15
2.4 ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA
.......................................................17
2.4.1 Importncia da Ativao
..................................................................17
2.5 NANOPARTCULAS COMO ADITIVOS EM FLUIDOS DE PERFURAO
.............18
2.6 MTODO DE
PECHINI.............................................................................19
2.6.1 Seleo do Mtodo de Pechini para a Realizao do Projeto
..................20
2.6.2 xidos Produzidos pelo Mtodo de Pechini
..........................................20
2.7 CARACTERIZAO DOS NANO ADITIVOS
.................................................21
2.8 FORMULAO DOS FLUIDOS DE
PERFURAO..........................................21
2.9 REOLOGIA
............................................................................................22
2.9.1 Modelo Matemtico para Fluidos de Perfurao
...................................23
2.9.2 Propriedades Reolgicas dos Fluidos de Perfurao
..............................25
2.9.3 Valores das Propriedades Reolgicas
.................................................26
-
viii
3 METODOLOGIA
.....................................................................................
28
3.1 MATERIAIS
...........................................................................................28
3.1.1 Materiais e Reagentes para Ativao da Argila Bentontica
....................28
3.1.2 Materiais e Reagentes para a Sntese do Nano Aditivo
.........................28
3.1.3 Materiais para a Caracterizao dos Nano xidos e da
Bentonita ...........29
3.1.4 Materiais e Aditivos para a Formulao dos Fluidos de
Perfurao .........29
3.1.5 Materiais para o Ensaio Reolgico dos Fluidos de Perfurao
.................29
3.2 PROCESSO DE ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA
.................................29
3.3 COMPOSIO QUMICA DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA
..........32
3.4 SNTESE DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA POR MEIO DO
MTODO
DE PECHINI
......................................................................................................33
3.4.1 Formao do Nano xido de Silcio
....................................................36
3.4.2 Formao do Nano xido de Alumnio
................................................37
3.4.3 Formao do Nano xido de Ferro
.....................................................38
3.4.4 Formao do Nano xido de Sdio
....................................................39
3.4.5 Rendimento dos Nano xidos
...........................................................40
3.4.6 Formao da Nanopartcula de Argila Bentontica
................................40
3.5 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS DE NANO ADITIVOS
............................43
3.5.1 Espectrometria por Fluorescncia de Raios X (FRX)
.............................43
3.5.2 Espectroscopia por Disperso em Energia (EDS)
.................................43
3.5.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)
.........................................44
3.6 FORMULAO DAS
LAMAS......................................................................44
3.7 DETERMINAO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES REOLGICAS
............48
3.7.1 Parmetros Reolgicos para Fluidos de Perfurao Base dgua
..........50
3.8 DETERMINAO DAS CURVAS DE FLUXO
.................................................52
3.9 DETERMINAO DO NDICE DE CONSISTNCIA E DO NDICE DE
COMPORTAMENTO DE FLUXO
..............................................................................53
4 RESULTADOS E ANLISES
....................................................................
54
4.1 FLUORESCNCIA DE RAIO-X
...................................................................54
4.2 ESPECTROSCOPIA POR DISPERSO EM ENERGIA
......................................55
-
ix
4.3 MICROSCOPIA ELETRNICA DE VARREDURA
............................................58
4.4 ENSAIO REOLGICO DOS FLUIDOS DE PERFURAO
................................63
4.4.1 Curvas de Fluxo
..............................................................................65
5 CONCLUSES
........................................................................................
67
5.1 CONCLUSES FINAIS
............................................................................67
5.2 PROPOSTAS PARA FUTUROS PROJETOS
...................................................68
REFERNCIAS
BIBLIOGRFICAS...............................................................70
ANEXOS....................................................................................................73
ANEXO I Leituras dos Ensaios
reolgicos....................................................74
ANEXO II Leituras das Provetas para a Determinao do Volume
de
Filtrado......................................................................................................75
-
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Consumo Nacional de Energia.
............................................................. 2
Figura 2 - Fluido de Perfurao Base de leo.
.................................................... 5
Figura 3 - Carreamento dos Detritos pelo Fluido de Perfurao.
.............................. 6
Figura 4 - Processo da Lama durante a Perfurao de um Poo de
Petrleo. ............. 6
Figura 5 - Classificao dos Fluidos de Perfurao.
...............................................10
Figura 6 - Folha Tetradrica de Silicato.
..............................................................14
Figura 7 - Folha Octadrica de Alumina.
.............................................................15
Figura 8 - Estrutura da Montmorilonita.
..............................................................15
Figura 9 - Separao das Estruturas de Montmorilonita quando
Hidratadas. ............16
Figura 10 - Ativao do Argilomineral Montmorilontico com Clcio e
Sdio. ............17
Figura 11 - Esquematizao do Preparo do Nanoaditivo Bentontico.
......................20
Figura 12 - Curvas de Fluxo para Fluidos de Potncia.
..........................................24
Figura 13 - Curvas de Fluxo para o modelo de Herschell-Bukley.
...........................24
Figura 14 - Fluxograma do Processo de Ativao da Argila
Bentontica....................30
Figura 15 Amostra de bentonita fornecida pela empresa Bentonisa.
.....................31
Figura 16 Sobrenadantes Presentes na Soluo aps Agitao Magntica.
............31
Figura 17 Fase Lquida Lmpida.
......................................................................32
Figura 18 Bentonita Ativada.
..........................................................................32
Figura 19 - Esquematizao da Sntese de Citrato.
...............................................34
Figura 20 - Esquematizao da Reao de Esterificao.
.......................................34
Figura 21 - Fluxograma da Sntese dos Nano xidos pelo Mtodo de
Pechini. ..........35
Figura 22 Resina Polimrica de Silcio.
.............................................................36
Figura 23 Nano xido de
Silcio.......................................................................36
Figura 24 Resina Polimrica de Alumnio.
.........................................................37
Figura 25 Nano xido de
Alumnio...................................................................37
Figura 26 Resina Polimrica de Ferro.
..............................................................38
-
xi
Figura 27 Nano xido de Ferro.
......................................................................38
Figura 28 Resina Polimrica de Sdio.
..............................................................39
Figura 29 Nano xido de Sdio.
......................................................................39
Figura 30 Nanobentonita formada a partir da mistura dos nano
xidos. ...............41
Figura 31 Bentonita formada a partir da mistura dos nano xidos.
......................42
Figura 32 Bentonita formada a partir da mistura das resinas.
.............................42
Figura 33 Misturador Mecnico Hamilton Beach.
................................................44
Figura 34 Aditivos fornecidos pela empresa System Mud.
...................................45
Figura 35 Fluido de Perfurao do Tipo A.
........................................................46
Figura 36 Fluido de Perfurao do Tipo B.
........................................................47
Figura 37 Fluido de Perfurao do Tipo C.
........................................................47
Figura 38 Fluido de Perfurao do Tipo D.
........................................................48
Figura 39 Viscosmetro Fann modelo 35 A.
.......................................................48
Figura 40 Esquema geral do viscosmetro Fann 35 A.
........................................49
Figura 41 Filtro Prensa Fann n 300.
...............................................................49
Figura 42 Ensaio do volume de filtrado dos fluidos de perfurao.
.......................52
Figura 43 Curva de Fluxo para Fluidos de Perfurao.
........................................53
Figura 44 Espectrograma por absoro em energia do xido de
silcio..................55
Figura 45 Espectrograma por absoro em energia do xido de
alumnio. ............56
Figura 46 Espectrograma por absoro em energia do xido de ferro.
.................56
Figura 47 Espectrograma por absoro em energia do xido de sdio.
.................57
Figura 48 Espectrograma por absoro em energia da amostra Nano-1.
..............57
Figura 49 Espectrograma por absoro em energia da amostra Nano-2.
..............58
Figura 50 Micrografias das amostras de (a) xido de silcio, (b)
xido de alumnio, (c)
xido de ferro, (d) xido de sdio, (e) Nano-1 e (f) Nano-2.
......................................59
Figura 51 Dimenses da partcula de xido de silcio.
.........................................60
Figura 52 Dimenses da partcula de xido de alumnio.
....................................61
Figura 53 Dimenses da partcula de xido de ferro.
..........................................61
Figura 54 Dimenses da partcula de xido de sdio.
.........................................62
Figura 55 Amostras (a) Nano-1 e (b) Nano-2.
...................................................62
-
xii
Figura 56 Curvas de fluxo para os quatro tipos de fluidos
produzidos. ..................65
Figura 57 - Volume de filtrado para as lamas dos tipos A, B, C e
D, respectivamente
da esquerda para a direita.
....................................................................................75
-
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Oferta Interna Nacional de Energia.
..................................................... 1
Tabela 2 - Requisitos para Fluidos de Perfurao.
................................................26
Tabela 3 - Requisitos para Fluidos de Perfurao Padro.
......................................27
Tabela 4 Composio Qumica das Argilas de Fort Benton.
.................................33
Tabela 5 - Composio Qumica do Nanoaditivo.
..................................................33
Tabela 6 Rendimento da Sntese dos Nano xidos.
............................................40
Tabela 7 Quantidade de resina necessria para a produo da
nanobentonita a partir
do segundo mtodo.
.............................................................................................41
Tabela 8 Aditivos empregados na Formulao das Lamas.
..................................46
Tabela 9 Constituintes da amostra Nano-1.
......................................................54
Tabela 10 - Constituintes da amostra Nano-2.
.....................................................54
Tabela 11 Resultados dos ensaios reolgicos.
...................................................63
Tabela 12 Parmetros dos Fluidos de Perfurao.
..............................................66
Tabela 13 Leituras do ensaio reolgico para a determinao da
viscosidade plstica,
viscosidade aparente e limite de escoamento dos fluidos de
perfurao. ......................74
Tabela 14 Leituras do ensaio reolgico para a determinao da fora
gel dos fluidos
de perfurao.
.....................................................................................................74
-
xiv
LISTA DE SMBOLOS
Smbolos Latinos
b Coeficiente Linear da Reta de Mnimos Quadrados
cP Centipoise
FG Fora Gel
FGI Fora Gel Inicial
FGF Fora Gel Final
ndice de Consistncia
LE Limite de Escoamento
Leitura indicada no Viscosmetro
600 Leitura do Viscosmetro a 600 rpm
300 Leitura do Viscosmetro a 300 rpm
mL Mililitro
ndice de Comportamento de Fluxo
nm Nanmetro
Pa Pascal
pH Concentrao Hidrogeninica
psi Pound Force per Square Inch
rpm Rotaes por Minuto
Velocidade de agitao do Fluido
VA Viscosidade Aparente
VF Volume de Filtrado
VP Viscosidade Plstica
Angstrom
C Graus Centgrados
Smbolos Gregos
Tenso de Cisalhamento [Pa]
0 Limite de Escoamento [Pa]
Taxa de Cisalhamento [s-1]
Viscosidade Dinmica [Pa.s]
-
xv
Siglas
ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica
API American Petroleum Institute
ASME American Society of Mechanical Engineers Shale Shaker
Committee
BEN Balano Energtico Nacional
CTC Capacidade de Troca de Ctions
DNPD Departamento Nacional de Produo Mineral
EDS Espectroscopia por Disperso em Energia
FRX Fluorescncia de Raios X
IEA Internacional Energy Agency
MEV Microscopia Eletrnica de Varredura
PPDM Professional Petroleum Data Management
-
1
1 INTRODUO
1.1 MOTIVAO ENERGIA E PETRLEO
Considerado a principal fonte de energia do mundo moderno, o
petrleo est sempre presente no dia
a dia da populao, tendo os combustveis como os seus produtos
mais importantes. Asfalto,
fertilizantes, polmeros e tintas so outros derivados do petrleo
bastante utilizados mundialmente. A
queima de derivados de petrleo para a gerao de energia eltrica
tambm merece destaque. Apesar da
competitividade com as fontes alternativas de energia, a gerao
de energia eltrica por meio das
termoeltricas estrategicamente importante, sobretudo para o
suprimento de cargas de pico e para o
fornecimento de energia em sistemas isolados, afirma a Agncia
Nacional de Energia Eltrica ANEEL
(2010).
Apesar do apelo mundial para a utilizao de fontes energticas
alternativas, empresas de
energia, especialmente aps a descoberta do pr-sal, no trabalham
com a hiptese de substituio das
fontes no renovveis de energia, mas sim com a complementao da
matriz energtica brasileira por
fontes renovveis, buscando aperfeioar o processo de eficincia
energtica.
O petrleo, junto aos seus derivados, a fonte de energia de maior
disponibilidade no mundo, alm
de ser a mais utilizada. Segundo a Internacional Energy Agency
IEA (2012), 33,1% do fornecimento
mundial de energia proveniente do petrleo e seus derivados. Em
relao ao Brasil, a situao no
diferente, j que o petrleo e seus derivados correspondem a 38%
do suprimento interno de toda a
energia utilizada no pas, sem considerar o gs natural. A Tabela
1 apresenta os valores por fonte da
oferta de energia nacional.
Tabela 1 - Oferta Interna Nacional de Energia.
IEA (2009).
Fonte %
Petrleo e Derivados 38
Gs Natural 10,2
Carvo Mineral e Derivados 5,1
Urnio e Derivados 1,3
Energia Hidrulica e
Eletricidade 14,2
Lenha e Carvo Vegetal 9,6
Produtos da Cana de Acar 17,7
Outras Fontes Renovveis 3,9
-
2
Fazendo jus a grande disponibilidade internacional de petrleo
existente, a fonte de energia de maior
consumo no mundo provm do petrleo. No Brasil, o recurso
energtico mais utilizado representado
pelo petrleo e seus derivados, com 42,4% do consumo final de
energia, de acordo com o Balano
Energtico Nacional BEN (2012). A Figura 1 mostra a matriz
energtica brasileira em termos de
consumo de energia.
Figura 1 - Consumo Nacional de Energia.
BEN (2012).
Hoje em dia, o crescimento da indstria nacional e internacional
de automveis gera uma demanda
sustentada pelos produtos petrolferos, conferindo significativa
relevncia econmica desta fonte
energtica para o mundo. O consumo do petrleo e seus derivados
destina-se, principalmente, ao setor
de transporte. Devido ao crescimento deste setor, a tendncia o
fortalecimento da indstria petrolfera
nos prximos anos. No Brasil, a descoberta do pr-sal torna ainda
mais evidente a importncia do recurso
energtico do petrleo para o pas.
Desde a descoberta do pr-sal, de acordo com dados divulgados
pela Petrobras (2012), o Brasil j
superou a marca de 100 milhes de barris de petrleo produzidos.
Atualmente o pas produz mais de
200 mil barris de petrleo por dia nas bacias de Santos e de
Campos. A Petrobras estima que em 2017
sejam produzidos um milho de barris de petrleo por dia. Desta
forma, nas prximas dcadas, o pas
ocupar uma posio estratgica frente demanda mundial de energia.
Em virtude desta situao, o
desenvolvimento de um fluido de perfurao que torne o processo de
produo do petrleo mais prtico,
rpido e eficiente se mostrar bastante relevante em meio ao
cenrio atual.
neste cenrio que este projeto se enquadra. A imprescindibilidade
de se elaborar fluidos de
perfurao no poluentes devido s restries ambientais cada vez mais
severas e a necessidade de
19%
9%
3%
2%
2%
7%7%18%
12%
5%
2%
14%
Consumo Nacional de Energia por Fonte
leo Diesel
Gasolina
GLP
leo Combustvel
Querosene
Gs Natural
Lenha
Eletricidade
Bagao de Cana
Etanol
Lixvia
Outras Fontes
-
3
explorar os profundos poos do pr-sal tornam o desenvolvimento
deste projeto de suma importncia,
visto que os fluidos base dgua, alm de garantir uma perfurao
eficiente quando preparados de
forma adequada, so os que melhor atendem s exigncias
ambientais.
O estudo do comportamento e da formulao de fluidos de perfurao
utilizando-se nanoaditivo
tambm se mostrar bastante til, j que o fluido poder apresentar
melhores propriedades reolgicas e,
consequentemente, maiores eficincias nas atividades nas quais
ele deve realizar durante o processo de
perfurao.
1.2 OBJETIVOS
Este projeto tem como objetivo a sntese de nanopartculas de
argila bentontica, as quais sero
empregadas como aditivos para a formulao de fluidos de perfurao
base dgua juntamente com os
principais aditivos qumicos utilizados na indstria petrolfera.
Os fluidos produzidos sero analisados
para averiguao de suas eficincias por meio do estudo do
comportamento das propriedades reolgicas
dos mesmos, conforme estabelecido pelas normas da Petrobras.
Sero desenvolvidos quatro tipos de fluidos de perfurao, sendo
que o primeiro fluido ser
aditivado com nanopartculas de argila bentontica sintetizadas a
partir da mistura dos nano xidos
produzidos, o segundo fluido ser aditivado com nanopartculas de
bentonita criadas a partir da mistura
das resinas polimricas (Fluido tipo B), o terceiro fluido ser
formulado com argila bentontica ativada
(Fluido Tipo C) e o quarto fluido conter apenas aditivos
industriais (Fluido Tipo D).
1.2.1 Objetivos Especficos
Ativao da argila bentontica para o aprimoramento das
propriedades reolgicas do fluido de
perfurao Tipo C;
Caracterizao das partculas de argila bentontica
sintetizadas;
Realizao do estudo reolgico das diferentes variedades de fluidos
de perfurao produzidos,
bem como a comparao do comportamento dos mesmos.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O projeto foi organizado em captulos para melhor compreenso dos
contedos abordados e maior
facilidade de visualizao dos mesmos. O texto comea com o Captulo
1, o qual apresenta a motivao
para a realizao deste trabalho, relacionando o tema energia ao
setor petrolfero tanto no Brasil quanto
no mundo, alm de introduzir os objetivos do projeto.
-
4
O Captulo 2 apresenta a reviso bibliogrfica dos contedos do
projeto. Neste captulo, so exibidos
o conceito e as funes dos fluidos de perfurao, os aditivos
utilizados para a preparao dos mesmos
bem como o tipo de fluido adequado para cada categoria de poo, a
estrutura da argila bentontica, o
processo de ativao do argilomineral, a relevncia do uso de
nanopartculas como aditivos em fluidos
de perfurao e o mtodo aplicado para a preparao das nanopartculas
(mtodo de Pechini), alm da
caracterizao das mesmas. Por ltimo, realizada a reviso das
propriedades reolgicas dos fluidos de
perfurao, j que tais propriedades so parmetros fundamentais para
a determinao da eficincia das
lamas.
A metodologia aplicada na realizao do projeto est apresentada no
Captulo 3, que rene os
seguintes tpicos: a tcnica de ativao da argila bentontica, a
sntese das nanopartculas que
representam o mineral argiloso (mtodo de Pechini), o processo de
formulao dos fluidos de
perfurao, as prticas adotadas para a caracterizao das
nanopartculas e os procedimentos de medio
das propriedades reolgicas dos fluidos de perfurao.
O Captulo 4 apresenta os resultados obtidos da caracterizao e
medio das propriedades
reolgicas dos fluidos de perfurao, alm das anlises a cerca
destes resultados.
As concluses, incluindo os comentrios e os aspectos mais
relevantes ocorridos durante a execuo
do projeto esto descritas no Captulo 5.
Por ltimo, todas as referncias utilizadas para o desenvolvimento
do projeto e os anexos relevantes
para a compreenso do mesmo esto listados no final do
trabalho.
-
5
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 FLUIDOS DE PERFURAO
2.1.1 Definio de Fluido de Perfurao
Fluidos de perfurao so misturas formadas a partir de uma soluo
base de gua ou leo
juntamente com elementos qumicos slidos, lquidos e at mesmo
gasosos, de acordo com Assis (2011).
Tais fluidos, tambm conhecidos como lamas, so utilizados na
indstria de petrleo para perfurao de
poos, sejam eles terrestres ou martimos.
Segundo Thomas (2001), fluido de perfurao uma mistura complexa
usada durante a perfurao
de poos de petrleo, a qual bombeada a partir da superfcie para
baixo da coluna de perfurao,
satisfazendo as principais necessidades do poo. Devido ao estado
fsico dos seus componentes, podem
se apresentar nos aspectos de suspenso, disperso coloidal ou
emulso, garantindo que a perfurao do
poo ocorra de maneira rpida e segura.
Fluidos de perfurao, de acordo com Amorim (2003), so composies
geralmente lquidas
destinadas a desempenhar as mais variadas funes no mbito de
auxiliar o processo de perfurao de
poos de petrleo. O tipo de fluido de perfurao a ser utilizado
depende da estrutura de cada poo.
De fato, o termo fluido de perfurao refere-se a um lquido, gs ou
substncia contnua utlizada no
processo de perfurao de poos de petrleo com o intuito de
realizar qualquer uma ou todas as
atividades necessrias para que a perfurao do poo seja bem
sucedida com um baixo custo. Desta
forma, caso o fluido de perfurao seja selecionado adequadamente,
notveis benefcios so alcanados
ao processo de perfurao, tais como a reduo da corroso nos
equipamentos de perfurao, a
diminuio das perdas de presso por atrito, a minimizao dos
impactos ambientais e at mesmo o
incremento da segurana durante a perfurao. Um exemplo de fluido
de perfurao mostrado pela
Figura 2.
Figura 2 - Fluido de Perfurao Base de leo.
Baker Hughes (http://www.bakerhughes.com/).
-
6
2.1.2 Percurso Realizado pelo Fluido de Perfurao
O caminho realizado pela lama durante a perfurao de um poo de
petrleo est representado pelos
passos a seguir. Primeiramente, o fluido de perfurao preparado e
armazenado em tanques. Dos
tanques de lama, o fluido de perfurao bombeado e injetado por
meio de um duto para o interior da
coluna de perfurao, que constituda por um conjunto de
componentes responsveis por transmitir a
energia necessria para a broca cortar as fomares rochosas.
Durante a perfurao do poo de petrleo,
os dentes da broca moem a rocha em fragmentos pequenos. O
fluido, j no interior da coluna de
perfurao, sai da broca em forma de jatos, percorrendo o espao
anular compreendido entre a coluna
de perfurao e a parede do poo. Ao deixar a broca, a lama
suspende os fragmentos formados pela
perfurao, circulando-os de volta superfcie. O procedimento de
retirada dos resduos slidos gerados
durante a perfurao pode ser visualisado na Figura 3.
Figura 3 - Carreamento dos Detritos pelo Fluido de Perfurao.
Petroleum Support (https://www.petroleumsupport.com/).
A lama juntamente com os resduos da perfurao se encaminha para
peneiras, de onde os
fragmentos so removidos. Das peneiras, o fluido reciclado volta
aos tanques de lama, reiniciando sua
circulao. Este processo est representado pela Figura 4.
Figura 4 - Processo da Lama durante a Perfurao de um Poo de
Petrleo.
Schlumberguer (https://www.slb.com/).
-
7
2.1.3 Funo dos Fluidos de Perfurao
As funes que os fluidos de perfurao precisam executar variam de
acordo com o tipo de fluido.
Comumente, os fluidos de perfurao realizam o papel de suspender
e remover slidos indesejados ao
longo da coluna de perfurao, conter a presso na superfcie de
formao do fluido, alm da executar
a limpeza, lubrificao e refrigerao da broca.
Os fluidos de perfurao podem realizar diversas tarefas durante o
processo de extrao de petrleo.
Segundo o Drilling Fluids Engineering Manual (1998), as
principais funes dos fluidos de perfurao
so:
i. Resfriamento e lubrificao da broca;
ii. Manuteno da estabilidade do poo;
iii. Remoo dos resduos formados durante a perfurao e o
transporte destes para a superfcie;
iv. Garantia de uma adequada avaliao da formao geolgica;
v. Controle das presses de formao;
vi. Controle da corroso;
vii. Minimizao dos danos no reservatrio;
viii. Minimizao dos impactos ambientais.
O desenvolvimento de fluidos de perfurao deve buscar a otimizao
entre a eficincia do fluido e
o seu custo, atendendo os aspectos tcnicos exigidos durante a
perfurao do poo, alm de estar em
consonncia com as questes ambientais. Em sintonia com as funes
descritas pelos autores
anteriormente, os fluidos de perfurao, segundo Gray e Darley
(1998), devem respeitar os critrios de
no interferir a produtividade normal do poo, no exigir mtodos
incomuns ou muito onerosos de
perfurao, no provocar corroses ou desgastes excessivos aos
equipamentos de perfurao, no causar
danos s pessoas envolvidas durante o processo de perfurao e
tambm no prejudicar o meio ambiente.
2.1.4 Classificao dos Fluidos de Perfurao
Para Thomas (2011), o fluido de perfurao classificado conforme a
sua composio, utilizando
como critrio o principal constituinte da fase contnua do fluido,
ou seja, o componente de maior
relevncia que forma a fase dispersante do fluido de perfurao.
Seguindo este critrio, os fluidos de
perfurao so classificados em fluido base de gua, fluidos base de
leo e fluidos base de ar.
A classificao dos fluidos de perfurao realizada de acordo com o
fluido base da mistura
juntamente com os seus principais componentes, segundo o
Drilling Fluids Engineering Manual (1998).
-
8
Gray e Darley (1998) classificam como fluido de perfurao base de
gua aquele que contm gua
como principal constituinte, como fluido de perfurao base de leo
aquele cuja fase lquida contnua
formada por leo e, por ltimo, como fluido de perfurao base de ar
aquele no qual um fluxo de ar
injetado a alta velocidade no poo de petrleo.
Alm da gua, do leo e do ar, tambm existe um fluido de perfurao
base sinttica. O fluido de
perfurao sinttico preparado a partir de substncias qumicas
sintticas com o intuito de aperfeioar
suas propriedades reolgicas.
2.1.4.1 Fluidos Base de gua
Nos fluidos de perfurao base de gua, o principal constituinte a
gua. A gua tem como funo
ser o meio dispersante dos aditivos qumicos presentes no fluido.
Dependendo de sua natureza, a gua
pode ser doce, dura ou salgada. De acordo com Thomas (2001), a
composio e a interao de cada
componente na gua so responsveis pelas propriedades qumicas e
fsicas do fluido. Desta forma, so
considerados a natureza da gua e os aditivos a serem empregados
para a correta formulao do fluido
de perfurao.
A salinidade apresentada na gua doce menor do que 1000 ppm de
cloreto de sdio equivalente.
A vantagem de se utilizar gua doce no fluido de perfurao que ela
no interfere no desempenho dos
aditivos a serem empregados no fluido, no havendo necessidade de
pr-tratamento desta. J a gua dura
contm sais de clcio e magnsio dissolvidos, o que implica na
alterao do desempenho dos aditivos
empregados na formulao do fluido de perfurao. Por fim, quando a
salinidade da gua for superior a
1000 ppm de cloreto de sdio equivalente, diz-se que ela
salgada.
Os fluidos de perfurao base de gua ainda podem ser classificados
de acordo com a funo dos
aditivos presentes. Desta forma, existem os fluidos inibidos e
os fluidos no inibidos. Segundo Thomas
(2001), os fluidos inibidos so recomendados para perfurao de
rochas ativas, ou seja, rochas que
provocam interao qumica com a gua doce. Neste caso, devem-se
empregar aditivos que retardem o
efeito de interao entre a gua do fluido e a rocha. Tais aditivos
so chamados de inibidores, e so
representados por eletrlitos ou polmeros. Quando a interao entre
a rocha e gua doce mnima, diz-
se que ambos so inertes, dispensando a presena de inibidores na
preparao dos fluidos de perfurao.
Neste caso, os fluidos so chamados de no inibidos, e geralmente
so aplicados na perfurao de rochas
superficiais e inconsolidadas.
Lamas base de gua so as mais utilizadas nas operaes de perfurao
de todo o mundo. Os
principais quesitos que estimularam o desenvolvimento dos
fluidos de perfurao base de gua foram
proporcionar adequadamente as condies de estabilidade e presso
do poo de petrleo, como tambm
a auxiliar o processo de remoo dos fragmentos oriundos da
perfurao.
-
9
2.1.4.2 Fluidos Base de leo
Os fluidos base de leo possuem a fase contnua constituda por
hidrocarbonetos lquidos. A fase
descontnua formada por gotculas de gua. Segundo Thomas (2011),
se o teor de gua no fluido for
menor do que 10% trata-se de uma emulso de gua e leo. Quando o
teor de gua est compreendido
entre 10 e 45%, o fluido denominado de emulso inversa.
Tais fluidos podem ser utilizados em operaes a altas
temperaturas e presses, alm de possuir
elevado grau de lubricidade e mnima taxa de corroso. So
indicados para formaes salinas, formaes
geolgicas hidratveis, formaes de folhelhos argilosos e para poos
de grande profundidade.
Devido ao elevado grau de poluio e ao fato de haver dificuldades
quanto ao seu descarte no meio
ambiente, os fluidos base de leo vm sendo empregados com menor
frequncia se comparados aos
fluidos base de gua. Outro problema o elevado custo para a
implantao deste tipo de lama.
2.1.4.3 Fluidos Base de Ar
Quando o fluido circulante utilizado durante a perfurao consiste
totalmente ou em sua maior parte
por ar ou gs, diz-se que a perfurao base de ar. De acordo com
Thomas (2001), recomendam-se
diferentes formulaes para fluidos base de ar para cada situao em
que se encontra um poo de
petrleo.
Em zonas com drsticas perdas de circulao, formaes produtoras com
baixssimas presses,
formaes muito duras e regies com escassez de gua ou cobertas por
grossas camadas de gelo,
recomendam-se o uso de um fluido base de ar com baixa densidade.
Para formaes duras ou fissuradas
que no produzem grande quantidade de gua e no contenham
hidrocarbonetos, utiliza-se a perfurao
a ar puro, com ar comprimido ou hidrognio, aumentando a taxa de
penetrao da broca. Se a formao
produz gua em grandes quantidades que comprometam a perfurao a
ar puro, deve ser empregada a
perfurao com nvoa, que consiste em uma mistura de gua dispersa
no ar. utilizada espuma como
lquido circulante quando se precisa conduzir de forma bastante
eficiente os fragmentos formados
durante a perfurao. O gs disperso em lquido, formando a espuma,
que apresenta elevada
viscosidade, facilitando o processo de carreamento dos
detritos.
2.1.4.4 Fluidos Sintticos
Os fluidos sintticos so considerados produtos da nova gerao na
indstria petrolfera, e
apresentam a fase contnua formada por um lquido sinttico.
Segundo Burke e Veil (1995), tais lamas
podem desempenhar as diversas funes tanto dos fluidos base de
leo como tambm dos fluidos
base de gua. A grande vantagem do fluido sinttico que este pode
ser desenvolvido de maneira a
-
10
atender situaes nas quais os fluidos base de gua apresentam
limitaes. O elevado custo a
principal desvantagem deste tipo de fluido. Com o intuito de
superar as limitaes dos fluidos de
perfurao base de gua e em resposta s restries ambientais
impostas aos fluidos base de leo, o
fluido sinttico foi desenvolvido. O fluido sinttico apresenta
menores nveis de toxidade e auxiliam a
formao de fragmentos de menores volumes durante a perfurao. Por
meio da Figura 5 pode ser
observado o esquema da classificao dos fluidos de perfurao.
Figura 5 - Classificao dos Fluidos de Perfurao.
Thomas (2001).
2.2 ADITIVOS PARA FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA
Durante a preparao dos fluidos de perfurao, so usados aditivos
com o intuito de conferir as
propriedades necessrias para uma perfurao eficiente para cada
tipo de poo.
Segundo Amorim (2003), existe uma perfurao especfica para cada
tipo de poo, deste modo, as
condies geolgicas de cada poo determinaro a composio do fluido.
Por exemplo, fluidos base
de gua contendo somente argila em baixa concentrao como aditivo,
so apropriados para perfuraes
simples e no muito profundas. Porm, para perfuraes complexas e
profundas torna-se necessrio a
utilizao de fluidos mais completos, com aplicao de vrios
aditivos que despenhem as funes para
auxiliar o processo de perfurao.
Os aditivos desempenham as mais diversas funes nos fluidos de
perfurao. Dentre elas, pode-se
destacar que as principais so o controle da viscosidade, do
limite de escoamento, das foras gis e do
filtrado. Se adicionados nas pores adequadas, os aditivos daro
ao fluido elevada aptido para remoo
Fluidos de Perfurao
Fuidos Base de gua
Alto Teor de Slidos
Baixo teor de Slidos
Fluidos Inibidos
Fluidos no Inibidos
Fluidos Base de
leo
EmulsoEmulso Inversa
Fluidos Base de Ar
Fluidos Sintticos
-
11
dos resduos gerados pela perfurao e boa capacidade de
estabilizao das paredes do poo (Thomas,
2001).
Como o escopo deste projeto se refere a fluidos de perfurao base
de gua, os aditivos descritos
e estudados ao longo do projeto sero referentes base aquosa.
Os aditivos utilizados para a preparao dos fluidos de perfurao
podem ser slidos ou lquidos.
Dentre os aditivos slidos, existem os ativos e os inertes.
Thomas (2001), diz que os aditivos slidos
ativos tm a funo de tornar o fluido viscoso. As argilas, com
destaque para as bentonitas, so os
principais materiais utilizados. J os slidos inertes so oriundos
do incremento de materiais
industrializados, como a baritina e a calcita, ou provenientes
de delgados resduos das rochas perfuradas,
como a areia e o calcrio fino.
Segundo Gray e Darley (1998), desde 1921 utilizam-se aditivos
para melhorar as propriedades
reolgicas dos fluidos de perfurao. Os principais aditivos
utilizados na preparao de fluidos de
perfurao base de gua so os viscosificantes, os lubrificantes, os
redutores de filtrado, os
controladores de pH, os bactericidas, os fixadores de reboco, os
inibidores de argila expansiva, os
afinantes de bentonita, os defloculantes, os dispersantes, os
densificantes e os selantes.
Todos estes aditivos esto descritos a seguir juntamente com suas
respectivas funes e alguns
exemplos dos mesmos.
Viscosificantes
Os viscosificantes so os aditivos usados com o objetivo de
elevar viscosidade ao fluido, garantindo
o carreamento dos detritos gerados pela perfurao, alm de
conferir uma melhor limpeza do poo.
Argilas e polmeros naturais ou sintticos so os viscosificantes
mais utilizados.
Lubrificantes
Os lubrificantes, compostos formados por steres ou por
polipropilenoglicol, so os aditivos
responsveis pela reduo do atrito da lama ao fluir entre as
paredes do poo e coluna de perfurao.
Redutores de Filtrado
Ao se perfurar um poo de petrleo, ocorrem perdas de fluido,
sobretudo em formaes fraturadas.
Para evitar tais perdas, utilizam-se redutores de filtrado, os
quais promovem a melhoria do reboco nas
paredes dos poos. O amido o componente mais utilizado como
redutor de filtrado.
Controladores de pH
Estes aditivos realizam o controle do teor de dureza nos fluidos
de perfurao como principal
atividade. Outras funes dos controladores de pH so a reduo dos
ndices de corroso e a
estabilizao das emulses. So representados pelos hidrxidos de
sdio ou de potssio, cido actico e
carbonato de sdio.
-
12
Bactericidas
Os agentes responsveis pelo controle da deteriorao dos fluidos
de perfurao causado pela
presena de micro-organismos so chamados de bactericidas. Os
principais bactericidas so os
compostos organoclorados, a soda custica e a cal.
Fixadores de Reboco
Fixadores agem sobre as paredes do poo recobrindo-o com uma
camada flexvel e plastificada.
recomendado o uso destes aditivos para a perfurao de rochas
inconsolidadas e quebradias. So vrios
os aditivos que vem sendo usados para este fim, incluindo
amidos, polmeros base de celulose,
lignosulfonatos, lignitos, taninos, polifosfatos e dispersantes
polimricos.
Inibidores de Argila Expansiva
Os inibidores so sais inorgnicos sem a presena de cloretos, cuja
funo coibir a expanso das
argilas oriundas das formaes perfuradas quando hidratadas. Tais
aditivos aumentam a velocidade de
penetrao em formaes com argilas plsticas.
Afinantes de Bentonita
Os afinantes, representados por polmeros de baixo peso
molecular, apresentam tima disperso das
argilas no fluido de perfurao por meio de ao qumica. Estes
aditivos tambm protegem a broca
contra aprisionamentos e entupimentos.
Selantes
O selante um aditivo, geralmente polimrico, utilizado para
preencher e fechar fendas em um poo,
prevenindo o desmoronamento do mesmo. bastante utilizado em
formaes geolgicas bastante
permeveis e em aquferos fraturados, onde existem perdas de
circulao do fluido de perfurao.
Dispersantes
Como o prprio nome sugere, os dispersantes so responsveis por
executar a disperso dos slidos
contidos no fluido de perfurao, reduzindo a atrao das partculas
de bentonitas. Os lignosulfonatos,
os lignitos e os fosfatos so os representantes dos agentes
dispersantes.
Floculantes
Os agentes floculantes, representados pela soda custica, pela
cal e pelo cloreto de sdio, so
encarregados de elevar a viscosidade do fluido, promovendo a
limpeza do poo.
Defloculantes
Os aditivos defloculantes so aplicados com a finalidade de
impedir que os slidos ativos presentes
no fluido de perfurao fiquem em suspenso. Poliacrilatos de sdio,
clcio e potssio so exemplos de
defloculantes.
-
13
Densificantes
So os agentes cuja funo elevar a densidade do fluido de
perfurao. A barita o densificante
mais empregado na formulao de lamas.
Espumantes
Os agentes espumantes tm a funo de criar uma espuma estvel em
fluidos de perfurao base
de gua. Os surfactantes so exemplos de espumantes.
Antiespumantes
Estes produtos promovem a reduo da ao espumante nos fluidos de
perfurao, especialmente
naqueles base de gua saturada com sal.
2.3 ARGILAS BENTONTICAS
O termo bentonita origina-se dos primeiros depsitos comerciais
de um mineral argiloso na regio
de Fort Benton, no Estado de Wyoming, nos Estados Unidos da
Amrica no final do sculo dezenove.
O gelogo norte americano Knight sugeriu o nome de bentonita para
a argila encontrada. Percebia-se
um alto grau de expanso do argilomineral quando este estava em
contato com a gua ou umidade. Em
meados do sculo dezenove, a bentonita foi estudada na cidade
francesa de Montmorillon, onde foi
observado que seu principal constituinte fazia parte do grupo
das esmectitas, sendo chamado de
montmorilonita. (Gray e Darley, 1988).
As bentonitas podem ser definidas como a gama de argilas
formadas atravs da decomposio de
cinzas vulcnicas, na maioria das vezes constitudas pelo
argilomineral montmorilontico e por pequenas
quantidades de outros minerais, como o quartzo, o feldspato e a
calcita.
Argila bentontica definida por Souza Santos (1976) apud Farias
(2005) como a rocha formada
pela montmorilonita, que a argila proveniente da desvitrificao
seguida da transformao qumica de
um material vtreo de origem gnea, como por exemplo, as cinzas
vulcnicas.
De acordo com o Departamento Nacional de Produo Mineral DNPD
(2010), as argilas
bentonticas so rochas caracterizadas por terem partculas
bastante finas, elevada carga superficial,
grande capacidade de permutao entre ctions, ampla superfcie de
contato e pela expanso do seu
volume na presena de gua.
Alguns autores, como Grim e Nven (1978) apud Melo (2008),
definem a bentonita como qualquer
argila cuja composio formada basicamente pela esmectita, sendo
este o argilomoinral responsvel
pelas propriedades fsicas da bentonita. Para estes autores,
independentemente de sua origem ou
ocorrncia, o porcentual do argilomineral montmorilontico nas
argilas bentonticas est compreendido
entre 55 e 70%, sendo que seu grau de expanso na presena de gua
bastante elevado, correspondendo
-
14
at 20 vezes o seu volume inicial. Outras caractersticas
conferidas ao argilomineral pelos autores so a
capacidade de troca catinica e a elevada rea superficial.
A argila bentontica amplamente utilizada na indstria pelos mais
variados setores, que vo desde
o petrolfero, para perfurao de poos, at os setores agrcola,
alimentcio, farmacutico, mdico e de
cosmtico, dentre outros.
Para a formulao de fluidos de perfurao base de gua, a argila
mais utilizada comercialmente
a bentonita, que adicionada ao fluido a fim de exercer suas
diversas funes durante a perfurao. As
propriedades reolgicas da bentonita permitem que ela seja um
aditivo capaz de realizar diferentes
funes, dentre as quais podem-se destacar o aumento da limpeza do
e da estabilidade do poo, a reduo
das infiltraes nas formaes permeveis, a produo do reboco e o
impedimento da perda de
circulao (Gray e Darley, 1988).
Todas as caractersticas citadas pelos autores proporcionam s
argilas bentonticas as pertinentes
propriedades especficas que tornam a utilizao da bentonita
apropriada como aditivo para a
formulao de fluido de perfurao.
2.3.1 Estrutura das Argilas Bentonticas
O argilomineral montmorilonita, principal constituinte da
bentonita, possui em sua composio,
segundo Amorim (2003), duas folhas tetradricas de silicato e uma
folha octadrica de alumina. tomos
de oxignio ligam as camadas de folhas tetradricas s camadas de
folhas octadricas.
A Figura 6 mostra a esquematizao da folha tetradrica de silicato
presente no argilomineral
montmorilontico, composta por um tomo de silcio fazendo quatro
ligaes com tomos de oxignio.
Figura 6 - Folha Tetradrica de Silicato.
J a outra camada que compe o argilomineral, a folha octadrica de
alumina, pode ser visualizada
por meio da Figura 7. Nesta folha, o tomo de alumnio rodeado por
seis tomos de oxignio.
-
15
Figura 7 - Folha Octadrica de Alumina.
A Figura 8 mostra a estrutura do argilomineral montmorilontico
em maior abundncia na bentonita.
Pode-se observar a camada de folha octadrica de alumina
localizada centralmente s duas folhas
tetradricas de silicato, unidas entre si por molculas de
hidroxila.
Figura 8 - Estrutura da Montmorilonita.
Costa Filho (2005).
2.3.2 Hidratao das Argilas Bentonticas
Na folha tetradrica de silicato, o tomo de silcio pode ser
trocado por ctions trivalentes de
alumnio ou de ferro, ao passo que na folha octadrica de alumina,
o alumnio pode ser substitudo por
ctions divalentes de ferro. Com estas alteraes, produzido um
potencial negativo na superfcie da
bentonita, o qual reparado por meio da adsoro de ctions nos
espaos entre as camadas das folhas.
Os ons responsveis pelo balanceamento das cargas negativas so os
alcalinos terrosos ou os metais
alcalinos, representados pelo clcio ou magnsio e pelo sdio,
respectivamente.
A capacidade de troca de ctions (CTC) definida pela quantia de
ctions que so adsorvidos
argila durante a permutao de ons. Se o ction utilizado para o
balanceamento das cargas for o clcio,
-
16
d-se o nome de argila bentonita clcica. Quando o ction utilizado
para este fim for a sdio, a argila
denominada de bentonita sdica.
Na estrutura na bentonita, camadas consecutivas de
montmorilonita se encontram unidas fracamente
entre si. Quando a estrutura de bentonita hidratada, as molculas
de gua so adsorvidas na superfcie
das camadas tetradricas de slica, separando uma estrutura da
outra. Este o processo de expanso, ou
tambm denominado de inchamento, ocorrido nas bentonitas na
presena de gua, podendo ser
verificado por meio da Figura 9.
Figura 9 - Separao das Estruturas de Montmorilonita quando
Hidratadas.
Sipag Bisalta
(http://www.bentonite.it/bentonite-structure.php/).
A distncia das camadas entre as lamelas (espessura da camada de
gua entre as folhas tetradricas)
est associada com o tipo de ction adsorvido e com o volume de
gua disponvel. A expanso das
argilas montmorilonticas, quando se utiliza o sdio como ction a
ser adsorvido, pode alcanar um valor
de 9,8 para argilas expostas ao ar, e valores at 40 para argilas
em soluo aquosa. Utilizando-se o
clcio como ction, o grau de inchamento da argila a seco de 11,8
, enquanto que na presena de
gua este valor pode chegar a 18 (Amorim, 2003).
Segundo Lumus e Azar (1986), a argila sdica sofre expanses mais
elevadas do que a argila clcica
devido a menor fora atrativa que o ction de sdio oferece s
camadas tetradricas de silcio se
comparada ao ction de clcio. Sendo assim, oferecendo uma fora
atrativa menos intensa, maiores
volumes de gua penetram entre as folhas da argila sdica, o que
provoca uma expanso superior da
argila clcica. A diferena da distncia entre as camadas da argila
sdica e da argila clcica est
apresentada na Figura 10.
-
17
Figura 10 - Ativao do Argilomineral Montmorilontico com Clcio e
Sdio.
Amorim (2007).
Segundo Souza Santos (1976) apud Amorim (2003), foras de Van Der
Walls so responsveis pela
atrao das folhas lamelares de cargas eltricas opostas para
expanso com espessura de at 40 . Se a
expanso ultrapassar o valor de 40 no haver mais fora de atrao
entre as camadas devido ao
movimento browniano das partculas. Desta forma, as camadas se
separam e se dispersam na gua.
2.4 ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA
2.4.1 Importncia da Ativao
O uso tecnolgico da argila bentontica para a aplicao em fluidos
de perfurao propiciado em
funo de sua importante caracterstica de inchamento na presena de
gua. Nas bentonitas sdicas, a
gua continuamente adsorvida pelas folhas de slica, o que resulta
em um elevado grau de expanso
do argilomineral. Em relao s argilas clcicas, a esfoliao das
folhas de slica na presena de gua
no to intensa e, desta forma, o grau de inchamento do
argilomineral clcico bastante inferior ao
grau de inchamento da bentonita sdica.
A expanso das argilas bentonticas possibilita a melhoria das
propriedades reolgicas do fluido de
perfurao, elevando o poder de viscosidade e comportamento de
tixotropia do mesmo. Neste nterim,
observa-se a enorme relevncia do emprego da argila bentontica
sdica ao se formular os fluidos de
perfurao.
-
18
As reservas de bentonitas existentes no Brasil so
fundamentalmente clcicas, o que significa que
elas devem passar por um processo de modificao estrutural a fim
de conferi-las as propriedades
apropriadas para o uso como aditivos em fluidos de perfurao. No
processo de beneficiamento, utiliza-
se carbonato de sdio para a obteno da bentonita sdica a partir
da bentonita clcica. Os ons de clcio
(Ca+2) presentes na bentonita so substitudos por ons de sdio
(Na+) provenientes da soluo de
carbonato de sdio (Na2CO3), provocando a expanso das distncias
entre as lamelas da argila, j que o
sdio possui maior capacidade de hidratao (Souza Santos,
1976).
Este processo de beneficiamento da argila clcica tambm chamado
de ativao. A ativao da
bentonita acarreta o aumento do rendimento dos fluidos de
perfurao.
O processo de ativao da bentonita utilizando-se soluo cida,
segundo Souza Santos (1976) apud
Amorim (2003), ocasiona tanto no aumento da rea especfica quanto
no aumento da porosidade
aparente das argilas.
As modificaes estruturais realizadas na argila bentontica so de
suma importncia para o aumento
de sua eficincia quando usadas para preparao de fluidos de
perfurao. A ativao cida o processo
mais utilizado para a alterao da estrutura do argilominral
montmorilontico.
2.5 NANOPARTCULAS COMO ADITIVOS EM FLUIDOS DE PERFURAO
A nanotecnologia consiste basicamente na criao de materiais em
escala nanomtrica por meio do
controle de suas estruturas e do tamanho das partculas. O
processo que sucede a etapa de criao da
nanopartcula a aplicao desta para o desenvolvimento de pesquisas
e produtos industriais, conferindo
ao produto final maiores qualidade e eficincia (Medeiros,
2007).
As nanopartculas so definidas de acordo com suas dimenses
geomtricas. A estrutura de um
material nanomtrico deve apresentar ao menos uma de suas
dimenses abaixo de 100 nm. No processo
de produo de nanopartculas, tomos e molculas so arranjados de
modo a obter estruturas adequadas
para uma aplicao especfica. O controle da forma e do tamanho dos
materiais nanomtricos cria um
sistema com propriedades fsicas e qumicas modificadas de acordo
com o interesse de sua aplicao.
O estudo de materiais nanomtricos tem gerado uma grande revoluo
em diversas reas da cincia,
sobretudo nos ramos da engenharia, qumica, fsica, biologia e
medicina, dentre outros. De acordo com
Carreo (2002), as nanopartculas, por possurem maior superfcie
especfica quando comparadas s
outras partculas, se apresentam distribudas e dispersas de forma
mais eficaz em suas aplicaes,
otimizando o desempenho do trabalho realizado. Para que esta
otimizao seja alcanada, as
nanopartculas devem ser desenvolvidas com baixo grau de
aglomerao e estreita faixa de distribuio
de tamanho. Os contornos de gros dos materiais nanomtricos so
caracterizados por grande frao
volumtrica. As propriedades fsicas e qumicas das partculas em
escala nanomtrica expressam
-
19
significativas diferenas estruturais se comparadas s
propriedades dos materiais cristalinos
convencionais.
Embora no existam muitas referncias tampouco trabalhos
especficos realizados sobre
nanotecnologia no contexto de fluidos de perfurao, a aplicao de
nanopartculas pode contribuir com
vantagens ao processo de perfurao de poos.
A nanotecnologia apresenta uma oportunidade de elevar o
desempenho dos fluidos de perfurao.
Segundo o National Energy Technology Laboratory (2007), as
propriedades reolgicas, mecnicas,
trmicas e pticas dos fluidos de perfurao podem ser melhoradas
com a aplicao de nanopartculas.
O aumento da estabilidade dos poos uma consequncia direta
conferida s lamas com a aplicao da
nanotecnologia.
Para Barbosa et al. (2012), a utilizao de partculas nanomtricas
como aditivos em fluidos de
perfurao uma alternativa interessante de superar as limitaes das
lamas convencionais, ocasionando
a melhoria de suas propriedades reolgicas. Para tanto, as
nanopartculas necessitam de uma preparao
com rgido controle da composio qumica e estequiomtrica.
2.6 MTODO DE PECHINI
O mtodo de Pechini apresenta enorme relevncia no contexto de
produo de partculas em escala
nanomtrica, j que se trata de uma tcnica que pode ser usada para
a sntese de mltiplos xidos
policatinicos (Medeiros, 2007).
O cientista norte americano Maggio Pechini desenvolveu, em 1967,
xidos de titnio e xidos de
nibio a partir de um material polimrico, utilizando para isso
uma reao de um cido policarboxlico
com um polilcool. Por esta razo, este mtodo tambm chamado de
mtodo dos precursores
polimricos.
O mtodo dos precursores polimricos permite a criao de materiais
nanomtricos com elevado
grau de pureza, controle do tamanho da partcula e homogeneidade
qumica. Como a metodologia para
o preparo das nanopartculas relativamente simples e no requer
instrumentao sofisticada, o custo
para a execuo do mtodo de Pechini baixo, o que torna o processo
de obteno de ps nanomtricos
bastante vivel.
De acordo com Galvo (2010), a produo de materiais nanomtricos
com baixa contaminao e a
temperaturas no muito elevadas e a possibilidade de variaes de
xidos que podem ser produzidos so
as principais vantagens que tornam o mtodo vivel e cada vez mais
difundido em pesquisas. Contudo,
este mtodo produz ps aglomerados, os quais devem ser modos para
continuao do processo.
-
20
2.6.1 Seleo do Mtodo de Pechini para a Realizao do Projeto
O mtodo de Pechini foi selecionado para o desenvolvimento das
nanopartculas utilizadas neste
projeto em funo da enorme viabilidade de se produzir diferentes
xidos em escala manomtrica de
forma a garantir homogeneidade do material e a gerao eficiente
de precursores polimricos. Alm
disso, a praticidade neste mtodo para a produo de materiais
nanomtricos evidente devido no
apenas simplicidade das etapas a serem executadas como tambm ao
uso de aparelhagem no
sofisticada.
2.6.2 xidos Produzidos pelo Mtodo de Pechini
Os materiais nanomtricos produzidos neste projeto pelo mtodo dos
precursores polimricos
constituiro os principais componentes da argila bentontica,
representados pelos xidos de silcio
(SiO2), de alumnio (Al2O3) e de ferro (Fe2O3). Tambm ser
sintetizado xido de sdio (Na2O) para o
processo de expanso do nanoaditivo.
Neste projeto, sero produzidas amostras de nanobentonitas por
duas vias diferentes, sendo que uma
amostra ser gerada pela mistura dos quatro nano xidos, e a outra
amostra ser elaborada pela mistura
dos precursores polimricos. Com a produo das duas amostras do
nanobentonita, verificar-se- quais
destas amostras apresentar melhores resultados como aditivos de
fluidos de perfurao. O esquema de
preparao do nanoaditivo bentontico atravs das duas vias pode ser
visualizado pela Figura 11.
Figura 11 - Esquematizao do Preparo do Nanoaditivo
Bentontico.
-
21
2.7 CARACTERIZAO DOS NANO ADITIVOS
de suma importncia o estudo da estrutura e das fases que compem
um material, pois a anlise
morfolgica permite no s a compreenso mais adequada das
propriedades qumicas e fsicas de uma
amostra como tambm a possibilidade de que se realizem melhorias
no material estudado. Os mtodos
experimentais utilizados neste projeto para a caracterizao dos
nanoaditivos so: anlise de
fluorescncia de raios X (FRX), espectroscopia por disperso em
energia (EDS) e microscopia eletrnica
de varredura (MEV). Os processos de caracterizao realizados
neste projeto tm como objetivo
averiguar se os procedimentos de sntese dos aditivos se
demonstraram apropriados, alm de verificar
se a proporo e a estrutura dos elementos das amostras produzidas
esto de acordo com os produtos
esperados.
2.8 FORMULAO DOS FLUIDOS DE PERFURAO
Os fluidos de perfurao so responsveis pelas mais diversas funes
ao longo da perfurao, e
devem ser preparados de modo a atender as especificaes
necessrias durante o processo de abertura
de um poo de petrleo. Desta forma, os produtos que constituem os
fluidos so selecionados a fim de
que correspondam s especificaes do poo. A preparao das lamas
consiste basicamente na adio
dos aditivos em um fluido base, que pode ser a gua, o leo ou o
gs. Como a proposta deste projeto
o desenvolvimento de fluidos de perfurao base dgua utilizando-se
nanopartculas de argila
bentontica como um dos aditivos, sero elaborados fluidos em base
aquosa para execuo do projeto.
De acordo com Guimares (2012), alguns fatores devem ser
considerados durante a preparao do
fluido, de modo que os seus constituintes respeitem os seguintes
critrios:
Garantir a segurana dos profissionais que trabalham no processo
de perfurao;
No danificar o meio ambiente;
No resultar em mtodos onerosos de perfurao;
No interferir na produtividade da perfurao;
No corroer ou degastar excessivamente os equipamentos de
perfurao.
Com a preocupao cada vez maior por parte das empresas em
desenvolver fluidos que garantam a
eficincia da perfurao, os aditivos passaram a ser estudados mais
profundamente, sendo utilizados
para propiciar o controle adequado das propriedades dos fluidos
de perfurao.
Guimares e Rossi (2008) afirmam que a seleo do fluido de
perfurao adequado tambm est
relacionada a fatores externos, como os descritos a seguir.
Formaes Rochosas Salinas: Os elevados teores salinos das rochas
formadas pela evaporao
da gua do mar podem intervir no processo de perfurao devido ao
gradiente de presso
-
22
osmtica da regio. Gray e Darley (1988) propem como soluo para
perfuraes nestas
condies, que os fluidos de perfurao precisam ser acrescidos de
aditivos como argilas,
redutores de filtrado e materiais celulsicos.
Formaes Argilosas: Tais formaes so capazes de modificar as
propriedades reolgicas das
lamas. Para estes casos, recomenda-se a utilizao de aditivos
conhecidos como inibidores para
impedir a expanso das argilas presentes na formao rochosa.
Zonas de Alta presso e Temperatura: O principal dano causado
pela perfurao em zonas de
alta presso e temperatura a alterao das propriedades
fsico-qumicas dos fluidos de
perfurao, sendo necessria a adio de aditivos argilosos,
surfactantes, dispersantes e
controladores de pH (Gray e Darley, 1988).
Trajetria do Poo: O desempenho das lamas prejudicado em
perfuraes horizontais devido
dificuldade do carreamento dos fragmentos formados durante a
perfurao. Aditivos
lubrificantes devem ser usados para elevar o grau de lubricidade
do fluido.
2.9 REOLOGIA
Segundo Bird (1987) apud Ancey (2005), entende-se como reologia
a anlise do comportamento
mecnico de materiais por meio de tcnicas experimentais. A
reologia relaciona equaes com variveis
e parmetros adequados de forma a representar os estados de
deformao do material. Para Machado
(2002), a reologia a cincia que estuda a deformao e o fluxo da
matria quando submetida aplicao
de uma tenso. Desta forma, verifica-se que a reologia est
associada com a mecnica dos corpos
deformveis. O estudo do comportamento reolgico dos fluidos de
perfurao possui enorme
importncia no processo de perfurao de poos de petrleo, pois
permite o controle da qualidade do
fluido, garantindo a eficincia do mesmo durante a perfurao. Para
Melo (2008), o controle das
propriedades reolgicas do fluido interfere nos processos de
limpeza e eroso do poo, influencia a taxa
de penetrao da broca e a progresso da suspenso e do carreamento
dos detritos formados pela
perfurao.
Para o estudo das propriedades reolgicas dos fluidos de
perfurao, primeiramente faz-se
necessrio realizar a definio de fluidos newtonianos e fluidos no
newtonianos. Segundo Livi (2004),
os fluidos so classificados de acordo com a relao existente
entre a tenso cisalhante aplicada e a taxa
de deformao sofrida por um elemento de fluido. Em um fluido
newtoniano, a tenso cisalhante
proporcional taxa de deformao sofrida por um elemento de fluido
(a viscosidade do fluido
constante a uma dada temperatura), enquanto que em um fluido no
newtoniano no existe a relao de
proporcionalidade entre a tenso cisalhante e a taxa de deformao
(a viscosidade do fluido varia com
a taxa de cisalhamento aplicada).
-
23
2.9.1 Modelo Matemtico para Fluidos de Perfurao
Os modelos matemticos so ferramentas que possibilitam a anlise
do escoamento de fluidos. O
modelo matemtico que descreve o comportamento dos fluidos
newtonianos est representado por meio
da Equao (1).
= (1)
Onde a tenso de cisalhamento (Pa), viscosidade dinmica (Pa.s) e
a taxa de cisalhamento
(s-1).
Amorim (2003) afirma que os fluidos de perfurao base de gua ou
base de leo possuem
comportamento pseudoplstico, sendo que o incremento da taxa de
deformao aplicada faz com que o
valor da viscosidade do fluido diminua. Sendo assim, os fluidos
de perfurao so classificados como
no newtonianos. O fenmeno da pseudoplasticidade pode ser
explicado devido s partculas do
material, quando em repouso, apresentarem-se bem prximas umas
das outras e pelo fato destas estarem
orientadas aleatoriamente. Desta forma, quando tais partculas
sofrem um tenso em uma determinada
direo, elas assumem a orientao na direo do escoamento, fazendo
com que a resistncia das
partculas diminuam ao fluir.
Um dos modelos mais utilizados na anlise reolgica de fluidos de
perfurao, segundo Amorim
(2003), o modelo de Ostwald de Waale, denominado Lei de Potncia,
que descrito pela Equao (2),
atravs da qual pode-se observar que a tenso de cisalhamento e a
taxa de cisalhamento apresentam uma
relao no linear.
= K (2)
Onde a tenso de cisalhamento (Pa), K o ndice de consistncia
(Pa.sn), taxa de cisalhamento
(s-1) e o ndice de comportamento de fluxo (adimensional). A taxa
de cisalhameento pode ser
entendida como o gradiente de velocidade do fluido, o ndice de
consistncia indica o grau de resistncia
do fluido durante o escoamento e o ndice de comportamento de
fluxo inidica a relao de proximidade
do fluido com o modelo newtoniano, ou seja, somente quando este
ndice for igual a uma unidade, o
fluido dito como newtoniano e, em contrapartida, o afastamento
deste parmetro de uma unidade
indica que o fluido no newtoniano. De acordo com Bird (1987),
quando o valor do ndice de
comportamento for menor do que uma unidade ( < 1) o fluido
dito como pseudoplstico. J quando
o ndice de comportamento for maior do que uma unidade ( > 1),
o fluido considerado dilatante. Um
fluido dilatante, ao contrrio dos pseudoplsticos, aquele que
apresenta a elevao da viscosidade com
o aumento da taxa de cisalhamento, pois na condio de deformao
ocorre a aproximao das partculas
do fluido, resultando no incremento da resistncia ao
escoamento.
-
24
As curvas de fluxo para fluidos que obedecem a Lei de Potncia
podem ser visualizadas por meio
da Figura 12.
Figura 12 - Curvas de Fluxo para Fluidos de Potncia.
Outro modelo reolgico utilizado nos estudos de fluidos de
perfurao o de Herschell-Bukley, pois
trata-se de um modelo que representa os principais parmetros
reolgicos necessrios para o estudo das
lamas. De acordo com Machado (2002), o modelo de
Herschell-Bukley o ideal para fluidos que
contenham argilas e polmeros. O modelo de Herschell-Bukley,
tambm conhecido como modelo de
potncia com limite de escoamento ou modelo de potncia
modificado, descrito pela Equao (3).
= K + 0 (3)
Onde a tenso de cisalhamento (Pa), K o ndice de consistncia
(Pa.sn), taxa de cisalhamento
(s-1), o ndice de comportamento de fluxo (adimensional) e 0 o
limite de escoamento (Pa). O limite
de escoamento revela que necessria a aplicao de uma tenso mnima
para que o fluido comece a
escoar. As mesmas condies descritas anteriormente para o ndice
de comportamento de fluxo da Lei
de Potncia so vlidas para o modelo de Herschell-Bukley. Para
fluidos pseudoplsticos, < 1, para
fluidos dilatantes > 1 e, por fim, = 1 para fluido
newtonianos, como apresentado na Figura 13.
Figura 13 - Curvas de Fluxo para o modelo de
Herschell-Bukley.
-
25
2.9.2 Propriedades Reolgicas dos Fluidos de Perfurao
As propriedades reolgicas para fluidos so representadas pela
viscosidade aparente, viscosidade
plstica, limite de escoamento e foras gis. O estudo destas
propriedades permite o controle do
comportamento dos fluidos de perfurao.
2.9.2.1 Viscosidade Aparente
A viscosidade aparente definida por Rao e Rizvi (1986) apud
Pinto (2008) como a viscosidade
dependente da taxa de deformao. Ao contrrio do que acontece nos
fluidos newtonianos, a viscosidade
em fluidos no newtonianos varia com a magnitude da taxa de
cisalhamento. Esta viscosidade chamada
de viscosidade aparente.
2.9.2.2 Viscosidade Plstica
A viscosidade plstica uma propriedade de destaque para anlise do
comportamento de fluidos.
Tal propriedade relacionada com a resistncia que o fluido ao
oferece ao se escoar. Em outras palavras,
a viscosidade representa o atrito interno nos fluidos causado
pelas interaes intermoleculares (Livi,
2004).
De acordo com Amorim (2003), nos fluidos de perfurao aditivados
com bentonitas, as partculas
do argilomineral possuem foras atrativas e repulsivas devido
reao destas partculas com a
quantidade de gua associada s mesmas, gerando um aspecto
estrutural randmico, o que acarreta em
uma resistncia ao escoamento do fluido.
2.9.2.3 Limite de Escoamento
O limite de escoamento, propriedade decorrente das foras
eletrolticas das partculas do fluido,
definido como a mnima tenso de cisalhamento que deve ser
submetida ao fluido para se iniciar o
processo de escoamento. (Amorim, 2003).
2.9.2.4 Fora Gel
A fora gel de um fluido uma propriedade reolgica associada ao
fenmeno conhecido como
tixotropia. Este fenmeno apresenta comportamentos distintos para
o fluido em repouso e em
movimento. Em condies estticas, ocorre a elevao da viscosidade
do fluido. Tal situao
denominada estado gel. Em contrapartida, quando o fluido
submetido a condies de cisalhamento,
verifica-se a recuperao de sua fluidez, etapa chamada de estado
sol.
-
26
Nos fluidos de perfurao, a tixotropia possui a funo de conter a
deposio dos fragmentos
formados durante a perfurao de poos. Durante as paradas de
circulao, o fenmeno de tixotropia
tambm deve manter os slidos gerados suspensos. Porm, o efeito
tixotrpico deve ser controlado para
que no ocorra de forma excessiva, pois nesta situao, o fluido
apresenta alta capacidade de
carreamento de detritos, o que pode causar eroso nas paredes do
poo (Amorim, 2003).
A capacidade do fluido de se apresentar em diferentes estados
(gel e sol) quando em repouso ou em
movimento uma caracterstica chama de fora gel. De acordo com
Machado (2002), existem as foras
gis inicial e final. A fora gel inicial a mnima resistncia
necessria para que o fluido comece a
escoar, ao passo que a fora gel final a resistncia que o fluido
precisa para reiniciar seu escoamento
aps o perodo de repouso. O grau de tixotropia do fluido aferido
pela diferena entre a fora gel final
e a inicial.
2.9.2.5 Volume de Filtrado
Alm das propriedades reolgicas, existe um quesito denominado
volume de filtrado, que possui
grande relevncia para as lamas pois est relacionado com perda de
fluido durante o processo de
perfurao. A determinao do volume de filtrado permite a anlise da
qualidade coloidal da argila no
fluido de perfurao. De acordo com Amorim (2003), a perda de
filtrado em fluidos de perfurao est
relacionada com as partculas coloidais e com a quantidade de gua
no sistema. Maiores propores de
partculas coloidais indicam menores porcentagens de gua e uma
menor perda de filtrado.
2.9.3 Valores das Propriedades Reolgicas
As normas N-2604 e N-2605 da Petrobras (1998) especificam os
valores mnimos e mximos das
propriedades reolgicas e do volume de filtrado dos fluidos de
perfurao base dgua contendo argila
como aditivo. Estes valores esto dispostos na Tabela 2.
Tabela 2 - Requisitos para Fluidos de Perfurao.
Petrobras (1998).
Propriedades Valor Mnimo Valor Mximo
Viscosidade Plstica (cP) 15 -
Viscosidade Aparente (cP) 4 -
Volume de Filtrado (ml) - 18
ndice de Consistncia (Pa.sn) 0,8 -
ndice de Comportamento de Fluxo (mPa) - 0,6
-
27
Com o intuito de verificar o desempenho das lamas produzidas no
projeto com fluidos considerados
como padro na indstria petrolfera, realizar-se- a comparao dos
valores das propriedades reolgicas
dos fluidos formulados com uma faixa de valores estabelecida
para um fluido contendo aditivos
polimricos, de acordo com Farias et al. (2009). A Tabela 3
mostra os valores das propriedades
reolgicas estabelecidos como padro.
Tabela 3 - Requisitos para Fluidos de Perfurao Padro.
Farias (2009).
Propriedades Valor Mnimo Valor Mximo
Viscosidade Plstica (cP) 23,5 35
Viscosidade Aparente (cP) 44,5 60
Limite de Escoamento (N/m) 39 48
Fora Gel (lbf/100ft) 2 3,5
Volume de Filtrado (mL) 6 7,2
-
28
3 METODOLOGIA
3.1 MATERIAIS
Este tpico apresenta os materiais que foram utilizados para a
execuo do projeto. A relao de
materiais inclui os aparelhos, os reagentes e os aditivos
necessrios para a realizao dos processos de
ativao da argila bentontica, sntese dos xidos, caracterizao do
aditivo bentontico, formulao e
ensaio reolgico dos fluidos de perfurao.
3.1.1 Materiais e Reagentes para Ativao da Argila Bentontica
Agitador magntico com aquecimento da marca Fisatom, modelo 752
A.
Carbonato de sdio anidro P.A. [Na2Co3], teor 99,5%, massa molar
105,99 g/mol, da marca
Vetec.
Bentonita cedida pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S.
A., proveniente de Joo
Pessoa-PB.
3.1.2 Materiais e Reagentes para a Sntese do Nano Aditivo
Agitador magntico com aquecimento da marca Fisatom, modelo 752
A.
Forno mufla da marca Marconi, modelo MA 385.
Almofariz e pistilo de 72 mm, da marca Chiarotti.
Peneira de lato 3 x 2, ANBT 170 mesh, da marca Granutest.
Etilenoglicol mono P.A., [C2H6O2], teor 99,5%, massa molar 62,07
g/mol, da marca Vetec.
cido ctrico monohidratado [(C6H8O7)H2O], teor 99,5%, massa molar
210,14 g/mol, da marca
Vetec.
Tetraortosilicato de etila, [Si(OC2H5)4], teor 98%, 208,33
g/mol, da marca Vetec.
Nitrato de alumnio nonohidratado, P.A. ACS, [Al(NO3)39H2O], teor
98%, massa molar 375,13
g/mol, da marca Vetec.
Cloreto de ferro III (ICO) hexahidratado, P.A. ACS,
[(FeCl3)6H2O], teor 97%, massa molar
270,33 g/mol, da marca Vetec.
Carbonato de sdio anidro P.A. [Na2Co3], teor 99,5%, massa molar
105,99 g/mol, da marca
Vetec.
-
29
3.1.3 Materiais para a Caracterizao dos Nano xidos e da
Bentonita
Espectrmetro de fluorescncia de raios x, da marca Shimadzu,
modelo EDX-720.
Microscpio eletrnico de varredura, da marca JEOL, modelo
JSM-700F.
3.1.4 Materiais e Aditivos para a Formulao dos Fluidos de
Perfurao
Misturador mecnico da marca Hamilton Beach, modelo N936.
Bentonita cedida pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S.
A., proveniente de Joo
Pessoa-PB.
Aditivo antiespumante, silicone da marca Nazca;
Aditivo viscosificante, SM 2000, da marca System Mud.
Aditivo redutor de filtrado, Celutrol ADS, da marca System
Mud.
Aditivo controlador de pH, Barrilha Leve, da marca System
Mud.
Aditivo inibidor de argila expansiva, SM HIB, da marca System
Mud.
Aditivo bactericida, SM BAC GREEN, da marca System Mud.
Aditivo lubrificante (glicerina), produzida pela no Laboratrio
de Biodiesel da Universidade de
Braslia, Campus Gama.
Aditivo selante, SM SEAL, da marca System Mud.
3.1.5 Materiais para o Ensaio Reolgico dos Fluidos de
Perfurao
Viscosmetro da marca Fann, modelo 35 A.
Filtro prensa, n 300, a ar comprimido, da marca Fann.
Compressor de ar da marca Motomil, modelo CMI-7,6/24L-2HP
120lbf/pol.
3.2 PROCESSO DE ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA
O processo de modificao estrutural da bentonita executado ao
longo do projeto foi baseado na
metodologia adotada por Neumann et al. (2002), que consiste nas
seguintes etapas:
1. Preparo da soluo saturada de carbonato de sdio;
2. Disperso da bentonita na soluo de carbonato de sdio;
-
30
3. Agitao magntica da soluo formada por 24 horas;
4. Repouso da soluo durante 24 horas;
5. Aspirao dos sobrenadantes;
6. Adio de gua destilada para completar o volume perdido com a
aspirao dos sobrenadantes;
7. Repouso da soluo novamente por 24 horas;
8. Repetio dos procedimentos 5 e 6 at que no haja mais
sobrenadantes;
9. Aspirao do material lquido;
10. Coleta da argila depositada no bquer (bentonita
ativada).
A Figura 14 apresenta o fluxograma da preparao da bentonita
ativada.
Figura 14 - Fluxograma do Processo de Ativao da Argila
Bentontica.
Fonte: Neumann (2002).
A amostra de bentonita utilizada para a execuo do projeto,
mostrada pela Figura 15, foi cedida
pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S. A., localizada
no bairro de Boa Vista na cidade de
Joo Pessoa no Estado da Paraba.
-
31
Figura 15 Amostra de bentonita fornecida pela empresa
Bentonisa.
A ativao da argila bentontica foi efetuada no Laboratrio de
Nanoclulas Solares e Nanosensores
da Universidade de Braslia do campus Gama.
Para a realizao da ativao da bentonita, primeiramente, foi
preparada uma soluo saturada de
carbonato de sdio (Na2CO3). Em um bquer, 150 gramas de carbonato
de sdio foi dispersada em 500
ml de gua destilada, visto que a solubilidade do carbonato de
sdio de 30 gramas por 100 ml de gua.
Em seguida, 10 gramas de bentonita foram dispersas na soluo de
carbonato de sdio, deixando-a sob
agitao magntica durante 24 horas temperatura ambiente.
Decorridas 24 horas de agitao, a soluo foi deixada em repouso
durante 24 horas a temperatura
ambiente. Aps este perodo, pde-se observar a formao de uma fase
precipitada e outra fase de
suspenses na soluo, como pode ser observado na Figura 16.
Figura 16 Sobrenadantes Presentes na Soluo aps Agitao
Magntica.
Os sobrenadantes presentes na soluo foram aspirados por meio de
uma pipeta. O novo volume da
soluo foi verificado. Com adio de gua destilada, completou-se o
volume de gua que fora aspirado.
Por mais uma vez, a soluo foi deixada em repouso por 24 horas.
Este procedimento repetiu-se at o
momento em que no se verificasse mais sobrenadantes na soluo.
Foram necessrias duas aspiraes
de sobrenadantes at se obter uma soluo lmpida, como pode ser
observado na Figura 17.
-
32
Figura 17 Fase Lquida Lmpida.
A soluo lmpida ento aspirada, restando apenas o material
argiloso depositado do fundo do
bquer, como apresentado na Figura 18. Aps estes procedimentos, a
argila bentontica torna-se ativada,
recebendo o nome de bentonita sdica. A argila ativada est pronta
para ser utilizada como aditivo para
a formulao do fluido de perfurao do Tipo C.
Figura 18 Bentonita Ativada.
3.3 COMPOSIO QUMICA DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA
Como o objetivo deste projeto produzir nanoaditivos para fluidos
de perfurao base de argila
bentontica, ser necessrio o desenvolvimento, em escala
nanomtrica, dos principais componentes
existentes na bentonita. A amostra de nanoaditovo produzida
seguir as mesmas propores da bentonita
norte americana de Fort Benton (Estado de Wyoming), a qual
considera referncia devido ao seu maior
poder de expanso na presena de gua em relao s outras bentonitas
conhecidas.
Os constituintes da argila de Wyoming foram obtidos atravs da
caracterizao qumica realizada
por Silva (2012), no laboratrio de Caracterizao Mineral do
Instituto de Geocincias da Universidade
Federal do Par. O resultado da caracterizao da argila norte
americana est representado na Tabela 4.
-
33
Tabela 4 Composio Qumica das Argilas de Fort Benton.
Fonte: Silva (2012).
Constituintes Composio (%)
SiO2 66,77
Al2O3 18,53
Fe2O3 3,89
MgO 2,46
CaO 1,50
K2O 0,48
Na2O 2,66
MnO -
TiO2 0,15
P2O5 < 0,10
Pela anlise dos constituintes das duas amostras de bentonita,
observa-se que ambas so formadas
basicamente por xido de silcio (SiO2), xido de alumnio (Al2O3) e
xido de ferro (Fe2O3). Por esta
razo, os nanoaditivos base de argila bentontica sero produzidos
pela sntese destes trs xidos, alm
do xido de sdio (Na2O), que ter como funo promover maior expanso
na bentonita produzida.
Para a produo do nanoaditivo de argila bentontica,
selecionaram-se as porcentagens dos quatro
principais componentes da argila de Fort Benton, e efetuou-se os
clculos proporcionalmente destes
componentes para a nova argila. A Tabela 5 apresenta a
porcentagem dos xidos utilizados para a sntese
do nanoaditivo.
Tabela 5 - Composio Qumica do Nanoaditivo.
Constituintes Composio (%)
SiO2 72,69
Al2O3 20,17
Fe2O3 4,24
Na2O 2,90
3.4 SNTESE DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA POR MEIO DO
MTODO DE PECHINI
O mtodo dos precursores polimricos consiste basicamente na
formao de nanopartculas a partir
de uma reao de esterificao. Os produtos originados atravs
dest