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Natal – 2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
BRUNO DO NASCIMENTO E SILVA
FORMULAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PASTAS
DE CIMENTO COM ADIÇÃO DE POLIURETANA
PARA A CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO
SUJEITOS À INJEÇÃO DE VAPOR
BRUNO DO NASCIMENTO E SILVA
FORMULAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PASTAS DE CIMENTO COM
ADIÇÃO DE POLIURETANA PARA A CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE
PETRÓLEO SUJEITOS À INJEÇÃO DE VAPOR
Monografia apresentada ao
programa de recursos humanos da ANP
para o setor petróleo e gás – PRH30 da
Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, referente à especialização em
Ciência e Tecnologia de Materiais
Aplicados à Indústria de Petróleo e Gás
Natural. Sob a orientação do Prof. Dr.
Antonio Eduardo Martinelli e co-
orientação da Prof.ª Dr.ª Dulce Maria de
Araújo Melo.
Natal – 2009
A minha irmã, Viviane,
pelo apoio e confiança em mim
depositada. E a Sabrina que
durante esses meses vem me
apoiando e participando da
minha vida, compartilhando
alegria, amor e companheirismo.
Aos meus pais, Edvaldo
e Aldeci, que lutaram contra
tantas dificuldades para deixar
aos seus dois filhos uma das
maiores heranças que estes
podem receber: educação.
"Não fomos todos criados para
sermos perfeitos, alunos nota dez,
celebridades, atletas mundiais ou
administradores de uma importante
corporação. Porém, fomos criados para
fazermos o máximo das qualificações e
habilidades que possuímos. Talvez a
realização mais esplêndida de todas seja a
luta contínua para superarmos a nós
mesmos"
DENIS WAITLEY
Agradecimentos
Agradeço à minha família que esteve sempre presente comigo
dando todo o apoio necessário para a conclusão deste trabalho. E me sinto
extremamente feliz em poder propiciar aos meus pais a felicidade de poder ver
seus dois filhos concluírem um curso superior, depois de tantos desafios
superados.
A Sabrina, o meu imenso agradecimento pelo apoio incondicional,
incentivo constante, e sobretudo, por muita compreensão e carinho.
Ao meu orientador e professor Antonio Eduardo Martinelli, pelo
apoio, pelos incentivos, pelos “puxões de orelha” e por ter acreditado em mim.
Uma pessoa pelo qual tenho grande respeito e consideração.
Aos professores Marcus Melo e Dulce Melo, pela confiança depositada
em mim e por oferecer sua orientação sempre que precisei.
As meninas: Rose, Petrúcia e Danielle, por desenvolverem grande parte
deste trabalho comigo, agradeço por sua ajuda e amizade.
As amizades que fiz durante o período de realização do trabalho e se
estendem até hoje: Diego, Danilo, Júlio, Daniel, Erica, Rodrigo, Alexandre,
Renata, Andreza, Kelly, Iran, Ana Cecília. Em especial à Priscila e Sibelle pela
convivência, ajuda e atenção.
Aos amigos que cultivei durante meu período de graduação: Tiago
(Raru), Dyego (Emo), Thiago (Cabeça), Fernando, Hirlan, Kim, Arthur, Rafael
(Maguila), Thales, Erik (Sansão), Erik (Zacarias) e aos demais.
A Laís, uma verdadeira irmã que encontrei nesse mundo, alguém
conquistou todo meu respeito e amizade.
Aos grandes irmãos que fiz durante meu período na equipe Car-Kará de
AeroDesign: Ramsés, Antonio, Calmon, Pepeu, Gabriela, Ranier, Raphael,
Josiane e o Prof. Cleiton Rubens. Fico feliz pelos desafios que vencemos, tanto
na conquista do título brasileiro quanto do título mundial.
As minha amigas de enfermagem, pela amizade e por estarem presente
nos momentos de descontração: Bia Medeiros, Bia Gondim, Gisele, Marilia,
Babi e Priscila.
E por fim, ao Laboratório de Cimentos (LABCIM/UFRN) pela
infraestrutura. À PETROBRAS pela colaboração e a Agência Nacional do
Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), por meio do PRH30, pelo
apoio financeiro.
Sumário
Lista de Figuras ........................................................................................ i
Lista de Tabelas ...................................................................................... iii
Resumo ................................................................................................... iv
Abstract .................................................................................................... v
1. Introdução ..................................................................................... 16
2. Aspectos Teóricos ........................................................................ 22
2.1 Petróleo ..................................................................................... 22
2.1.1 Óleos Pesados .................................................................... 23
2.1.2 Refino .................................................................................. 25
2.2 Recuperação do Petróleo .......................................................... 25
2.3 Cimento Portland ....................................................................... 26
2.3.1 Origem e Características ..................................................... 26
2.3.2 Composição Química .......................................................... 27
2.3.3 Hidratação do Cimento Portland ......................................... 30
2.3.4 Classificação ....................................................................... 35
2.4 Cimentação de Poços Petrolíferos ............................................ 36
2.4.1 Cimento Para Poços Petrolíferos ........................................ 36
2.4.2 Aditivos Utilizados em Pastas de Cimento .......................... 37
2.5 Sistema Cimento/Polímero ........................................................ 38
3. Estado da Arte .............................................................................. 43
4. Materiais e Métodos Experimentais .............................................. 46
4.1 Materiais de Partida................................................................... 46
4.2 Cálculos e Formulações das Pastas Cimentantes .................... 46
4.3 Preparação e Homogeneização das Pastas Cimentantes ........ 47
4.4 Caracterização das Pastas Cimentantes................................... 48
4.4.1 Ensaios Reológicos ............................................................. 48
4.4.2 Ensaio de Determinação do Tempo de Espessamento
(Tempo de Pega) ...................................................................................... 50
4.4.3 Ensaio de Resistência à Compressão ................................. 51
4.4.4 Ensaio de Avaliação de Estabilidade .................................. 52
4.4.5 Ensaio de Controle de Filtrado ............................................ 54
5. Resultados e Discussão ............................................................... 56
5.1 Reologia .................................................................................... 56
5.2 Tempo de Espessamento .......................................................... 59
5.3 Resistência à Compressão ........................................................ 61
5.4 Estabilidade ............................................................................... 64
5.5 Controle de Filtrado ................................................................... 65
6. Conclusões ................................................................................... 68
7. Sugestões para trabalhos futuros ................................................. 70
Referências ............................................................................................ 72
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Esquema de injeção de vapor contínua (ELECTRIC POWER
RESEARCH INSTITUTE, 1999). ...................................................................... 17
Figura 1.2 - Esquema de injeção de vapor por ciclagem térmica
(ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, 1999). ................................... 17
Figura 1.3 - Esquema de poço com falha na cimentação (NELSON,
1990). ............................................................................................................... 18
Figura 1.4 - Formação do reboco em função da perda de filtrado
(NELSON, 1990). ............................................................................................. 20
Figura 2.1 - Óleo pesado fluindo lentamente em um becker (CURTIS, et
al., 2002) .......................................................................................................... 24
Figura 2.2 - Micrografia de uma lâmina de clínquer com um aumento de
150x (PETRUCCI, 1978). ................................................................................. 30
Figura 2.3 - Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais
típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita, formados
pela mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio (METHA,
et al., 1994). ..................................................................................................... 31
Figura 2.4 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento
Portland com 3 dias de idade, mostrando os cristais de C-S-H (METHA, et al.,
1994). ............................................................................................................... 33
Figura 2.5 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento
Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)2 (1), a estrutura fibrosa
formada pelo C-S-H (2) e um vazio capilar (3) (MORANVILLE-REGOURD,
1992). ............................................................................................................... 34
Figura 2.6 - Modelo simplificado da formação da co-matriz
cimento/polímero (OHAMA, 1998). .................................................................. 40
Figura 2.7 - Modelo do mecanismo de modificação em sistemas
cimento/polímero (SAKAI, 1995). ..................................................................... 40
Figura 4.1 - Programa de teste do viscosímetro (LIMA, 2006). ............. 49
Figura 4.2 – Esquema do consistômetro pressurizado Chandler modelo
7716 (ABNT / NBR9831, 2006). ....................................................................... 51
Figura 4.3 – Ilustração do seccionamento da amostra de cimento curada:
Topo (I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV). .................................................. 53
Figura 5.1 – Tensão de cisalhamento em função da taxa de
cisalhamento para as pastas de 500 m. ........................................................... 57
Figura 5.2 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento
para as pastas de 800 m. ................................................................................. 57
Figura 5.3 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento
para as pastas de 1000 m. ............................................................................... 58
Figura 5.4 - Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas
concentrações (FREITAS, 2008). ..................................................................... 59
Figura 5.5 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas
formuladas para 500 m. ................................................................................... 60
Figura 5.6 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas
formuladas para 800 m. ................................................................................... 60
Figura 5.7 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas
formuladas para 1000 m. ................................................................................. 61
Figura 5.8 - Resistência compressiva das pastas de 500 m .................. 62
Figura 5.9 - Resistência compressiva das pastas de 800 m .................. 62
Figura 5.10 - Resistência compressiva das pastas de 1000 m .............. 63
Figura 5.11 - Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com 25%
de PUW320 (aumento de 6000x) (NASCIMENTO, 2006). ............................... 64
Figura 5.12 – Estabilidade das pastas formuladas ................................ 65
Figura 5.13 – Gráfico do volume de filtrado das pastas ensaiadas. ...... 65
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - ºAPI sugerido por alguns instituições/setores da indústria
petrolífera (MOTHÉ, et al., 2007). .................................................................... 23
Tabela 2.2 - Principais Constituintes do Cimento Portland Comum
(MINDESS, et al., 1981). .................................................................................. 28
Tabela 2.3 - Classes do cimento Portland (CAMPOS, et al., 2002). ...... 35
Tabela 2.4 - Comparação dos cimentos G e H com outros cimentos
comerciais (TAVARES, et al., 2008). ............................................................... 37
Tabela 4.1 - Composições das pastas formuladas variando a
profundidade. ................................................................................................... 47
Tabela 5.1 - Resultados de viscosidade plástica e limite de escoamento
em cada pasta formulada. ................................................................................ 56
Resumo
Levando-se em consideração que cerca de 70% das reservas mundiais
de óleo são compostas por óleos pesados (ºAPI < 20), existe grande interesse
da indústria neste tipo de óleo. Um dos problemas encontrados para sua
produção é a elevada viscosidade, o que dificulta seu escoamento até a
superfície, sendo necessária a utilização de métodos avançados de
recuperação, tais como a injeção de vapor. Os cimentos usados para tais
poços devem resistir às ciclagens térmicas promovidas pela técnica da injeção
de vapor. Desta forma, adiciona-se polímero nas pastas cimentantes para
aumentar a resistência à propagação de trincas na bainha cimentante. Este
trabalho teve como objetivo principal a formulação e a caracterização de pastas
de cimento Portland Especial contendo látex de poliuretana, adequadas à
cimentação de poços de petróleo sujeitos à injeção de vapor. Foram realizados
ensaios reológicos, ensaios de determinação do tempo de espessamento,
ensaios de resistência à compressão, ensaios de estabilidade e ensaios para
determinação da perda por filtrado. Foi verificado que a adição do látex
aumenta a absorção de energia das pastas, aumentando a resistência às
solicitações sofridas durante a ciclagem térmica além de diminuir o volume de
filtrado, reduzindo a quantidade de aditivo para essa função.
Palavras chave: injeção de vapor; poliuretana; cimento Portland
Abstract
Taking into account that about 70% of the world oil reserves consist of
heavy oil (ºAPI <20), there is great industrial interest for this type of oil. One of
the problems encountered in its production is the high viscosity, which hinders
the flow to the surface, requiring the use of enhanced methods of recovery such
as steam injection. The cement used for such wells must withstand thermal
cycling promoted by steam injection. Polymeric admixtures can be added to
cement slurries to increase their resistance to crack propagation in the cement
casing. This work aimed at formulating and characterizing special Portland
cement slurries containing polyurethane latex, suitable for cementing oil wells
subjected to steam injection. In addition to mechanical characterization,
rheological, thickening, compressive strength, stability and filter loss tests were
also carried out. The addition of polyurethane improved the energy absorption
of the slurries increasing its resistance to thermal cycling. In addition, the
presence of polyurethane also improved the filter loss, reducing the
concentration of admixture to that end.
Keywords: steam injection, polyurethane, Portland cement
CAPÍTULO I:
Introdução
Capítulo I: Introdução
16
1. Introdução
A indústria de petróleo tem voltado bastante atenção aos óleos pesados
e extrapesados. Cerca de 70% das reservas mundiais são compostas por óleo
pesado, óleo extrapesado e betume (ALBOUDWAREJ, et al., 2006). Tendo em
vista que à medida que as reservas de óleo convencional vão se exaurindo,
torna-se viável o investimento para a recuperação dos óleos pesados.
A maior dificuldade na recuperação de óleos pesados é sua alta
viscosidade, bem como a questão da molhabilidade da rocha pelo óleo. Sendo
assim, é necessário utilizar métodos especiais de recuperação, tais como
injeção de vapor, água ou CO2 (GALVÃO, 2008).
No nordeste brasileiro, o método mais utilizado é a recuperação por
injeção de vapor, por apresentar tecnologia amplamente dominada e obter
bons resultados no volume de óleo recuperado. Ao ser aquecido, o óleo tem
sua viscosidade substancialmente reduzida (THOMAS, 2001). Baseado nessa
constatação, os métodos de recuperação térmicos visam facilitar a migração do
óleo até a superfície, entre outras formas, injetando vapor a altas temperaturas
no reservatório de forma cíclica ou contínua.
Na injeção contínua de vapor são utilizados um ou mais poços injetores
próximos ao poço produtor, com o objetivo de criar uma zona de calor que se
expande deslocando o óleo pesado em direção ao poço produtor, como pode
ser observado na Figura 1.1. Na ciclagem térmica somente um poço é utilizado.
A produção no poço produtor é paralisada para se efetuar a injeção de vapor e
em seguida retomada, com a recuperação do óleo já aquecido, como pode ser
visto na Figura 1.2.
Figura 1.1 - Esquema de injeção de vRESEARCH INSTITUTE, 1999)
Figura 1.2 - Esquema de injeção de vapor por ciclagem tPOWER RESEARCH INSTITUTE, 1999)
A injeção de vapor
problemas à estrutura do poço.
revestimento presente no interior do poço dilata, gerando
Capítulo I: Introdução
17
Esquema de injeção de vapor contínua (ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, 1999).
Esquema de injeção de vapor por ciclagem térmicaPOWER RESEARCH INSTITUTE, 1999).
A injeção de vapor, apesar de ser amplamente utilizada
problemas à estrutura do poço. Com o aumento de temperatura
presente no interior do poço dilata, gerando falhas na cimentação
(ELECTRIC POWER
érmica (ELECTRIC
apesar de ser amplamente utilizada, acarreta
temperatura, a coluna de
falhas na cimentação
devido a sua natureza
formação, na presença de
interface coluna/cimento
a comunicação indesejável entre diferentes zonas pro
entre zonas produtoras de
relacionadas com a contaminação
de gás pelo anular (MARINHO, 2004)
Figura 1.3 - Esquema de poço com f
Uma das formas de se minimizar o problema gerado pela dilatação
térmica da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do
cimento, especialmente sua tenacidade ou energia de fratura
na capacidade do cimento absorver energia
na quantidade de falhas provocadas
Um método bastante estudado para se
cimento e, assim, sua resistência à fratura após ciclagens térmicas, é a adição
de polímeros ao cimento Portland
Capítulo I: Introdução
18
devido a sua natureza frágil, deixando a coluna de revestimento expost
presença de zonas de gás ou sulfatos, além de danificar a
interface coluna/cimento (Figura 1.3). Esse descolamento da interface permite
a comunicação indesejável entre diferentes zonas produtoras. A comunicação
entre zonas produtoras de óleo, e gás e aquíferos é indesejável, por estarem
relacionadas com a contaminação da água ou com a produção descontrolada
(MARINHO, 2004).
Esquema de poço com falha na cimentação (NELSON, 1990)
Uma das formas de se minimizar o problema gerado pela dilatação
da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do
especialmente sua tenacidade ou energia de fratura. Com
na capacidade do cimento absorver energia, espera-se observar uma redução
falhas provocadas pela dilatação da coluna de revestimento.
Um método bastante estudado para se aumentar a plasticidade do
cimento e, assim, sua resistência à fratura após ciclagens térmicas, é a adição
ao cimento Portland (NELSON, 1990). As mudanças nas
de revestimento exposta à
além de danificar a
Esse descolamento da interface permite
dutoras. A comunicação
é indesejável, por estarem
ou com a produção descontrolada
(NELSON, 1990).
Uma das formas de se minimizar o problema gerado pela dilatação
da coluna de revestimento é melhorar as propriedades mecânicas do
Com o aumento
se observar uma redução
pela dilatação da coluna de revestimento.
aumentar a plasticidade do
cimento e, assim, sua resistência à fratura após ciclagens térmicas, é a adição
As mudanças nas
Bainha
Cimentante
Coluna de
Revestimento
Exposta à
Formação com
Zonas de Gás
ou Sulfatos
Falhas na
Cimentação
Capítulo I: Introdução
19
propriedades do cimento Portland dependem significativamente da natureza e
concentração de polímero presente no sistema (OHAMA, 1998).
A poliuretana vem sendo estudada devido a sua resistência a altas
temperaturas e boas propriedades mecânicas. Porém, a adição de poliuretana
ao cimento Portland especial altera as propriedades globais da pasta, tais
como reologia, controle de filtrado, água livre, espessamento, entre outras,
sendo necessário o uso de aditivos, a fim de manter estas propriedades dentro
das normas especificadas.
O controle de filtrado é uma propriedade importante da pasta de
cimento. Um dos problemas enfrentados durante a cimentação de um poço é a
perda de água da pasta de cimento para a formação geológica pela filtração
em zonas permeáveis de maneira estática ou dinâmica. Essa quantidade de
água perdida pode originar invasões na formação produtora de óleo e
consequentes danos à mesma, além de causar endurecimento prematuro do
reboco de cimento que é formado após a desidratação (Figura 1.4) (BENSTED,
1993). Geralmente são utilizados aditivos poliméricos para controle de filtrado
nas pastas de cimento. Acredita-se que os sistemas de pastas de cimentos
contendo látex de poliuretana, além de atuarem como controlador de filtrado,
podem também impedir a migração de gás pelo bloqueio da matriz da pasta de
cimento quando da transição de liquido para sólido (NELSON, 1990).
Figura 1.4 - Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON,
Este trabalho tem
pastas de cimento Portland E
cimentação de poços de petróleo
comparação com resultados de pastas atualmente utilizadas
de verificar possíveis alterações
poliuretana. As pastas formuladas
reologia, determinação de
de espessamento e resistência mecânica.
Capítulo I: Introdução
20
Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON, 1990).
e trabalho tem como objetivo a formulação e a caracterização
pastas de cimento Portland Especial contendo poliuretana,
de petróleo sujeitos a injeção de vapor. Foi realizada
comparação com resultados de pastas atualmente utilizadas em poços
de verificar possíveis alterações em suas propriedades com o uso da
As pastas formuladas foram caracterizadas por meio de ensaios de
de volumes de filtrado, avaliação de estabilidade, tempo
espessamento e resistência mecânica.
Formação do reboco em função da perda de filtrado (NELSON,
caracterização de
adequadas à
Foi realizada uma
em poços, a fim
propriedades com o uso da
caracterizadas por meio de ensaios de
estabilidade, tempo
CAPÍTULO II:
Aspectos Teóricos
Capítulo II: Aspectos Teóricos
22
2. Aspectos Teóricos
Neste capítulo, são apresentados os principais aspectos teóricos que
fundamentam a compreensão do método proposto.
2.1 Petróleo
O petróleo (do latim petra (pedra) e oleum (óleo)) é o nome dado as
misturas naturais de hidrocarbonetos, que podem ser encontradas no estado
sólido, líquido ou gasoso, a depender das condições de pressão e temperatura
a que estão submetidos (ROSA, et al., 2006).
O petróleo pode se apresentar em uma ou mais fases. É uma mistura de
compostos químicos, principalmente hidrocarbonetos. Cuja estrutura química
contém elementos como nitrogênio, enxofre, oxigênio, níquel, vanádio, entre
outros.
Os diversos tipos de óleos existentes na natureza apresentam uma
diversidade de valores de densidade e viscosidade. A densidade é uma das
características mais importantes para se determinar como o fluido vai se
comportar no processo de produção, ou seja, durante o escoamento dentro do
reservatório e em tubulações. Enquanto a viscosidade é um dado de grande
importância para o refino. Entretanto a classificação do óleo é feita a partir de
sua densidade, já que a viscosidade é altamente influenciada pela temperatura.
De acordo com essas propriedades, os petróleos crus podem ser classificados
como: leves, médios, pesados ou ultrapesados.
O petróleo é classificado de acordo com o ºAPI (grau API), do American
Petroleum Institute, determinado utilizando a correlação abaixo:
º��� = ���,�
− 131,5 (2.1)
Onde:
� é a densidade específica do óleo.
Capítulo II: Aspectos Teóricos
23
De acordo com diversas instituições ligadas à indústria de petróleo,
listadas na Tabela 2.1, existem diferentes classificações de petróleos crus em
relação ao ºAPI.
Tabela 2.1 - ºAPI sugerido por alguns instituições/setores da indústria petrolífera (MOTHÉ, et al., 2007).
Órgão ºAPI (Grau API)
óleo leve óleo médio óleo pesado óleo ultrapesado
Alberta Government/Canadá ≥34 25 - 34 10 - 25 ≤10
U.S. Department of Energy ≥35,1 25 - 35,1 10 - 25 ≤10
OPEP ≥32 26 - 32 10,5 - 26 ≤10,5
Petrobras offshore ≥32 19 - 32 14 - 19 ≤14
Petrobras onshore ≥32 18 - 32 13 - 18 ≤14
ANP/Brasil ≥31,1 22,3 - 31,1 12 - 22,3 ≤12
Quanto maior o ºAPI do petróleo, menor é a sua densidade relativa, o
que equivale a dizer que o petróleo é mais leve, portanto mais rico em voláteis
(partes leves), o que lhe garante maior valor comercial (GALVÃO, 2008).
2.1.1 Óleos Pesados
Óleos pesados são caracterizados por altas viscosidades e altas
densidades quando comparados aos óleos convencionais. A viscosidade do
óleo pesado (Figura 2.1) e ultrapesado pode variar entre 20 cp e 1,000,000 cp
(ALBOUDWAREJ, et al., 2006). O óleo pesado é ligeiramente menos denso
que a água, com o ºAPI variando entre 10 e 25, dependendo da classificação
adotada.
Figura 2.1 - Óleo pesado
A produção de óleo pesado representa uma série de desafios
tecnológicos, desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo
pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas
isso apresenta densida
complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro
que exige unidades de refino específicas
óleo pesado geralmente é mais elevado do que as unidades de
leves. Também são encontradas dificuldades no transporte d
dutos, devido a sua alta viscosidade e
encontrado neste tipo de óleo
Apesar de possuir menor valor comercial
de produção que os óleos leves e médios, existem previsões econ
que até 2025 o óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo
(MOTHÉ, et al., 2007), devido
Somente nas Américas do Sul e Central
reservas seja de óleo pesado
No Brasil, o local com maior incidência de óleos pesados está em águas
profundas da Bacia de Campos,
produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região
Capítulo II: Aspectos Teóricos
24
esado fluindo lentamente em um becker (CURTIS, et al., 2002)
A produção de óleo pesado representa uma série de desafios
desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo
pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas
isso apresenta densidades e viscosidades elevadas. A quebra destas
complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro
que exige unidades de refino específicas. O custo de uma unidade de refino de
óleo pesado geralmente é mais elevado do que as unidades de
Também são encontradas dificuldades no transporte do óleo pesado em
devido a sua alta viscosidade e alto teor de parafina geralmente
encontrado neste tipo de óleo (LANE, 2004).
Apesar de possuir menor valor comercial, aliado a uma maior dificuldade
que os óleos leves e médios, existem previsões econ
óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo
devido a enorme quantidade presente nos reservatórios.
Somente nas Américas do Sul e Central é estimado que cerca de 60% d
reservas seja de óleo pesado (ALBOUDWAREJ, et al., 2006).
No Brasil, o local com maior incidência de óleos pesados está em águas
da Bacia de Campos, offshore, no estado do Rio de Janeiro, que
produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região
(CURTIS, et al.,
A produção de óleo pesado representa uma série de desafios
desde o escoamento no reservatório até o seu refino. O óleo
pesado geralmente é composto por cadeias de carbono muito longas, e por
A quebra destas
complexas moléculas de carbono em produtos comerciais é um processo caro,
O custo de uma unidade de refino de
refino de óleos
óleo pesado em
alto teor de parafina geralmente
aliado a uma maior dificuldade
que os óleos leves e médios, existem previsões econômicas para
óleo pesado seja a maior fonte de energia fóssil no mundo
enorme quantidade presente nos reservatórios.
é estimado que cerca de 60% das
No Brasil, o local com maior incidência de óleos pesados está em águas
estado do Rio de Janeiro, que
produz cerca de 90% de todo o petróleo nacional. Na região Nordeste, há
Capítulo II: Aspectos Teóricos
25
poços onshore de óleo pesado localizados no estado do Rio Grande do Norte
(MOTHÉ, et al., 2007).
2.1.2 Refino
Devido às suas características, o óleo pesado não pode ser processado
da mesma maneira que o óleo leve, por possuir elevado teor de ácidos
naftênicos, os quais se não forem eliminados, podem causar graves problemas
de corrosão nas refinarias (LANE, 2004). Outro problema observado está
relacionado ao baixo rendimento de produtos leves, que são de alto valor
comercial (como a gasolina) (OLSEN, et al., 1992).
2.2 Recuperação do Petróleo
Esta atividade visa remover o maior volume de óleo possível da rocha
reservatório, deslocando-o através do meio poroso até os poços produtores.
Comumente divido em três processos, a recuperação do óleo pode ser
classificada em recuperação primaria, secundária e ternária.
A recuperação primaria, utiliza a diferença de pressão entre o
reservatório e a superfície pra realizar o deslocamento do óleo, na maioria dos
casos é utilizada uma bomba de superfície (cavalo mecânico) para auxiliar
neste deslocamento. Porém quando essa pressão diminui, ocorre uma redução
na produção do óleo, sendo necessária uma recuperação secundária
(DONALDSON, et al., 1985).
Esta segunda fase da recuperação é realizada injetando-se água ou gás
no interior do reservatório, a fim de repor sua pressão. A adição de água no
interior do reservatório aumentará a quantidade de água produzida. Tal
recuperação é mantida enquanto for economicamente viável o tratamento para
a remoção de água do óleo produzido (DONALDSON, et al., 1985). A
recuperação secundária pode ser implementada diretamente em um
reservatório sem que tenha sido utilizado o sistema de recuperação primária
(PETROBRAS, 2003).
Capítulo II: Aspectos Teóricos
26
A produção combinada dos métodos de recuperação primária e
secundária geralmente é menor que 40% da quantidade de óleo original do
reservatório (DONALDSON, et al., 1985).
Devido as características do óleo pesado, como alta viscosidade e baixa
solubilidade de gás, métodos convencionais de recuperação são raramente
aplicados.
A recuperação avançada ou EOR (Enhanced Oil Recovery) é
considerada como a terceira ou ultima fase da produção do petróleo, algumas
vezes é chamada de recuperação ternária. Ela é caracterizada pela injeção de
materiais normalmente estranhos aos presentes no reservatório. Com
pequenas exceções, os métodos de recuperação avançada do petróleo podem
ser classificados em três categorias: químicos, solventes ou térmicos. Entre os
químicos, podemos citar a injeção de polímeros, surfactantes e de produtos
alcalinos. A injeção de solventes engloba os casos de hidrocarboneto miscível,
CO2 ou imiscível, N2 e gás combustível. E os métodos térmicos incluem a
injeção de vapor, água quente e combustão in situ.
A recuperação avançada do petróleo, também pode ser considerada
como uma técnica que modifica características do meio, alterando as
permeabilidades relativas ou viscosidades das fases, aumentando assim a
produção do petróleo (PIRES, 2003). Este método pode ser implementado
diretamente em um reservatório sem que tenham sido utilizados os sistemas de
recuperação primária ou secundária (PETROBRAS, 2003).
2.3 Cimento Portland
2.3.1 Origem e Características
O termo cimento originou-se de “caementum”, nome dado a uma pedra
natural de um rochedo na Roma antiga. Já era utilizado pelos egípcios há
alguns milhares de anos antes de Cristo, composto de gesso e calcário
calcinado para unir as pedras de seus monumentos. Em 1764 o inglês Joseph
Aspdin patenteia o "Cimento Portland", que recebe este nome por apresentar
cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às das rochas da ilha
Capítulo II: Aspectos Teóricos
27
britânica de Portland. Seu primeiro uso propriamente em poço de petróleo
ocorreu na Califórnia em 1883, mas só em 1902 passou-se ao uso do cimento
Portland em processo manual de mistura com água, para obtenção da “pasta”
de cimento, e em 1910 foi patenteado o método de bombear a pasta para o
poço, por Perkins (CAMPOS, et al., 2002).
O cimento Portland é composto de clínquer e de adições. O clínquer é o
principal componente e está presente em todos os tipos de cimento Portland.
As adições podem variar de um tipo de cimento para outro e são
principalmente elas que definem os diferentes tipos de cimento. O clínquer tem
como matérias-primas o calcário e a argila, ambos obtidos de jazidas, em geral
situadas nas proximidades das fábricas de cimento. A rocha calcária é
primeiramente britada, depois moída e em seguida misturada em proporções
adequadas com argila moída. A mistura formada atravessa então um forno
giratório de grande diâmetro e comprimento, cuja temperatura interna chega a
alcançar 1450º C. O intenso calor transforma a mistura em um novo material,
denominado clínquer, que se apresenta sob a forma de pelotas. Na saída do
forno o clínquer, ainda incandescente, é bruscamente resfriado para
posteriormente ser finamente moído, transformando-se em pó (ABCP, 2002).
Este tipo de cimento pertence à classe de materiais denominados
aglomerantes hidráulicos. Esta denominação compreende aquelas substâncias
que endurecem uma vez misturadas a água e resistem a esta com o passar do
tempo (KIAHARA, 1983). O endurecimento ocorre não apenas se a mistura
cimento/água é posto ao ar, mas também se colocado em água. O
desenvolvimento de resistência é uniforme e relativamente rápido. O cimento
também dispõe de baixa permeabilidade e é quase insolúvel em água. Tais
atribuições são essenciais para um cimento manter a zona de isolação
(NELSON, 1990).
2.3.2 Composição Química
O cimento Portland é um material em forma de pó, constituído de
silicatos e aluminosilicatos de cálcio, praticamente sem cal livre. Esses silicatos
e aluminosilicatos complexos, ao serem misturados com água, hidratam-se e
Capítulo II: Aspectos Teóricos
28
produzem o endurecimento da massa, que pode então oferecer elevada
resistência mecânica (PETRUCCI, 1978).
Os principais óxidos formadores do clínquer são o silicato tricálcico
(C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminato tricálcico (C3A) e ferroaluminato
tetracálcico (C4AF), são designados na química do cimento respectivamente
como C, S, A e F (ver Tabela 2.2). Também é adicionada a gipsita (CaSO4 .
2H2O) ou gesso de paris (CaSO4 . ½H2O) para inibir a tendência de pega
instantânea do clínquer devido a grande reatividade do C3A (KAEFER, 2002).
Tabela 2.2 - Principais Constituintes do Cimento Portland Comum (MINDESS, et al., 1981).
Nomenclatura Química Fórmula Química Abreviatura Notação
Simplificada
Silicato Tricálcico 3CaO . SiO2 C3S C
Silicato Dicálcico 2CaO . SiO2 C2S S
Aluminato Tricálcico 3CaO . Al2O3 C3A A
Ferroaluminato Tetracálcico 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 C4AF F
O silicato tricálcico (alita) (Figura 2.2 - A) é o mais importante constituinte
do clínquer, o qual se apresenta na faixa de 50–70%. Reage rapidamente com
água e desenvolve resistência em curas superiores a 28 dias (TAYLOR, 1990).
É o composto de maior concentração no cimento classe G, depois do aluminato
tricálcico é o que apresenta maior velocidade de hidratação. A sua
concentração é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à
água livre, e diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento
aos géis e à resistência à compressão (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).
O silicato dicálcico (belita) (Figura 2.2 - B) constitui 15–30%. Reage
lentamente com água, assim contribui pouco para a resistência durante os
Capítulo II: Aspectos Teóricos
29
primeiros 28 dias, mas substancialmente para o aumento de resistência em
idades superiores (TAYLOR, 1990). É o composto do cimento que apresenta
menor velocidade de hidratação, exerce pouca influência sobre as
propriedades físicas iniciais das pastas de cimento, preparadas com o cimento
classe G, no entanto tem grande contribuição na resistência final do cimento
(BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).
O ferroaluminato tetracálcico (Figura 2.2 - C) se apresenta 5–15%. A
taxa em que reage com água geralmente é alta inicialmente e intermediária
entre aquelas da alita e belita em idades superiores (TAYLOR, 1990). É um
composto de baixa concentração, próxima a do aluminato tricálcico, entretanto
apresenta menor velocidade de hidratação que este composto. Tem pequena
contribuição na resistência do cimento (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).
O aluminato tricálcico (Figura 2.2 - D) constitui 5–10% do clínquer.
Reage rapidamente com água e pode causar indesejável e rápido
endurecimento (TAYLOR, 1990). É o composto do cimento que apresenta
maior velocidade de hidratação, embora seja o composto de menor
concentração no cimento classe G. Sua função é de grande importância, já que
juntamente com o gesso é um dos principais responsáveis pelo controle do
tempo de pega e pela suscetibilidade ao ataque de águas sulfatadas. O seu
teor é inversamente proporcional ao tempo de espessamento e à água livre, e
diretamente proporcional à viscosidade, ao limite de escoamento, aos géis e à
resistência à compressão. Estas propriedades físicas devem ser perfeitamente
ajustadas na fase de projeto da pasta (BASÍLIO, 1979 apud MIRANDA, 1995).
Figura 2.2 - Micrografia de uma
2.3.3 Hidratação do Cimento Portland
A hidratação do cimento
de cura cerca de 70–80% de grau de hidratação
aos 365 dias (TAYLOR, 1990)
e da finura do cimento, da relação entre água e cimento, da
cura e da presença de aditivos químicos e minerais. Basicamente, a reação de
hidratação consiste na formação do silicato de cálcio hidratado, aluminato de
cálcio hidratado, etringita,
cálcio, a partir da reação dos compostos do cimento (C
com a água (GONÇALVES, et al., 2006)
endurecimento (evolução da resistência)
hidratação dos aluminosilicatos
2002).
O processo de hidratação
utilizando-se as técnicas
e indiretamente, pela determinação
Capítulo II: Aspectos Teóricos
30
Micrografia de uma lâmina de clínquer com um aumento de 150x(PETRUCCI, 1978).
Hidratação do Cimento Portland
A hidratação do cimento Portland evolui com o tempo, tendo aos 28 dias
80% de grau de hidratação, e praticamente completa
(TAYLOR, 1990). Mas o processo de hidratação depende do tipo
e da finura do cimento, da relação entre água e cimento, da t
cura e da presença de aditivos químicos e minerais. Basicamente, a reação de
hidratação consiste na formação do silicato de cálcio hidratado, aluminato de
álcio hidratado, etringita, sulfaluminato de cálcio hidratado e do hidróxido de
, a partir da reação dos compostos do cimento (C2S, C3S, C
(GONÇALVES, et al., 2006). Sendo o enrijecimento
endurecimento (evolução da resistência) da pasta, caracterizado
hidratação dos aluminosilicatos e dos silicatos, respectivamente
hidratação do cimento pode ser avaliado diretamente,
técnicas de microscopia ótica ou analise de difração
determinação do calor desenvolvido na hidratação
com um aumento de 150x
Portland evolui com o tempo, tendo aos 28 dias
e praticamente completa-se
. Mas o processo de hidratação depende do tipo
temperatura de
cura e da presença de aditivos químicos e minerais. Basicamente, a reação de
hidratação consiste na formação do silicato de cálcio hidratado, aluminato de
sulfaluminato de cálcio hidratado e do hidróxido de
S, C3A e C4AF)
Sendo o enrijecimento e o
caracterizados pela
ectivamente (KAEFER,
do cimento pode ser avaliado diretamente,
difração de raios X,
hidratação, pelas
técnicas de analise térmica
a compressão (NEVILLE, 1988)
a. Hidratação dos Aluminatos
A reação do C3A com a água é imediata
adição de sulfato (gipsita) para retardar a reação. A hidratação dos aluminatos
na presença de sulfato resulta na etringita (C
aciculares e em monossulfatos hidratados
delgadas (KAEFER, 2002)
etringita e monossulfato de cálcio) ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos
na pasta hidratada (METHA, et al., 1994)
Figura 2.3 - Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita
mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio
Capítulo II: Aspectos Teóricos
31
térmica diferencial e termogravimétrica, ou pela
(NEVILLE, 1988).
Hidratação dos Aluminatos
A com a água é imediata, por isso há a necessidade de
adição de sulfato (gipsita) para retardar a reação. A hidratação dos aluminatos
na presença de sulfato resulta na etringita (C6AS3H32), que assumem formas
sulfatos hidratados, com forma de placas hexagonai
(KAEFER, 2002). Os sulfatoaluminatos de cálcio (principalmente
etringita e monossulfato de cálcio) ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos
(METHA, et al., 1994).
icrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita, formados pela
mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio al., 1994).
pela resistência
por isso há a necessidade de
adição de sulfato (gipsita) para retardar a reação. A hidratação dos aluminatos
que assumem formas
com forma de placas hexagonais
Os sulfatoaluminatos de cálcio (principalmente
etringita e monossulfato de cálcio) ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos
icrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos formados pela
mistura de soluções de aluminato de cálcio e de sulfato de cálcio (METHA, et
Capítulo II: Aspectos Teóricos
32
A formação das agulhas de etringita começa minutos após o inicio da
hidratação, sendo responsáveis pelo fenômeno de pega e desenvolvimento da
resistência inicial. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato
do cimento Portland, a etringita, pode se tornar instável e decompor-se para
formar o monossulfato hidratado, que é uma forma mais estável (METHA, et
al., 1994).
O processo de hidratação do C4AF, pelo fato deste designar
genericamente uma série de compostos, é de difícil caracterização e tem pouca
influencia na pasta endurecida (KAEFER, 2002). Os compostos resultantes do
C4AF são estruturalmente similares aos formados a partir do C3A (METHA, et
al., 1994).
b. Hidratação dos Silicatos
A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o inicio da
hidratação do cimento. A hidratação do C3S e do C2S origina silicatos de cálcio
hidratados, que possuem composição química muito variada e são
representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio Ca(OH)2,
compostos estes que preenchem o espaço ocupado pela água e pelas
partículas do cimento em dissolução (KAEFER, 2002).
O C-S-H tem morfologia que varia de fibras pouco cristalinas a uma
malha reticulada (ver Figuras 2.4 e 2.5). É o principal responsável pela
resistência a esforços mecânicos, representa de 50 a 60% o volume de sólidos
de pasta de cimento Portland completamente hidratada (METHA, et al., 1994).
Figura 2.4 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade
O Ca(OH)2 tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos
(ver Figura 2.5), sendo que
o espaço livre (aumento do fator água/cimento)
Ca(OH)2 diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos.
hidróxido de cálcio contribui pouco para a resistência da pasta de cimento
endurecida, em virtude de sua baixa superfície
baixo poder de adesão e
Representa de 20 a 25% do vo
completamente hidratada
Capítulo II: Aspectos Teóricos
33
Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade, mostrando os cristais de C-S-H (METHA, et al.,
1994).
tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos
), sendo que o tamanho dos cristais aumenta conforme aumenta
o espaço livre (aumento do fator água/cimento). Uma maior quantidade de
diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos.
hidróxido de cálcio contribui pouco para a resistência da pasta de cimento
em virtude de sua baixa superfície especifica, que lhe c
baixo poder de adesão e é facilmente carreado pela água (KAEFER, 2002)
Representa de 20 a 25% do volume de sólidos da pasta de cimento
completamente hidratada (METHA, et al., 1994).
Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento (METHA, et al.,
tem morfologia bem definida, formando cristais prismáticos
ristais aumenta conforme aumenta
Uma maior quantidade de
diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos. O
hidróxido de cálcio contribui pouco para a resistência da pasta de cimento
que lhe confere um
(KAEFER, 2002).
lume de sólidos da pasta de cimento
Figura 2.5 - Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)formada pelo C-S-H (2) e um vazio capilar (3)
Cálculos estequiométricos determinaram que a reação de hidratação do
C3S resulta em 61% de C
C3S2H3 e 18% de Ca(OH)
C2S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas
como (NEVILLE, 1988):
Verifica-se que um cimento com
resistência mecânica e ao ataque á
rapidamente e é responsável por desenvolver a resistência do cimento nas
primeiras etapas, sendo que a gipsita
C3S (KAEFER, 2002).
Capítulo II: Aspectos Teóricos
34
Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)2 (1), a estrutura fibrosa
(2) e um vazio capilar (3) (MORANVILLE-1992).
Cálculos estequiométricos determinaram que a reação de hidratação do
S resulta em 61% de C3S2H3 e 39% de Ca(OH)2,e a do C2
e 18% de Ca(OH)2. O C3S precisa de 24% de água pa
S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas
2C3S + 6H2O → C-S-H + 3Ca(OH)2
2C2S + 4H2O → C-S-H + Ca(OH)2
se que um cimento com maior teor de C3S resulta em menor
sistência mecânica e ao ataque ácido. Entretanto, o C3S hidrata mais
rapidamente e é responsável por desenvolver a resistência do cimento nas
primeiras etapas, sendo que a gipsita aumenta a velocidade de hidratação do
Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento a estrutura fibrosa
-REGOURD,
Cálculos estequiométricos determinaram que a reação de hidratação do
2S em 82% de
ara hidratar e o
S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser descritas
S resulta em menor
S hidrata mais
rapidamente e é responsável por desenvolver a resistência do cimento nas
aumenta a velocidade de hidratação do
Capítulo II: Aspectos Teóricos
35
2.3.4 Classificação
O American Petroleum Institute (API) estabeleceu o primeiro comitê para
o estudo de cimentos para poços de petróleo em 1937 (BP & CHEVRON-
TEXACO, 2002). Especificações para diferentes cimentos foram discutidas, e a
indústria desenvolveu métodos de modificar suas propriedades através de
aditivos e mudanças na composição química, a fim de obter propriedades em
função das condições do poço.
O API classifica o cimento Portland em oito classes designadas de A a H
(Tabela 2.3), em função da composição química, que deve estar arranjada de
acordo com a profundidade as quais podem ser aplicadas, pressões e
temperaturas aos quais estão expostos (CAMPOS, et al., 2002).
Tabela 2.3 - Classes do cimento Portland (CAMPOS, et al., 2002).
Tipo Características
Classe A Utilizado em profundidades de até 1830 m quando não
há necessidade de propriedades especiais.
Classe B
Utilizado em profundidades de até 1830 m em
condições onde não há a necessidade de moderada a alta
resistência a sulfato.
Classe C
Utilizado em profundidades de até 1830 m em
condições onde há necessidade de uma alta resistência à
compressão inicial.
Classe D Utilizado em profundidades de até 1830 m a 3050 m
sob condições de pressões e temperaturas moderadas a altas.
Classe E Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4270m
sob condições de pressões e temperaturas altas.
Classe F
Utilizado em profundidades de até 3050 m a 4880 m
sob condições de pressões e temperaturas extremamente
altas.
Capítulo II: Aspectos Teóricos
36
Classe G e H
Utilizados em operações básicas de cimentação de
poços de petróleo de revestimentos de superfície até
profundidade de 2440 m. Podendo ainda ser utilizado com
diversos aditivos químicos, de modo a contemplar uma série
de aplicações distintas a depender da profundidade e
temperatura.
2.4 Cimentação de Poços Petrolíferos
2.4.1 Cimento Para Poços Petrolíferos
Os cimentos utilizados na cimentação de poços devem possuir baixo
teor de aluminato tricálcico (C3A), diminuir sua finura para reter grande
quantidade de água, possuir um elevado fator água/cimento para a pasta
permanecer fluida por várias horas durante o bombeamento, e depois
endurecer rapidamente a altas temperaturas e pressão (METHA, et al., 1994),
além de conter baixa quantidade de cal livre (CaO) (SAOUT, et al., 2004).
A completação dos poços é geralmente realizada com o cimento classe
G ou H, que são similares quimicamente com o cimento Tipo I da ASTM
(Tabela 2.4). Porém, comparativamente, o cimento de classe H apresenta
tamanho de partícula maior, e as fases de aluminato das classes H e G estão
principalmente sob a forma de C4AF, com baixo teor de C3A (< 3,0%), além
destes cimentos serem particularmente ricos em silicatos. O conteúdo de
aluminato tricálcio nestes cimentos determina as categorias de resistência ao
sulfato, variando entre moderada e alta (NELSON, 1990). A Tabela 2.4
apresenta uma comparação dos requerimentos químicos dos cimentos classe
G e H, com o cimento Tipo I da ASTM, CP IV e outros dois cimentos nacionais,
o CP V e o CP I (TAVARES, et al., 2008).
Capítulo II: Aspectos Teóricos
37
Tabela 2.4 - Comparação dos cimentos G e H com outros cimentos comerciais (TAVARES, et al., 2008).
Requerimentos
Químicos
(%)
Tipo de Cimento
API 10A
G
API 10A
H
ASTM
TIPO I CP IV CP V CP I
Óxido de magnésio
(MgO) 6,0 6,0 6,0 6,5 6,5 6,5
Trióxido de enxofre
(SO3) 3,0 3,0 3,0–3,5 4,0 3,5–4,5 4,0
Perda ao fogo 3,0 3,0 3,0 4,5 4,5 2,0
Resíduo insolúvel 0,75 0,75 0,75 – 1,0 1,0
Silicato Tricálcio
(C3S) 48–65 48–65 50–55 – – –
Aluminato Tricálcio
(C3A) 3,0 3,0 5,0–12 8,0 8,0 –
Óxido de sódio
(Na2O) 0,75 0,75 0,60 – – –
Água por peso de
cimento 44 38 – – – –
O processo de elaboração de pastas de cimento tem sua importância na
definição das propriedades da mesma, e na quantificação dos materiais
utilizados para fabricá-la, tanto a nível laboratorial quanto em nível de campo.
O conhecimento das características que determinarão as propriedades da
pasta é essencial para que sua formulação atenda aos requisitos de um poço,
em virtude de cada poço possuir propriedades específicas como profundidade,
temperatura e pressão (THOMAS, 2001).
2.4.2 Aditivos Utilizados em Pastas de Cimento
Uma boa pasta de cimento para a maioria das operações de cimentação
deve ter baixa viscosidade, não gelificar quando estática, manter sua
consistência por maior tempo possível até a ocorrência da pega, ter baixa
perda de filtrado e não apresentar efeito de separação de água livre ou
Capítulo II: Aspectos Teóricos
38
decantação de sólidos (NELSON, 1990). Para manter estas propriedades nas
varias condições que um poço pode apresentar como, por exemplo, variações
de temperaturas abaixo de zero (zonas permanentemente congeladas) até
acima dos 300º C (métodos de recuperação térmica), entre outras, é
necessária a utilização de aditivos na pasta de cimento.
A combinação de dois ou mais aditivos pode gerar um efeito sinergético
que, em alguns casos, pode ser deletério a pasta desejada. A maioria dos
aditivos é fortemente influenciada pelas propriedades físicas e químicas do
cimento, as quais são altamente variáveis. Conseqüentemente, um largo
espectro de resultados pode ser obtido com o mesmo projeto de pasta (PAIVA,
2003).
Atualmente existe uma gama muito grande de aditivos fornecidos por
companhias de serviço, tanto na forma líquida quanto na sólida. Os aditivos
utilizados em pastas de cimento são classificados em várias funções, sendo as
principais: aceleradores de pega, retardadores de pega, adensantes,
dispersantes, agentes antiretrogressão, antiespumantes, estendedores e
controladores de filtrado (CAMPOS, et al., 2002).
2.5 Sistema Cimento/Polímero
Poliuretano (ou PU) é qualquer polímero que compreende uma cadeia
de unidades orgânicas unidas por ligações uretânicas. É amplamente usado
em espumas rígidas e flexíveis, em elastômeros duráveis, em adesivos de alto
desempenho, em selantes, em fibras, vedações, gaxetas, preservativos,
carpetes e peças de plástico rígido (FREITAS, 2008).
O látex é uma suspensão coloidal de polímero em água, geralmente
contém cerca de 50% em peso de partículas esféricas muito pequenas de
polímeros mantidas em suspensão na água por agentes tensoativos (METHA,
et al., 1994). Tende a incorporar grandes quantidades de ar,
consequentemente é necessário adicionar agentes desincorporadores de ar.
Capítulo II: Aspectos Teóricos
39
Podem ser divididos em três classes, de acordo com a carga elétrica das
partículas, que é determinada devido ao tipo de tensoativo usado na dispersão.
Os três tipos são: catiônicos (ou positivamente carregados), aniônicos (ou
negativamente carregados) ou não-iônicos (sem carga elétrica) (WALTERS,
1987).
Normalmente, látex que utilizam surfactantes catiônicos ou aniônicos
não são adequados para o uso conjunto com aglomerantes hidráulicos porque
lhes falta adequada estabilização. A maioria dos látex utilizados com cimento
Portland é estabilizada com surfactantes não-iônicos (AMERICAN CONCRETE
INSTITUTE, 1995).
Neste trabalho foi utilizado o látex de poliuretana, o qual pôde ser
adicionado normalmente durante a mistura dos materiais, sem a necessidade
da introdução de novas tecnologias para sua utilização. Além disso, a
polimerização no CML (Cimento Modificado com Látex) ocorre naturalmente
por perda de água (FREITAS, 2008). Uma fase co-matriz é formada pela
hidratação do cimento e pela formação do filme polimérico, de acordo com o
modelo simplificado apresentado na Figura 2.6. As partículas esféricas de
polímero (adicionado ao cimento sob forma de látex), independentemente,
ocupam a interface entre as partículas do cimento e os hidratos formados em
torno das partículas do polímero, após ocorrer o enrijecimento dos
aglomerados de cimento (SAKAI, 1995), como pode ser observado por meio da
Figura 2.7.
Capítulo II: Aspectos Teóricos
40
Figura 2.6 - Modelo simplificado da formação da co-matriz cimento/polímero (OHAMA, 1998).
Figura 2.7 - Modelo do mecanismo de modificação em sistemas cimento/polímero (SAKAI, 1995).
Capítulo II: Aspectos Teóricos
41
A pasta de cimento endurecida é predominantemente uma estrutura
aglomerada de silicatos de cálcio, aluminatos e hidróxidos mantidos juntos por
forças de van der Waals, que são relativamente fracas.
Microfissuras são induzidas na pasta devido às solicitações causadas
pela evaporação em excesso de água (retração por secagem). A modificação
com látex ajuda de duas formas: as partículas do látex não somente reduz a
quantidade da movimentação de água através do bloqueio dos capilares,
naturalmente ocorrendo nos dois sentidos, aumentando assim a proteção a
ataques de agentes químicos, como também ajuda quando há fissuração, o
filme de látex polimérico tampa estes canais e restringe a propagação da trinca,
isto resulta no incremento de resistência à flexão. A modificação com látex
também gera uma maior resistência ao congelamento (AMERICAN
CONCRETE INSTITUTE, 1995).
Ainda segundo o AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (1995), o ponto
ótimo de modificação com polímero situa-se entre 5% e 10% do teor de sólidos
por peso de cimento.
Percentagens menores não propiciam mudanças significativas nas
propriedades dos concretos e argamassas modificados. Além disso, não trarão
os benefícios da redução significativa da quantidade de água de amassamento,
visto que os látex possuem propriedades plastificantes no concreto fresco. O
uso de sólidos em excesso torna-se inviável economicamente e pode causar
elevada incorporação de ar (FREITAS, 2008).
CAPÍTULO III:
Estado da Arte
Capítulo III: Estado da Arte
43
3. Estado da Arte
Pastas de cimento modificadas com látex vêm sendo utilizadas em
poços de petróleo desde 1957. Quando Rollins e Davidson estudavam o
desempenho de pastas de cimento, acrescentaram látex na água de mistura,
observando uma redução na perda de filtrado, melhora na durabilidade e boas
propriedades reológicas, seguido de menor quantidade de água (de 20% a
30%) na água de mistura devido à presença de água na solução látex
(NELSON, 1990).
Os estudos continuam até os dias de hoje, pois cada vez se tem
encontrado uma maior gama de usos e novas propriedades em pastas de
cimento modificadas com diferentes tipos látex.
Zhao e Luo (2004) estudaram o desempenho do látex SBR em pastas
de cimento Portland e verificaram que a adição deste polímero modifica as
propriedades reológicas, água livre, resistência à compressão e à tração. O
aumento da concentração deste polímero na pasta diminui sua resistência.
Liang et al (2004) desenvolveram um látex SBR carboxílico para
cimentação de poços de petróleo. A diferença entre esse látex e os já
estudados é apenas nos compostos usados na sua síntese: butadieno,
fenileteno, ácido sulfônico e carboxilatos.
Çolak (2005) estudou pastas de cimento Portland modificado com látex
com e sem a adição de superplastificantes. Como a trabalhabilidade destas
pastas diminui com o aumento da concentração de látex, Çolak verificou que
isso depende do fator água/cimento da mistura e pode ser fortemente reduzida
utilizando um superplastificante apropriado.
Michaux et al (2006) patentearam novos agentes controladores de
filtrado base látex SBR e polímero solúvel em água de copolímero acrílico e
acrilamida. Nessa patente foi estudada a eficiência desses controladores em
diferentes concentrações em pastas de cimento Portland tipo G, foi observado
que ambos mostraram-se eficientes controladores de filtrado até em
temperaturas de 150° C.
Capítulo III: Estado da Arte
44
Chougnet et al (2006) aplicaram látex estireno acrílico em pasta de
cimento Portland Classe G. Eles viram que com a adição desse polímero a
pasta, houve uma considerável diminuição da Portlandita (Ca(OH)2) e etringita
(C6AS3H32) na microestrutura do cimento devido à influência do polímero na
cinética de hidratação da pasta. Houve também uma grande diminuição da
permeabilidade e porosidade da pasta.
Plank e Gretz (2008) realizaram estudos sobre a interação entre látex
iônicos e cimento Portland. Eles confirmaram que ocorre uma interação entre
as partículas iônicas no látex com a superfície das partículas de cimento nos
processos iniciais de hidratação e que o processo de adsorção das partículas
de látex pode ser influenciado pela presença de outros aditivos com, por
exemplo, um superplastificante aniônico altamente carregado.
CAPÍTULO IV:
Materiais e Métodos Experimentais
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
46
4. Materiais e Métodos Experimentais
4.1 Materiais de Partida
Para a formulação das pastas foram utilizados:
a) Cimento Portland Classe A modificado industrialmente, passando
a possuir propriedades semelhantes ao cimento Portland Classe
G. Este cimento modificado recebe o nome de Portland Especial.
As bateladas utilizadas foram fornecidas pela CIMESA
(Laranjeiras – SE);
b) Poliuretana em dispersão aquosa não iônica utilizada é
denominada PUW320, fornecida pela CROMPTON (São Paulo –
SP);
c) Aditivos do tipo anti-espumante, acelerador de pega, dispersante
e controlador de filtrado;
d) Água potável.
4.2 Cálculos e Formulações das Pastas Cimentantes
A formulação de uma pasta de cimento se inicia com o cálculo do
rendimento, fator água-cimento (FAC), fator água de mistura e das
concentrações de cada produto utilizado. Para obtenção das diversas
propriedades de uma pasta, fixam-se o peso específico da mesma e as
concentrações de aditivos sólidos e líquidos. Todos esses cálculos são
efetuados de acordo com a norma API RP 10B em uma tabela específica.
Realizados os cálculos, foram formuladas pastas contendo látex de
poliuretana em concentrações de 0 e 8% para operação de correção em
profundidades de 500, 800 e 1000 m e ensaiadas em suas respectivas
temperaturas de circulação, 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C . As pastas formuladas
com 0% de PUW320 são para efeito de comparação dos resultados.
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
47
A composição das pastas formuladas pode ser visto na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Composições das pastas formuladas variando a profundidade.
Composição
Profundidade
(m)
PU
W320
(%)
Água
(gpc)
Cimento
(%)
Anti-
espumante
(gpc)
Acelerador
de pega
(%)
Dispersante
(gpc)
Controlador
de filtrado
(%)
500 0 5,02 68 0,010 1,00 0,02 0,60
500 8 2,91 66 0,020 1,30 0,02 0,10
800 0 5,06 68 0,010 0,20 0,03 0,50
800 8 2,93 66 0,020 0,70 0,02 0,10
1000 0 5,03 69 0,010 --- 0,04 0,60
1000 8 3,00 66 0,012 --- 0,02 0,10
4.3 Preparação e Homogeneização das Pastas Cimentantes
Para a preparação das pastas foi utilizada uma balança com resolução
de ± 0,05% da carga indicada, para a determinação das massas dos
componentes da mesma.
Para realização da mistura foi utilizado um misturados Chandler modelo
30 – 60. Uma vez pronta a água de mistura (água e aditivos), adicionou-se o
cimento, através de funil de colo curto pela abertura central da tampa da jarra.
A adição do cimento foi realizada sob uma taxa uniforme, a uma velocidade de
4000 rpm ± 200 rpm, durante 15 s ininterruptamente. Instalou-se a tampa
central e agitou-se a pasta por 35 s a uma velocidade de 12000 rpm ± 500 rpm.
O tempo de adição foi controlado pelo temporizador do misturador (ABNT /
NBR9826, 1993).
Imediatamente após a mistura das pastas, realizou-se a
homogeneização das mesmas em uma célula do consistômetro atmosférico
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
48
Chandler modelo 1200. A pasta foi colocada em banho na sua respectiva
temperatura de circulação por 20 min a 150 rpm ± 15 rpm.
4.4 Caracterização das Pastas Cimentantes
Para a caracterização das pastas foram realizados os seguintes ensaios:
4.4.1 Ensaios Reológicos
Serve para determinar as propriedades reológicas das pastas de
cimento utilizando um viscosímetro rotativo, de acordo com o modelo adotado:
(a) Modelo de Bingham: viscosidade plástica (VP) e limite de escoamento (LE);
(b) Modelo de Potência: índice de comportamento de fluxo (n) e índice de
consistência (�). Determina-se também o gel inicial (Gi) e gel final (Gf). Tais
parâmetros são utilizados para a determinação do regime de escoamento e
previsão das pressões geradas durante as operações de cimentação (LABCIM,
2008).
Os ensaios reológicos foram realizados de acordo com a norma API,
segundo API Spec 10: API SPEC 10A – Specifications for Cements and
Materials for Well Cementing e API SPEC 10B – Recommended Practice for
testing Well Cements. As leituras obtidas no viscosímetro rotacional são
aplicadas ao modelo de fluido que o represente melhor, geralmente, modelo de
potência ou modelo de Bingham. O equipamento utilizado para realizar as
medidas reológicas foi um viscosímetro Chandler, modelo 3500.
Após o procedimento descrito no item 4.3, as pastas foram vertidas em
copo térmico e cisalhadas em viscosímetro aplicando-se várias taxas, de
acordo norma de ensaios reológicos definidas pela API. As leituras foram
realizadas aplicando-se taxas de cisalhamento ascendentes e descendentes a
intervalos de 10 s, mantendo-se a temperatura constante de 47,8°C, 51,7°C e
57,8°C para as respectivas profundidades (500, 800 e 1000 m). As taxas
empregadas foram de 3, 6, 10, 20, 60, 100, 200 e 300 rpm.
Após a segunda leitura de 3 rpm, aumentou-se a velocidade do rotor
para 300 rpm, mantendo-a por 1 min. Em seguida, o motor é desligado e após
Capítulo
10 s, o mesmo foi novamente ligado acionado a 3
deflexão máxima observada (gel inicial: Gi). Desligou
por 10 min, no fim dos qual o motor foi ligado, registrando
máxima observada (gel fi
mostrador foi efetuada imediatamente antes de cada redução de velocidade.
As medidas de gel foram realizadas para se ter conhecimento do grau de
tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do visco
descrito anteriormente encontra
Figura 4.1 - Programa de teste do viscosímetro
Ao final, determinaram
Escoamento (LE) e Viscosidade Plástica (VP), aplicando
matemático de Bingham, o qual relaciona linearmente estes dois parâmetros,
de acordo com a equação
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
49
s, o mesmo foi novamente ligado acionado a 3 rpm, registrando
deflexão máxima observada (gel inicial: Gi). Desligou-se mais uma vez o motor
por 10 min, no fim dos qual o motor foi ligado, registrando-
máxima observada (gel final: Gf) (ABNT / NBR9830, 1993). Cada leitura no
mostrador foi efetuada imediatamente antes de cada redução de velocidade.
As medidas de gel foram realizadas para se ter conhecimento do grau de
tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do visco
descrito anteriormente encontra-se ilustrado na Figura 4.1.
Programa de teste do viscosímetro (LIMA, 2006)
Ao final, determinaram-se os seguintes parâmetros: Limite de
Viscosidade Plástica (VP), aplicando-
matemático de Bingham, o qual relaciona linearmente estes dois parâmetros,
de acordo com a equação abaixo:
� = �� � ���
rpm, registrando-se a
se mais uma vez o motor
-se a deflexão
. Cada leitura no
mostrador foi efetuada imediatamente antes de cada redução de velocidade.
As medidas de gel foram realizadas para se ter conhecimento do grau de
tixotropia das pastas formuladas. O programa de teste do viscosímetro,
LIMA, 2006).
se os seguintes parâmetros: Limite de
-se o modelo
matemático de Bingham, o qual relaciona linearmente estes dois parâmetros,
(4.1)
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
50
4.4.2 Ensaio de Determinação do Tempo de Espessamen to (Tempo de Pega)
Os resultados deste teste indicam o período de tempo que a pasta
permanecerá bombeável durante uma operação de cimentação.
O tempo de espessamento é o período de tempo que uma pasta leva até
que ocorra sua cura. O tempo de bombeabilidade é o tempo máximo que a
pasta pode ser bombeada para o interior do poço. O tempo de espessamento é
atingido quando a pasta apresenta consistência de 100 Uc enquanto que o
tempo de bombeabilidade é atingido quando a pasta alcança 50 Uc.
Este ensaio foi realizado preparando-se as pastas conforme o item 4.3, e
em seguida, a pasta foi adicionada a uma célula cilíndrica, onde foi colocado
um conjunto eixo-palheta. Depois de fechada, a célula, contendo a pasta de
cimento foi levada ao consistômetro pressurizado Chandler modelo 7716, e
colocada sobre a mesa rotativa dentro da câmara, conforme a Figura 4.2.
Depois da colocação do termopar e do completo preenchimento da câmara
com óleo, iniciou-se a pressurização e o aquecimento da pasta de acordo com
as condições pré-estabelecidas que geram uma tabela de aquecimento e
pressurização para ensaios com pastas de cimentos. Estes parâmetros foram
mantidos constantes até o final do ensaio, ou seja, até a pasta de cimento
atingir a consistência de 100 Uc (API, 2000).
Capítulo
Figura 4.2 – Esquema do
4.4.3 Ensaio de Resistência
Este ensaio possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida
apresentará no poço (LABCIM, 2008)
determinam a resistência à compressão são padronizados no apêndice da API
SPEC 10. As amostras são preparadas conforme
colocadas em moldes cúbicos de
e 7d a temperatura de
profundidades (500, 800 e 1000m)
realizados nesta tese for
universais da Shimadzu, série Autograph AG
NBR9828, 1993). Os ensaio
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
51
Esquema do consistômetro pressurizado Chandler m(ABNT / NBR9831, 2006).
Ensaio de Resistência à Compressão
possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida
(LABCIM, 2008). Os procedimentos para os ensaios que
determinam a resistência à compressão são padronizados no apêndice da API
SPEC 10. As amostras são preparadas conforme o item 4.3
colocadas em moldes cúbicos de 5 cm de aresta e curadas por
de 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas
profundidades (500, 800 e 1000m). Os ensaios de resistência à compressão
realizados nesta tese foram conduzidos em um equipamento de ensaios
universais da Shimadzu, série Autograph AG-I conforme a norma
ensaios foram realizados a temperatura ambiente
essurizado Chandler modelo 7716
possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida
s procedimentos para os ensaios que
determinam a resistência à compressão são padronizados no apêndice da API
e em seguida
de aresta e curadas por 8 h, 24 h, 48 h
47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas
. Os ensaios de resistência à compressão
am conduzidos em um equipamento de ensaios
conforme a norma (ABNT /
s foram realizados a temperatura ambiente.
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
52
4.4.4 Ensaio de Avaliação de Estabilidade
Este ensaio visa avaliar a segregação de sólidos na pasta de cimento
quando submetida às condições encontradas nas cimentações de poços de
petróleo (LABCIM, 2008).
Neste ensaio, a pasta foi preparada conforme o item 4.3 e, em seguida,
colocada dentro de um tubo decantador previamente engraxado. Bateu-se
levemente no interior do cilindro com um bastão de vidro de modo a eliminar as
bolhas de ar aprisionadas. Completou-se o volume até o transbordamento do
recipiente, enroscou-se a tampa superior vazada e levou-se o cilindro à câmara
de cura com água à temperatura de aproximadamente 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C
para as respectivas profundidades (500, 800 e 1000 m) (API, 2000).
O cilindro foi posicionado verticalmente na câmara, submetendo-se às
condições de temperatura e pressão similares ao teste de resistência a
compressão, mantendo-se a cura pó 24 horas. O aquecimento foi desligado 1 h
e 45 min antes do término da cura. Em seguida, o mesmo foi resfriado em água
corrente por 5 mim (API, 2000).
Após o resfriamento, desenroscou-se a tampa superior do cilindro,
eliminando-se os fluidos existentes no topo do cilindro por meio de papel
absorvente; com auxilio de uma seringa, injetou-se um volume, medido em
cm3, de água até completar o volume total do cilindro. Converteu-se esse
volume em comprimento, expresso em mm, denominando-se Rebaixamento de
Topo, pela multiplicação do volume medido na extremidade inferior com um
martelo de borracha para retirada do cilindro endurecido de pasta curada. A
amostra foi lavada em água corrente, deixada imersa em água na temperatura
ambiente (API, 2000).
Procedeu-se então, o corte do cilindro em quatro partes iguais, conforme
o esquema da Figura 4.3, identificando as seções da seguinte maneira: Topo
(I), Intermediárias (II e III) e Fundo (IV), recolocando-as em água novamente
por 30 min (API, 2000).
Capítulo
Figura 4.3 – Ilustração do s(I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV).
Cada seção foi presa a um suporte com garra, garantindo maior
estabilidade e precisão na leitura, depois cada seção foi imersa em água em
um béquer. Registrou-se o peso da seção como
seguida, cada seção foi rebaixada e apoiada n
o fio não ficasse tensionado, registrando
Seção no Ar”.
Os cálculos dos pesos específicos em lb/gal de cada seção foram
determinados por meio da equação:
Onde:
�: Peso específico da Seção (lb/gal);
���: Peso da Seção no Ar;
�Á���: Peso da Seção na Água.
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
53
Ilustração do seccionamento da amostra de cimento curada: Topo (I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV).
Cada seção foi presa a um suporte com garra, garantindo maior
estabilidade e precisão na leitura, depois cada seção foi imersa em água em
se o peso da seção como “Peso da Seção na Água”
seguida, cada seção foi rebaixada e apoiada no fundo do béquer, de modo que
o fio não ficasse tensionado, registrando-se o peso indicado como
Os cálculos dos pesos específicos em lb/gal de cada seção foram
minados por meio da equação:
� = ���� �Á���� ��8,33
Peso específico da Seção (lb/gal);
Peso da Seção no Ar;
Peso da Seção na Água.
eccionamento da amostra de cimento curada: Topo
Cada seção foi presa a um suporte com garra, garantindo maior
estabilidade e precisão na leitura, depois cada seção foi imersa em água em
“Peso da Seção na Água”. Em
o fundo do béquer, de modo que
se o peso indicado como “Peso da
Os cálculos dos pesos específicos em lb/gal de cada seção foram
(4.2)
Capítulo IV: Materiais e Métodos Experimentais
54
4.4.5 Ensaio de Controle de Filtrado
Este ensaio determina a perda da fase líquida, em condição estática, a
partir do volume de pasta de cimento contido num filtro-prensa API, através de
um elemento filtrante, submetido a um diferencial de pressão e na temperatura
requerida para o teste. Tal informação possibilita estimar a suscetibilidade da
pasta de cimento em perder parte de sua fase aquosa para a formação
(LABCIM, 2008).
Para a realização deste teste, as pastas formuladas foram preparadas e
homogeneizadas conforme o item 4.3. Em seguida, a pasta foi colocada em
uma célula do Filtro-prensa Fann HPHT Série 387, a temperatura de teste foi
de 47,8°C, 51,7°C e 57,8°C para as respectivas prof undidades (500, 800 e
1000m). Antes do fechamento da célula, é foi colocado uma peneira com filtro,
de abertura de 44 µm (#325 mesh), para filtrar a pasta que foi pressurizada a
1000psi com N2 durante 30 min ou até completar a desidratação completa da
pasta, registrando-se o período de tempo e encerrando o teste (API, 2000).
Para os testes de filtrado que atingiram o período de tempo final de 30
min, a perda de fluido foi calculada multiplicando-se por dois o volume de fluido
coletado durante o teste. Para os testes que apresentaram desidratação da
pasta em um período de tempo inferior a 30min, extrapolou-se o volume de
filtrado para um tempo igual a 30min, mediante a equação abaixo.
!" = (2� %�5,477)/*�/+ (4.3)
Onde:
!": Perda de fluido extrapolado a um tempo de 30min, em centímetros
cúbicos (ou mL);
%: Volume de fluido coletado até o momento “*” da desidratação, em
centímetro cúbico (ou mL);
*: Tempo em que ocorreu a desidratação (final do teste), em minutos.
CAPÍTULO V:
Resultados e Discussão
Capítulo V: Resultados e Discussão
56
5. Resultados e Discussão
Os resultados obtidos na fase experimental são apresentados e
discutidos de acordo com a ordem descrita a seguir:
• Reologia;
• Tempo de Espessamento (Tempo de Pega);
• Resistência à compressão;
• Estabilidade
• Filtrado.
Os ensaios, simulando operação de squeeze para 500, 800 e 1000 m,
foram realizados com as formulações calculadas na Tabela 4.1. Para efeito de
comparação foram formuladas pastas contendo 0 e 8% de poliuretana, e
posteriormente discutido como a poliuretana influência nas propriedades de
uma pasta cimentante.
5.1 Reologia
As medidas reológicas para as pastas formuladas com 0 e 8 % de látex
PU W320 em diferentes profundidades são necessárias para possível
aplicação da pasta em operações de cimentação. Os resultados estão
expostos na tabela 5.1 e nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3.
Tabela 5.1 - Resultados de viscosidade plástica e limite de escoamento em cada pasta formulada.
Pasta
(Profundidade / % PU)
Gi
(Pa)
Gf
(Pa)
Vp
(cP)
LE
(Pa)
500m / 0% 2 6 131,80 3,39
500m / 8% 9 12 105,58 16,59
800m / 0% 1 6 51,01 1,22
800m / 8% 9 10 111,36 18,25
1000m / 0% 1 6 59,26 1,45
1000m / 8% 7 9 106,84 13,71
Capítulo V: Resultados e Discussão
57
0 100 200 300 400 500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tens
ão d
e C
isal
ham
ento
(Pa
)
Taxa de Cisalhamento (s-1
)
500m / 0% PU 500m / 8% PU
Figura 5.1 – Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 500 m.
0 100 200 300 400 500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Tens
ão d
e C
isal
ham
ento
(Pa
)
Taxa de Cisalhamento (s-1
)
800m / 0% PU 800m / 8% PU
Figura 5.2 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 800 m.
Capítulo V: Resultados e Discussão
58
0 100 200 300 400 500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tens
ão d
e C
isal
ham
ento
(Pa
)
Taxa de Cisalhamento (s-1
)
1000m / 0% PU 1000m / 8% PU
Figura 5.3 - Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para as pastas de 1000 m.
Foi observado que para as três profundidades, a adição de PU W320
aumentou a tensão de cisalhamento. Isso se deve à influência do polímero na
microestrutura da pasta, pois o látex PU W320 reage com o C3A, que é o
produto de hidratação inicial responsável pelas propriedades reológicas das
pastas de cimento, diminuindo a fluidez e aumentando a viscosidade plástica e
o limite de escoamento.
Outro fator que pode ter aumentado os valores de viscosidade plástica e
limite de escoamento (que estão diretamente relacionados aos valores de
tensão de cisalhamento), é a possível interação entre as longas cadeias
moleculares da PU W320 que se interligam umas com as outras,
emaranhando-se e produzindo interações físicas e químicas formando uma
grande rede tridimensional (MACHADO, 2002), como representado na Figura
5.4.
Capítulo
Figura 5.4 - Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas concentrações
Os valores de gel inicial
adição da poliuretana, mas permanecendo
permitidos por norma (G
sempre são maiores que os valores de gel
prosseguimento do processo de hidratação das partículas de cimento com o
tempo.
5.2 Tempo de Espessamento
Pode ser observado
as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc).
redução ocorreu devido
de minimizar a ação retardante do
Capítulo V: Resultados e Discussão
59
Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas concentrações (FREITAS, 2008).
Os valores de gel inicial (Gi) e final (Gf) sofreram um acréscimo com
poliuretana, mas permanecendo abaixo dos valoras máximos
(Gi de 12 Pa e Gf de 17 Pa). Os valores de gel
ão maiores que os valores de gel inicial, isso
prosseguimento do processo de hidratação das partículas de cimento com o
Tempo de Espessamento
Pode ser observado nas Figura 5.5, Figura 5.6 e Figura
as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc).
redução ocorreu devido à necessidade do uso de um acelerador de pega
de minimizar a ação retardante do látex.
Efeito provocado pelo entrelaçamento do polímero em altas
sofreram um acréscimo com
abaixo dos valoras máximos
). Os valores de gel final
inicial, isso se deve ao
prosseguimento do processo de hidratação das partículas de cimento com o
Figura 5.7, que todas
as pastas apresentaram redução no tempo de bombeabilidade (50 Uc). Esta
acelerador de pega a fim
Capítulo V: Resultados e Discussão
60
0 50 100 150 200 250 300 350 40010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Con
sist
ênci
a
(Uc
)
Tempo de Espessamento (min )
500m / 0% PU 500m / 8% PU
Figura 5.5 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas formuladas para 500 m.
0 50 100 150 200 250 300 3500
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Con
sist
ênci
a
(Uc
)
Tempo de Espessamento (min ) 800m / 0% PU 800m / 8% PU
Figura 5.6 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas formuladas para 800 m.
Capítulo V: Resultados e Discussão
61
0 50 100 150 200 250 3000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Con
sist
ênci
a
(Uc
)
Tempo de Espessamento (min )
1000m / 0% PU 1000m / 8% PU
Figura 5.7 - Tempo de espessamento e bombeabilidade das pastas formuladas para 1000 m.
Os estudos realizados por NASCIMENTO (2006) comprovaram a ação
retardante do látex, devido a sua interferência na reação entre o C3A e o gesso
no início da hidratação da pasta de cimento. O látex forma um complexo com
íons cálcio e sulfatos presentes nessa reação, dificultando a formação da
etringita, que é um produto secundário da reação do aluminato tricálcico com o
gesso, bem como a difusão da água.
Observou-se que para todas as profundidades com a adição de PU
W320, as pastas apresentaram tempo de espessamento requerido para
operação em campo (< 5 h), conforme especificado na norma ABNT /
NBR9831 (2006).
5.3 Resistência à Compressão
Analisando as Figura 5.8, Figura 5.9 e Figura 5.10 é possível observar
um aumento da resistência compressiva com o aumento da profundidade e
consequente ganho de temperatura. Verifica-se ainda, para todas as
profundidades aumento da resistência com o aumento do tempo de cura da
pasta. A esperada elevação da resistência da pasta com o tempo é resultado
do prosseguimento das reações de hidratação.
Capítulo V: Resultados e Discussão
62
8 16 240
500
1000
1500
2000
2500
Res
istê
ncia
à C
ompr
essã
o
(Psi
)
Tempo de Cura (h )
500m / 0% PU 500m / 8% PU
Figura 5.8 - Resistência compressiva das pastas de 500 m
8 16 240
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Res
istê
ncia
à C
ompr
essã
o
(Psi
)
Tempo de Cura (h )
800m / 0% PU 800m / 8% PU
Figura 5.9 - Resistência compressiva das pastas de 800 m
Capítulo V: Resultados e Discussão
63
8 16 240
500
1000
1500
2000
2500
Res
istê
ncia
à C
ompr
essã
o
(Psi
)
Tempo de Cura (h )
1000m / 0% PU 1000m / 8% PU
Figura 5.10 - Resistência compressiva das pastas de 1000 m
Com relação às pastas formuladas com PUW320, exceto a pasta
formulada para 500 m com 8 dias de cura, pôde-se observar uma diminuição
na resistência compressiva em relação às pastas formuladas sem PUW320.
Isso é decorrente da comatriz polimerica formada, existindo a presença de uma
rede polimérica, conforme pode ser vista na micrografia da Figura 5.11. Esta
absorve parte da energia gerando um acréscimo na tenacidade, mas reduz a
resistência mecânica,. O aumento da energia absorvida foi observado na
forma de um aumento na deformação do corpo de prova antes da ruptura,
quando comparado à pasta com 0% de PU W320. Com relação ao aumento do
tempo de cura, observou-se também um aumento da resistência compressiva,
devido ao avanço nas etapas da hidratação do cimento.
Capítulo
Figura 5.11 - Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com PUW320 (aumento de 6000x)
5.4 Estabilidade
Na Figura
das pastas. Ao formulá
entanto, as pastas com PU W320
bastante inferiores a este valor pré
possivelmente a alguns
na pasta, formação de espuma e inte
Ao misturar a p
acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação dur
aproximadamente 5 minutos.
Apesar disso, todas as pastas
estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que
menor ou igual a 0,5 lb/gal
Capítulo V: Resultados e Discussão
64
Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com (aumento de 6000x) (NASCIMENTO, 2006)
Figura 5.12 estão representados os valores de estabilidade
das pastas. Ao formulá-las definiu-se o peso específico de 15,6 lb/gal, no
as pastas com PU W320, os valores de densidade das pastas foram
bastante inferiores a este valor pré-estabelecido. Este f
fatores, tais como: mistura, formação de bolhas de ar
na pasta, formação de espuma e interação entre água e polímero.
Ao misturar a pasta com PU W320, observou-se
acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação dur
aproximadamente 5 minutos.
so, todas as pastas formuladas com PU
estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que
menor ou igual a 0,5 lb/gal.
Micrografia obtida em MEV da pasta formulada com 25% de (NASCIMENTO, 2006).
os valores de estabilidade
ico de 15,6 lb/gal, no
os valores de densidade das pastas foram
Este fato deve-se,
mistura, formação de bolhas de ar
ração entre água e polímero.
se a formação
acentuada de bolhas, mesmo deixando a pasta em agitação durante
mantiveram-se
estáveis e não apresentaram rebaixamento de topo, uma vez que ∆ρ deve ser
PU W320
Capítulo V: Resultados e Discussão
65
1000m8%
PU
1000m0%
PU
800m8%
PU
800m0%
PU
500m8%
PU
500m0%
PU
∆ρ Fundo II I Topo0,120,33
16,02 14,68
14,3216,06
16,15 14,11
16,35 14,81
0,14 0,04
16,11 14,40
0,09 0,48
16,01 14,30
16,12 14,53
16,05 14,31
16,00 14,76
16,08 14,61
16,25 14,44 16,10 14,78
Figura 5.12 – Estabilidade das pastas formuladas
5.5 Controle de Filtrado
Os resultados encontrados nos ensaio de controle de filtrado estão
demonstrados na Figura 5.13:
0
20
40
60
80
100
Volu
me
de F
iltra
do
(ml
)
Tempo (30 min )
( 500m / 0% PU ) ( 800m / 0% PU ) ( 1000m / 0% PU )
( 500m / 8% PU ) ( 800m / 8% PU ) ( 1000m / 8% PU )
Figura 5.13 – Gráfico do volume de filtrado das pastas ensaiadas.
Os volumes de filtrado permaneceram dentro de requerido para
operações de correção, situado entre 30 e 50 mL (LIMA, 2004). Também é
Capítulo V: Resultados e Discussão
66
possível perceber que as pastas com 8% de PU W320, apesar de possuírem
cerca de 5 ou 6 vezes menos controlador de filtrado apresentam um volume de
filtrado menor ou semelhante ao das pastas sem PU. Esta redução se deu em
função do bloqueio das redes poliméricas formado pela deposição do polímero
nos espaços vazios entre os grãos de cimento, o que dificultou o fluxo da água
nas pastas de cimento (OHAMA, 1998).
Nos estudos da influencia do látex no controle de filtrado que foram
feitos por NASCIMENTO (2006) e FREITAS (2008) é comprovada a eficiência
do látex na microestrutura do cimento, resultando em excelentes volumes de
filtrados.
CAPÍTULO VI:
Conclusões
Capítulo VI: Conclusões
68
6. Conclusões
Este trabalho foi elaborado com o intuito de caracterizar sistemas de
pastas de cimento Portland com a adição de látex de poliuretano, para
utilização em poços sujeitos a injeção de vapor. O sistema Portland/poliuretano
se mostrou promissor nesse quesito, apresentando ganhos interessantes nas
pastas estudadas.
Deste estudo, concluem-se os seguintes pontos com relação às pastas
formuladas:
• A adição de PU W320 aumentou a tensão de cisalhamento e os
valores de gel inicial e final, mas permanecendo abaixo dos
valoras máximos permitidos por norma.
• A PU W320 se apresentou como um retardante no tempo de pega
da pasta cimentante, sendo necessária a utilização de um
acelerador de pega para controlar esse efeito, e adequar a pasta
à norma.
• Pôde-se observar uma diminuição na resistência compressiva em
relação às pastas formuladas sem PUW320, decorrente da
formação de uma comatriz polimerica. Esta absorve parte da
energia de fratura, promove maior deformação, aumentando a
resistência às solicitações durante ciclagem térmica, mas reduz a
resistência mecânica.
• As pastas com PU W320 apresentaram valores de densidade
bastante inferior ao valor pré-estabelecido (15,6 lb/gal), apesar
disso, todas as pastas mantiveram-se estáveis e não
apresentaram rebaixamento de topo.
• É possível perceber que as pastas com 8% de PU W320, apesar
de possuírem cerca de 5 ou 6 vezes menos controlador de filtrado
apresentam volumes de filtrado menores ou semelhantes aos das
pastas sem PU. Com isso foi possível verificar a ação de controle
no filtrado da PU.
CAPITULO VII
Sugestões para trabalhos futuros
Capítulo VII: Sugestões para Trabalhos Futuros
70
7. Sugestões para trabalhos futuros
� Estudar a influencia da poliuretana no comportamento das pastas
com a adição de sílica.
� Estudar o comportamento das pastas sob altas temperaturas e
pressões (condições HPHT).
� Averiguar a possibilidade de aplicações do sistema na indústria
da construção civil, se aproveitando de suas boas propriedades
mecânicas relacionada à energia de fratura.
� Estudar a possibilidade de aplicação em poços produtores de gás,
em função de esta pasta possuir características como redução da
porosidade e da permeabilidade, controle na perda de filtrado e
rápida formação da força gel.
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