PIRES Cascalho Cer Verm 1

5/20/2018 PIRES Cascalho Cer Verm 1

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Patrcio Jos Moreira Pires

Utilizao de Cascalho de Perfurao de Poos de

Petrleo para a Produo de Cermica Vermelha

TESE DE DOUTORADO

Tese apresentada ao Programa de Ps-graduaoem Engenharia Civil da PUC-Rio como requisitoparcial para a obteno do ttulo de Doutor emEngenharia Civil.

Orientador: Jos Tavares Araruna Jnior

Rio de Janeiro, Julho de 2009

PUC-Rio

-CertificaoDigitalN0510757/CB


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Utilizao de Cascalho de Perfurao de Poos de

Petrleo para a Produo de Cermica Vermelha

Tese apresentada ao Programa de Ps-graduao emEngenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial paraa obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Civil.Aprovada pela Comisso Examinadora abaixo assinada.

Prof. Jos Tavares Araruna JniorPresidente/Orientador

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Tcio Mauro Pereira de Campos

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Gustavo Ferreira SimesDepartamento de Engenharia Civil - UFMG

Prof. Jonas AlexandreDepartamento de Engenharia Civil - UENF

Prof. Paulo Csar de Almeida MaiaDepartamento de Engenharia Civil - UENF

Prof. Jos Eugnio LealCoordenador Setorial do Centro Tcnico Cientfico PUC-Rio

Rio de Janeiro, 03 de julho de 2009

PUC-Rio



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Todos os direitos reservados. proibida a reproduo totalou parcial do trabalho sem autorizao da universidade, doautor e do orientador.


Engenheiro Civil formado pela UFPB. Concluiu o mestradoem Engenharia Civil em 2004, com o Desenvolvimento deum sistema de Dessoro Trmica In Situpara Remediaode Materiais Contaminados por Hidrocarbonetos de Petrleopela PUC-Rio. Atua na rea de Geotecnia Ambiental comoengenheiro de pesquisas da PUC-Rio.

Ficha Catalogrfica

CDD: 624

Pires, Patrcio Jos Moreira

Utilizao de cascalho de perfurao de poos

de petrleo para a produo de cermica vermelha /

Patrcio Jos Moreira Pires ; orientador: Jos Tavares

Araruna Jnior. 2009.

173 f. ; 30 cm

Tese (Doutorado em Engenharia Civil)

Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Rio

de Janeiro, 2009.

Inclui bibliografia

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Agradecimentos

Ao Professor Araruna pela valiosa orientao deste trabalho. Meu muito obrigado

por sua amizade, confiana e pela agradvel convivncia ao longo dos ltimos

sete anos.

Ao incentivo financeiro da PUC-Rio, Petrobrs e a Agncia Nacional do Petrleo.

Aos professores Franklin Antunes e Cludio Amaral por estarem sempre presentes

e dispostos a ajudar.

Agradeo ao professor Tcio por poder utilizar da estrutura do laboratrio de

Geotecnia e Meio Ambiente no desenvolvimento deste trabalho e por sua

amizade.

Aos professores da UENF, Jonas Alexandre e Paulo Maia pela fundamental ajuda

na conduo deste trabalho.

Aos funcionrios do Laboratrio de Geotecnia e Meio Ambiente: Amaury, Josu,

Willian, David e Seu Jos.

Aos amigos das repblicas: Aelington, Laerte, Jlio Holtz, Diego Orlando, Pecin,Z Silvestre, Magnus, Anderson Rezende e Erblai. A esses meu respeito e

agradecimento pela to fundamental companhia.

Aos amigos de ps-graduao Rafael Gerard, Hugo Marcato, Saliba, Joabson,

Guilherme Slongo, Mnica, Tase, Tonho, Hugo Portocarrero, Sar, Ataliba, Ciro,

PUC-Rio



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Leonardo Bello, Michelle, lvaro, Gisele, Dbora, Patrcia Carla e Leandro.

Impossvel citar todos que igualmente tiveram sua importncia no desenvolver

deste trabalho.

Aos amigos da minha terrinha. Leonardo Andrade, Urato, Wibergson, Airton,Aroldo, Jairo Pontes, Paulo Mrcio, Reno, Luis, Junior, Messias, Jussara Sibele e

Renata. Mesmo distantes tiveram sua contribuio.

A Camilla, Gabriella, Tito Lvio e Ciro Jos, por existirem e me motivarem a ir

em frente.

A Ranieri, meu irmo e meu grande amigo e a Leda, minha doce cunhada, grandes

incentivadores deste trabalho. A vocs minha admirao e um muitssimoobrigado.

A minha querida irm Lisieux, e Tito Lvio, meu cunhado e grande amigo, pelo

acolhimento, por acreditarem e pela fora. Sem vocs no teria chegado aqui.

A Romero, meu irmo do corao e a sua esposa Tecla. Pela torcida e pelas

grandes risadas e momentos de descontrao.

Meu muitssimo obrigado a D (Neta). A sua contribuio em minha formao faz

com que voc tambm seja responsvel por mais esse degrau em minha vida.

A minha doce me Dona Terezinha. A mulher mais linda do mundo. O maior

amor da minha vida. Dizer obrigado muito pouco por tudo que a senhora e meu

pai me deram. Meu eterno agradecimento e respeito.

A Juliana, meu amor. No resta dvida que voc foi melhor parte desta pesquisa.

Obrigado pela pacincia, ajuda e companhia. A nossa estria est apenas

comeando.

A Deus por ter colocado toda essa gente em minha vida e por iluminar o meu

caminho.

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Resumo

Pires, Patrcio Jos Moreira Pires; Araruna Jr., Jose Tavares. Utilizao deCascalho de Perfurao de Poos de Petrleo para a Produo de

Cermica Vermelha. Rio de Janeiro, 2009. 173p. Tese de Doutorado Departamento de Engenharia Civil, Pontifcia Universidade Catlica do Riode Janeiro.

O presente trabalho sugere uma alternativa inovadora para o tratamento e

disposio do cascalho de perfurao, um dos mais complexos resduos da

indstria de petrleo contendo, em geral, altas taxas de sais solveis e

hidrocarbonetos. Estas caractersticas o tornam um resduo nocivo ao meio

ambiente. Neste trabalho avaliada a incorporao de cascalho de perfurao na

massa argilosa para produo de cermica vermelha. O mtodo consiste no

processamento industrial, realizado a elevadas temperaturas, a fim de se obter um

material slido, resistente e inerte. A incorporao de cascalho de perfurao na

produo de cermica vermelha apresentou-se como uma alternativa

economicamente vivel e tecnicamente segura para o tratamento e destinao final

deste resduo. Uma vez que o processo de queima, inerente a produo de peas

cermicas, encapsula e reduz a baixos teores os constituintes perigosos do

cascalho de perfurao. Os resultados obtidos neste trabalho serviram de subsdios

para a concesso de licena ambiental para utilizao da tcnica desenvolvida na

remediao de cascalho de perfurao no Estado da Bahia.

Palavras-chave

Cascalho de perfurao; encapsulamento; cermica vermelha.

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Abstract

Pires, Patrcio Jos Moreira Pires; Araruna Jr., Jose Tavares (advisor). Theuse of Drilling cutting for Red Ceramics Production . Rio de Janeiro,2009. 173p. Doctorate Thesis Departamento de engenharia Civil,Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

This thesis presents an innovative treatment technique for drilling cuttings,

one of the most complex wastes of the oil industry. This waste is considered

hazardous due to its high salt and hydrocarbons content and poses serious threats

to the environment. The treatment process involves the incorporation of drilling

cuttings to the clayey soil mass used for making bricks. It consists on applying

high temperatures, over 8000C, to the clayey soil mass in order to obtain a solid,

resistant and inert material. The results of the experimental programme have

shown that this innovative process is technical safe and economical viable. As a

result, Petrobras obtained an environmental license in the city of Mata de So

Joo , State of Bahia, to produce in a large scale red bricks using drilling cuttings

incorporated to the clayey soil mass.

KeywordsDrilling cutting; solidification/stabilization; red ceramic.

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Sumrio

1.Introduo 19

1.1. Organizao da tese 21

2 Reviso Bibliogrfica 23

2.1. A perfurao de poos de petrleo 23

2.1.1. Um sistema de fora 24

2.1.2. Sistema de suspenso 25

2.1.3. Sistema rotativo 26

2.1.4. Sistema de circulao 26

2.2. Fluido de perfurao 27

2.2.1. Os fluidos de perfurao base de gua 28

2.2.2. Os fluidos de perfurao base de leo 29

2.2.3. Os fluidos de perfurao sintticos 30

2.3. Cascalho de perfurao 30

2.3.1. Propriedades fsicas e mineralgicas 31

2.3.2. Propriedades qumicas 33

2.3.3. Tcnicas utilizadas na disposio e tratamento do cascalho de

perfurao 36

2.4. Incorporao de resduos na produo de cermica vermelha 43

3 Programa Experimental - Coleta e Caracterizao dos Materiais 50

3.1. Trabalho de campo coleta de materiais 51

3.1.1. Primeira Etapa - Materiais provenientes do Recncavo Baiano

para produo de peas cermicas 51

3.1.2. Segunda Etapa - Materiais provenientes de Alagoas e Sergipe

para produo de peas cermicas 54

3.1.3. Terceira Etapa Material do Recncavo Baiano para teste de

degradao acelerada 58

3.1.4. Quarta Etapa Material do Recncavo Baiano para

incorporao em pavimentos. 59

3.1.5. Resumo dos materiais estudados 60

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3.2. Caracterizao dos materiais destinados a produo de peas

cermicas 61

3.2.1. Caracterizao fsica 62

3.2.2. Caracterizao Qumica 66

3.2.3. Caracterizao mineralgica 73

4 Programa Experimental Produo de Cermica Vermelha 74

4.1. Metodologia para modelagem das peas cermicas 74

4.2. Propriedades tecnolgicas 76

4.2.1. Absoro de gua 76

4.2.2. Porosidade aparente 77

4.2.3. Retrao linear 77

4.2.4. Massa especfica aparente 784.2.5. Tenso de ruptura flexo 78

4.3. Modelagem das peas cermicas 79

4.3.1. Peas confeccionadas com materiais do Recncavo Baiano 79

4.3.2. Peas confeccionadas com materiais de Alagoas e Sergipe 81

4.3.3. Propriedades tecnolgicas das peas confeccionadas 82

4.3.4. Comparativo dos resultados obtidos com dados da Indstria

Cermica 88

4.3.5. Classificao de resduos NBR-10.004. 90

4.3.6. Degradao acelerada das peas cermicas para avaliao de

sua durabilidade 93

4.3.7. Teste de Queima 102

5 Concluses e Sugestes 107

5.1. Concluses 107

5.2. Sugestes 109

Referncias Bibliogrficas 110

I Anexo 116

I.I. Resultados das anlises do extrato lixiviado e solubilizado para os

cascalhos de perfurao utilizados. 116

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I.II. Resultados das anlises do extrato lixiviado e solubilizado para

os solo utlizados. 130

I.III. Resultados das anlises do extrato lixiviado e solubilizado para

as peas cermicas incorporadas com cascalho de perfurao 137

II Anexo 164

II.I. Difratogramas 164

III Anexo 172

Licena de operao para produo de cermica vermelha com

incorporao de cascalho de perfurao a massa argilosa. 172

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Lista de Figuras

Figura 1 1 Dique de armazenamento temporrio no Campo deCarmpolis (SE) 20

Figura 2 1 Sonda 108 da Petrobras em operao no Recncavo

Baiano. 24

Figura 2 2 Desenho esquemtico de uma sonda rotativa, (Thomas,

2001). 25

Figura 2 3 Cascalho de perfurao estocado aps processo de

perfurao do poo MG-112, Campo de Miranga, Pojuca-Ba. 32

Figura 2 4 Composio mineralgica do Cascalho do Mar Vermelho

(Al-Ansary et al. 2007). 32

Figura 2 5 Central de Resduos do Alto Jeric - Sergipe. 37

Figura 2 6 Sistema de controle de slidos da MI-Swaco. 38

Figura 2 7 - Cascalho de perfurao produzido aps o processo de

recuperao do fluido de perfurao. 39

Figura 2 8 Fase lquida destilada do cascalho de perfurao. 39

Figura 2 9 Aterro controlado de Mabruk, Lbia (Morillon, 2002). 40

Figura 2 10 Grfico de percentagem de substituio da areia por

cascalho de perfurao versus resistncia a compresso uniaxial

simples e perca de resistncia de peas cermicas. Chen (2007). 41

Figura 2 11 - Peas cermicas produzidas por Chen (2007). 42

Figura 2 12 Resultados de degradao de peas cermicas

incorporadas com resduo de granito (Xavier, 2005). 45

Figura 2 13 Tenso de ruptura a flexo para peas cermicas

incorporadas com resduo galvnicas. Balaton et al.(2002). 48

Figura 3 1 Dique de disposio do cascalho de perfurao do poo

FGA 2. 51

Figura 3 2 - Detalhe da explorao na Cermica FEDERBA. 52

Figura 3 3 - Matria-prima da cermica FEDERBA. 53

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Figura 3 4 - Talude de corte onde foram coletadas as amostras de

solos argilosos. 54

Figura 3 5 - Dique de armazenamento de cascalho de perfurao no

Campo de Carmpolis - SE. 55

Figura 3 6 - Depsito de matria prima na Cermica INCELT. 56Figura 3 7 - Coleta de amostra na Cermica INCELT. 57

Figura 3 8 - Vista do Poo ANB-03. 57

Figura 3 9 - Depsito de material argiloso. 58

Figura 3 10 Jazida no Municpio de Candeias Formao Barreiras. 59

Figura 3 11 Escria de Aciaria (CST,2009). 60

Figura 3 12 - Organograma das fases de caracterizao dos materiais 62

Figura 3 13 Curvas de distribuio granulomtrica dos materiais

provenientes do Recncavo Baiano. 63Figura 3 14 Curvas de distribuio granulomtrica dos materiais

provenientes de Alagoas e Sergipe. 64

Figura 4 1 - Preparao, moldagem e queima de peas cermicas. 75

Figura 4 2 Peas aps processo de secagem, Materiais Santo

Amaro Verde e Vermelho. 80

Figura 4 3 Peas aps processo de queima, Materiais Santo Amaro

Verde e Vermelho. 80

Figura 4 4 Peas aps processo de secagem e queima, Material

FEDERBA. 81

Figura 4 5 Peas aps a queima confeccionadas com materiais de

INCELT e Bandeira. 82

Figura 4 6 - Prensa servo-controlada INSTRON modelo 5500R. 85

Figura 4 7 Ensaio de tenso de ruptura a flexo das peas cermicas.85

Figura 4 8 Grfico de Tenso de ruptura a flexo versus

deslocamento Material FEDERBA. 87


deslocamento Material Bandeira. 87


deslocamento Material INCELT. 88

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Figura 4 11 Equipamento de Degradao da UENF. Laboratrio de

engenharia Civil LECIV. 94

Figura 4 12 Amostras dentro da cmara de degradao. 95

Figura 4 13 Distribuio das propriedades tecnologias das peas

cermicas produzidas com o material FEDERBA aps processo dedegradao. 97

Figura 4 14 Histogramas de tenso de ruptura a flexo das peas

cermicas. 98

Figura 4 15 Histogramas da porosidade das peas cermicas. 99

Figura 4 16 Histogramas da absoro de gua das peas

cermicas. 100

Figura 4 17 Histograma da massa especfica aparente das peas

cermicas. 101Figura 4 18 - Estrutura do 2,3,7,8 tetraclorodibenzodioxina e furano 103

Figura 4 19 Sistema instalado para teste de queima. 103

Figura 4 20 Resina XAD-2 para amostragem de Dioxina e Furanos. 104

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Lista de Tabelas

Tabela 2 1 Composio Qumica do Cascalho de Perfurao

produzido no Mar do Norte (Page et al., 2003). 34Tabela 2 2 Comparao entre o cascalho produzido no Mar do norte

e no Mar Vermelho Al-Ansary et al. ( 2007). 35

Tabela 2 3 Valores determinados no extrato solubilizado por Alves

et al. (2005). 46

Tabela 3 1 Materiais coletados no Recncavo Baiano e nos estados

de Alagoas e Sergipe 60

Tabela 3 2 Densidade dos Gros dos Materiais Estudados 63

Tabela 3 3 - Quadro de distribuio granulomtrica dos materiais

estudados. 64

Tabela 3 4 - Limites de Consistncia 65

Tabela 3 5 Classificao dos solos estudados 66

Tabela 3 6 - Valores de pH 67

Tabela 3 7 Composio qumica dos materiais provenientes do

Recncavo Baiano. 67

Tabela 3 8 - Composio qumica dos materiais provenientes de

Alagoas e Sergipe. 68

Tabela 3 9 Compostos extrados no Extrato Sulfrico (g/kg) 69

Tabela 3 10 - Resultado dos ensaios de complexo sortivo. 70

Tabela 3 11 - Dados de percentagem de saturao de bases e

percentagem de saturao com alumnio para os materiais estudados 70

Tabela 3 12 - Resultado do ensaio de Sais solveis. 71

Tabela 3 13 Resumos dos parmetros com valores acima do valor

mximo permitido. 72

Tabela 3 14 Resumos dos parmetros com valores acima do valor

mximo permitido. 73

Tabela 3 15 - Caracterizao mineralgica 73

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Tabela 4 1 Peas cermicas confeccionadas. 79

Tabela 4 2 Valores Obtidos nas Determinaes dos Parmetros

Fsicos das Peas Cermicas. 83

Tabela 4 3 Desvios Padres das Determinaes dos Parmetros

Fsicos das Peas Cermicas. 84Tabela 4 4 - Valores de Tenso de Ruptura a Flexo das Peas

Cermicas. 86

Tabela 4 5 Comparativo dos resultados obtidos com as principais

propriedades tecnolgicas do processamento cermico Industrial

Peas confeccionadas com o material FEDERBA. 89

Tabela 4 6 Comparativo dos resultados obtidos com as principais


Peas confeccionadas com o material Bandeira. 89Tabela 4 7 Comparativo dos resultados obtidos com as principais


Peas confeccionadas com o Material INCELT. 90

Tabela 4 8 - Valores obtidos no extrato solubilizado que suplantaram

o valor mximo permitido. 91

Tabela 4 9 Comparativo entre os valores determinados para o

material FEDERBA, cascalho de perfurao e peas cermicas

produzidas. 92

Tabela 4 10 - Comparativo entre os valores determinados para o

material INCELT, cascalho de perfurao e peas cermicas

produzidas. 92

Tabela 4 11 - Comparativo entre os valores determinados para o

material Bandeira, cascalho de perfurao e peas cermicas

produzidas. 93

Tabela 4 12 Propriedades Tecnolgicas das Peas Cermicas

produzidas com o material FEDERBA 96

Tabela 4 13 - Propriedades Tecnolgicas das Peas Cermicas

produzidas com o material FEDERBA puro aps processo de

degradao 96

Tabela 4 14 - Tenso de ruptura a flexo antes e aps processo de

degradao 98

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Tabela 4 15 - Porosidade antes e aps processo de degradao 99

Tabela 4 16 - Absoro antes e aps processo de degradao 100

Tabela 4 17 - Massa especfica aparente antes e aps processo de

degradao 101

Tabela 4 18 Valores da concentrao de dioxinas e furanosdeterminados no teste de queima 105

Tabela I 1 Anlise de lixiviao do Cascalho de perfurao 129. 116

Tabela I 2 - Anlise de solubilizao do Cascalho de perfurao 129. 118

Tabela I 3 Anlise de lixiviao do Cascalho de perfurao 1459. 119

Tabela I 4 - Anlise de solubilizao do Cascalho de perfurao 1459. 121

Tabela I 5 - Anlise de lixiviao do Cascalho de perfurao 223D. 122

Tabela I 6 - Anlise de solubilizao do Cascalho de perfurao223D. 124

Tabela I 7 - Anlise de lixiviao do Cascalho de perfurao ANB 03. 125

Tabela I 8 - Anlise de solubilizao do Cascalho de perfurao

ANB 03. 127

Tabela I 9 - Anlise de solubilizao do Cascalho de perfurao

CP 01 129

Tabela I 10 - Anlise de lixiviao do Solo INCELT. 130

Tabela I 11 Anlise de solubilizao do Solo INCELT 132

Tabela I 12 - Anlise de lixiviao do Solo Bandeira. 133

Tabela I 13 Anlise de solubilizao do Solo INCELT 135

Tabela I 14- Anlise de solubilizao do Solo FEDERBA. 136

Tabela I 15 - Anlise de lixiviao das peas cermicas

produzidas com 30% de CP01 e solo FEDERBA. 137

Tabela I 16 Anlise de solubilizao das peas cermicas

produzidas com 30% de CP01 e solo FEDERBA. 138

Tabela I 17 Anlise de lixiviao das peas cermicas

produzidas com 05% de CP 129 e solo INCELT. 139


produzidas produzidas com 05% de CP 129 e solo INCELT. 141

Tabela I 19 Anlise de lixiviao das peas cermicas produzidas

com 10% de CP 129 e solo INCELT. 142

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produzidas produzidas com 10% de CP 129 e solo INCELT. 144



Tabela I 22 Anlise de solubilizao das peas cermicasproduzidas com 05% de CP 1549 e solo INCELT. 147




produzidas com 10% de CP 1549 e solo INCELT. 150


com 05% de CP ANB e solo Bandeira. 151

Tabela I 26 Anlise de solubilizao das peas cermicasproduzidas com 05% de CP ANB e solo Bandeira. 153


com 10% de CP ANB e solo Bandeira. 154


produzidas com 10% de CP ANB e solo Bandeira. 156


com 05% de CP 223D e solo Bandeira. 157


produzidas com 05% de CP 223D e solo Bandeira. 159


com 10% de CP 223D e solo Bandeira. 160


produzidas com 10% de CP 223D e solo Bandeira. 162

Tabela I 33 Anlise de dioxinas e furanos realizado na resina XAD

Teste de queima realizado para as peas produzidas com o solo

FEDERBA incorporado de cascalho de perfurao CP 01-. 163

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