Enahpe 2019 - 063 ENAHPE 2019 – Encontro Nacional de Construção de Poços de Petróleo e Gás
Serra Negra – SP, 19 a 22 de Agosto de 2019
Fluidos viscoelásticos para mitigação da perda de
circulação: Um estudo reológico e numérico
F.A. Tapias Hernández1*, K. J. Clinckspoor2*, Walter L.F. Antelo3*, Rosangela B.Z.L. Moreno4*
* Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Energia, Rua Mendeleyev 200, Campinas, São Paulo,
Brasil, CEP 13083-860. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo Este trabalho apresenta um estudo reológico de diferentes formulações de fluidos viscoelásticos base água
(FBA) como soluções para a perda de circulação. As formulações propostas baseiam-se em duas abordagens, a saber,
estruturas supramoleculares conhecidas como micelas gigantes, com e sem nanopartículas, crosslinking entre
polímeros comerciais sintéticos e biopolímeros. Os fluidos de teste foram preparados em salmouras saturadas com
NaCl, pH entre 9 – 10. Testes reológicos oscilatórios e curvas de fluxo em três temperaturas diferentes foram
realizados. O comportamento reológico do fluido foi aproximado ao do modelo de Herschel-Bulkley e o ajuste foi
usado como dado de entrada em um modelo numérico bidimensional que assume fluxo laminar na fratura. Uma
análise de sensibilidade foi realizada visando prever o raio de invasão atingido com as novas formulações em função
da espessura da fratura e diferencial de pressão, em comparação com o comportamento exibido por um FBA
usualmente empregado pela Petrobras. No caso das soluções compostas por micelas gigantes foi possível observar
um patamar Newtoniano maior até taxas de cisalhamento mais altas e também para temperaturas mais elevadas, isto
é, a taxa de início do regime pseudoplástico aumenta. Por outro lado, a presença de nanopartículas de sílica
melhoraram o comportamento reológico das micelas gigantes devido a sua atuação como agente de pseudo-
crosslinking nesses sistemas. As soluções de crosslinking de polímeros compostas por polímeros sintéticos e
biopolímeros comerciais foram avaliadas reologicamente a fim de avaliar a ação dos íons metálicos empregados
como agentes de crosslinking, bem como o efeito da concentração destes íons no comportamento do fluido de teste.
Comparando a eficácia dos cátions de Cr+3 e Fe+3 foi possível concluir que o cromo gera uma tensão limite de
escoamento maior. Finalmente, a perda de circulação foi estimada com base no comportamento reológico das
formulações propostas. De acordo com os resultados, os fluidos baseados em micelas gigantes e nanopartículas, e
sujeitos a temperaturas inferiores a 40°C, poderiam mitigar a perda de circulação em fraturas com até 5 mm de
espessura e um diferencial de pressão até 500 psi. Já, as formulações com crosslinking poderiam ser consideradas
como mitigadores de perda de circulação sob tais condições em temperaturas até 60°C.
1. Introdução A descoberta de grandes reservas de petróleo e gás no
pré-sal Brasileiro tem motivado a continua melhora das
operações de perfuração, sendo necessário desenvolver
novas tecnologias e práticas operacionais. O pré-sal
brasileiro é um reservatório de rochas carbonáticas
altamente heterogêneo, localizado abaixo de 2000
metros da capa de sal, com um conteúdo variável de
CO2 e fluidos com um gradiente composicional em
função da profundidade [1]. As perfurações conduzidas
pela Petrobras nas bacias brasileiras têm atingido
profundidades até 7000 metros em condições extremas
[2]. Devido a isso, diferentes desafios têm se
apresentado, tais como, reservatórios depletados, capas
de sub-sal, pré-sal, e reservatórios naturalmente
fraturados.
Os fluidos de perfuração usados para perfurar zonas de
sal precisam ser customizados cuidadosamente visando
prevenir o colapso da parede do poço, evitar torques
altos, reduzir a dissolução de sal, desvios da trajetória,
colapso do casing e especialmente, evitar a perda do
poço [3]. Outro importante desafio a ser superado ou
minimizado nesse tipo de reservatório é a perda de
circulação, situação na qual a quantidade de fluido que
retorna do poço é menor que a quantidade de fluido
bombeada durante a perfuração [4] em operações
sobre-balanceadas. Além dos riscos técnicos
mencionados acima, a perda de circulação gera
impactos econômicos devido ao aumento do tempo
improdutivo, adição de custos imprevistos devido aos
fluidos perdidos e tratamento utilizado para minimizar
ou mitigar o problema.
Existem duas soluções principais para combater a
perda de circulação. A primeira delas e mais
comumente usada é o uso de material sólido particulado
(LCMs-Lost Circulation Materials) tais como grafite
sintético, carbonato de cálcio, micas, gilsonita e fibras.
A segunda solução é baseada em fluidos sem alto
conteúdo de sólidos cujo mecanismo de combate à
perda de circulação é a regulagem da viscosidade,
projeto da tensão limite de escoamento, fluidos
espessantes, entre outros [5].
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Este trabalho visa o estudo reológico de diferentes
formulações de fluidos viscoelásticos base água (FBA)
como soluções para a perda de circulação. As
formulações propostas baseiam-se em duas abordagens
diferentes. Primeiro, são consideradas as estruturas
supramoleculares conhecidas como micelas gigantes,
com e sem nanopartículas, crosslinking de polímeros
comerciais sintéticos (Poliacrilamida parcialmente
Hidrolisada - HPAM) e biopolímero (HEC -
Hidroxietilcelulose). O comportamento reológico do
fluido foi aproximado ao do modelo de Herschel-
Bulkley e o ajuste foi usado como dado de entrada em
um modelo de previsão de perda de circulação
bidimensional que assume fluxo laminar numa fratura
infinita [6]. Uma análise de sensibilidade foi realizada
visando conhecer o volume da perda e prever o raio de
invasão atingido em função da espessura da fratura com
as formulações propostas neste trabalho, em
comparação com o comportamento exibido por um
FBA usualmente empregado pela Petrobras.
2. Marco teórico Durante a perfuração de um poço, os fluidos
empregados têm tido os seguintes propósitos: servir
como um veículo para a remoção de cascalhos do poço,
resfriar e limpar a broca, reduzir o atrito entre a coluna
de perfuração e as paredes do poço, manter a
estabilidade das seções não revestidas do poço,
prevenir a entrada de fluidos a partir das rochas
permeáveis penetradas, formar um reboco fino, entre
outras [7].
O projeto dos fluidos viscoelásticos propostos neste
estudo fundamenta-se em avaliar reologicamente
fluidos capazes de desenvolver uma alta tensão de
escoamento em função de variáveis, tais como, tensão
taxa de cisalhamento, temperatura ou pH.
A seguir, apresenta-se brevemente conceitos
essenciais para o correto entendimento deste trabalho.
2.1. Classificação de perdas de circulação As perdas de fluido de perfuração são classificadas
segundo a vazão volumétrica perdida, parâmetro
associado à severidade do problema [4].
Perda menor: taxa de perda menor que 10
barris por hora (bbl/h);
Perda parcial: 10 – 100 bbl/h;
Perda severa: maior que 100 bbl/h;
Perda total: Fluido não retorna à superfície.
Perdas severas e totais em reservatórios
naturalmente fraturados no oriente médio [8] e em
poços offshore no leste da África [9] tem sido
reportadas. Além disso, tem-se evidências de perdas
severas em reservatórios carbonáticos offshore no golfo
de México [10]. Esses eventos têm gerado impactos
econômicos entre 10% e 20% do preço total em poços
exploratórios e de produção, respectivamente [11].
Geralmente, um terço dos poços perfurados pela
Petrobras apresentam perda de circulação [12].
Os sistemas de controle de perda baseados no
comportamento reológico dos fluidos devem atender
alguns critérios principais de desempenho para serem
considerados eficientes. A solução deve ser capaz de:
1) manter suas propriedades sob pressão; 2) minimizar
a invasão de fluido para a formação; 3) possibilitar a
remoção do fluido invasor, de forma a minimizar o
dano à formação.
Normalmente, estas soluções são usadas como
pílulas de controle que são bombeadas até a zona que
requer controle temporário [13]. Esse tipo de sistemas
constituem um desafio na indústria do petróleo, pois
exigem estudos detalhados visando superar
dificuldades como o tempo de reação e a dinâmica
apropriada de injeção dos fluidos até o ponto alvo.
2.2. Caracterização reológica A representação gráfica entre a tensão e a taxa de
cisalhamento é conhecida como curva de fluxo (Figura
1). A equação de fluxo correspondente a cada curva é
apresentada na Tabela 1.
Figura 1 Curvas de fluxo e diferentes tipos de fluidos. [14]
Tabela 1 Equações de fluxo dos diferentes tipos de fluidos
Tipo de fluido Equação de fluxo Observação
Dilatante 𝜏 = 𝐾(�̇�)𝑛 n > 1
Newtoniano 𝜏 = 𝜇�̇�
Pseudoplástico 𝜏 = 𝐾(�̇�)𝑛 n < 1
Dilatante com tensão
limite de escoamento 𝜏 = 𝜏0 +𝐾(�̇�)𝑛 n > 1
Plástico de Bingham 𝜏 = 𝜏0 + 𝑉𝑝�̇�
Pseudoplástico com
tensão limite de
escoamento ou
Herschel-Bulkley
𝜏 = 𝜏0 +𝐾(�̇�)𝑛 n < 1
Na Tabela 1, K é o índice de consistência, n é o índice
de comportamento, μ é a viscosidade dinâmica, Vp é a
viscosidade plástica, e 𝜏0 é a tensão limite de
escoamento.
A tensão limite de escoamento é a tensão mínima
suficiente que tem que ser aplicada para romper a
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estrutura em gel dos materiais e iniciar o escoamento.
A viscosidade de um fluido é a medida da resistência
ao escoamento desse fluido. Essa resistência é o
resultado do atrito das espécies constituintes e é
proporcional ao gradiente de velocidade entre elas.
Uma representação típica da relação entre a viscosidade
aparente (η) e a taxa de cisalhamento para soluções
poliméricas é apresentada na Figura 2. Pode-se
observar que a curva de fluxo possui três regiões
distintas. Em taxas de cisalhamento suficientemente
baixas, a viscosidade atinge um patamar conhecido
como viscosidade na taxa de cisalhamento zero (𝜂0). À
medida que a taxa de cisalhamento atinge um valor
crítico (�̇�𝑐), a viscosidade começa a cair e o
comportamento do fluido muda de Newtoniano para
pseudoplástico. Para taxas de cisalhamento muito
elevadas, um segundo patamar de viscosidade é obtido,
semelhante à viscosidade do solvente. Este segundo
patamar é referido como viscosidade na taxa de
cisalhamento infinita (𝜂∞).
Figura 2 Comportamento de fluidos pseudoplástico [15]
2.2. Micelas gigantes Micelas gigantes referem-se a soluções de surfactante
(moléculas anfifílicas) cuja concentração é maior que
uma dada quantidade, chamada de concentração
micelar crítica (cmc) [16]. Estas condições resultam na
formação de diferentes estruturas moleculares com
características diversas. Fatores como a concentração
do surfactante, a adição de outros componentes, a força
iônica e a temperatura do meio determinam as possíveis
morfologias dos agregados, os quais podem se
apresentar como micelas esféricas ou até fases
estruturalmente mais complexas, tais como, bastões,
lamelas e vesículas [17]. A micela gigante (Fig. 3), ou
alongada (wormlike micelles -WLM), é um tipo de
agregado gerado a partir da adição de uma espécie,
chamada cossoluto, capaz de alterar o empacotamento
crítico (cpp) do surfactante através do posicionamento
entre os grupos polares [18]. Este mecanismo permite
que o agregado cresça unidimensionalmente, gerando
estruturas com altos valores de razão aspecto [19].
Figura 3 Representação esquemática do processo de
formação de uma micela gigante [19].
As micelas gigantes exibem um comportamento
reológico análogo ao dos polímeros lineares, porém
com a característica adicional de serem agregados
reversíveis, o que permite chamá-los de polímeros
vivos – living polymers [20]. Adicionalmente, estas
estruturas exibem um comportamento viscoelástico
excepcional no regime semidiluído devido ao
emaranhamento das cadeias. O módulo de
armazenamento (G’), também chamado módulo
elástico, está relacionado com a lei de Hooke [15] e
associado com a memória ou elasticidade da solução
micelar. Ou seja, G’ determina como o material retorna
à sua configuração inicial. Por outro lado, as mudanças
geradas no módulo de perda (G’’) [21], também
chamado de módulo viscoso, proporcionam
informações sobre as propriedades viscosas da solução.
Se G’ e G’’ existem simultaneamente e são
horizontalmente paralelas durante um teste de
varredura de amplitude, pode-se afirmar que o material
possui uma região viscoelástica linear (LVR) [22].
As micelas gigantes têm sido amplamente usadas
em produtos da indústria cosmética e farmacêutica,
empregando surfactantes que contêm grupos
etoxilados, amônio quaternário ou carboxilatos, devido
à sua natureza não contaminante e biodegradável [23].
As aplicações desses sistemas supramoleculares na
indústria do petróleo estão principalmente relacionadas
ao faturamento hidráulico [24] e à recuperação
avançada de petróleo [25]. Devido às propriedades
elásticas e viscosas excepcionais, as micelas gigantes
são consideradas alvo de estudo neste trabalho visando
avaliar sua possível contribuição no combate à perda de
circulação.
2.3. Polímeros reticulados (Crosslinking) Os polímeros podem ser classificados estruturalmente
como termoplásticos e termofixos (ou termorrígidos).
No primeiro caso, as cadeias da macromolécula têm um
tamanho microscopicamente finito, ou seja, os
polímeros termoplásticos são caracterizados como
sequências em série de unidades monoméricas, tendo
início e fim. No caso dos polímeros termofixos,
também denominados reticulados, os mesmos possuem
tamanho microscopicamente infinito, sendo
caracterizados por uma rede tridimensional formada
η0
η∞
log η
log
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pela união de vários segmentos de cadeia. Em contato
com solventes, esses polímeros sofrem um processo de
inchamento (intumescimento) produzindo géis de
polímero-solvente. O grau desse intumescimento
depende da interação polímero-solvente e do grau de
reticulação do polímero [26].
A principal vantagem desde sistemas baseia-se na
possibilidade de induzir o crosslinking no ponto alvo
através da modificação de variáveis que impactam
diretamente na cinética molecular, tais como,
temperatura, pH, pressão, cisalhamento, entre outras.
Sistemas reticulados conformados por polímeros
sintéticos e biopolímeros tem sido usados para perfurar
formações altamente heterogêneas ou como tratamento
para o gerenciamento da produção de água na indústria
petroleira [5], [27]–[33]. A maioria destes trabalhos
refere-se a sistemas reticulados através de misturas de
polímeros aniônicos com sais de metais de transição
com alta carga, por exemplo, Fe3+, Cr3+ ou Zr4+. Estas
espécies são altamente deficientes em elétrons,
sofrendo atração forte por múltiplos grupos
negativamente carregados. Dessa maneira, os metais de
transição servem de pontos de ancoragem através de
coordenação, para que diversas cadeias vizinhas
fiquem presas, dando origem à rede tridimensional.
2.4. Modelagem numérica Um modelo [6] de previsão de perda circulação num
sistema radial conformado por um poço de raio (rw) e
uma fratura infinita de espessura (w) foi usado neste
estudo (Equação 1). O modelo numérico considera que
o fluido se comporta como um fluido de Herschel-
Bulkley. As equações do modelo foram obtidas
baseando-se nos princípios de conservação de massa e
momento linear para o fluido, e diferencial de pressão
(∆𝑝) de interesse. O uso desse modelo permite
determinar o raio de invasão (rf), a quantidade de fluido
perdido e o tempo da perda.
(1)
3. Metodologia O trabalho foi divido em duas partes. A primeira
corresponde à parte experimental incluindo a
preparação de fluidos e posterior analise reológica. A
segunda parte abrange a aplicação do modelo de
previsão de perda de circulação escolhido. Em seguida,
a parte experimental é abordada com maior detalhe.
3.1. Materiais Para a execução deste trabalho, foram utilizados os
seguintes materiais: cloreto de sódio com pureza > 99%
(CAS 7647-14-5), goma xantana (CAS 11138-66-2),
óxido de magnésio, pureza > 98% (CAS 1309-48-4),
brometo de cetiltrimetilamônio (CAS 57-09-0),
salicilato de sódio, pureza > 99,5% (CAS 54-21-7) e
nanopartículas de Sílica, pureza 99.8% (CAS 112945-
52-5), todos adquiridos da Sigma Aldrich. Também
foram utilizados o Liovac 4260 e Liocide 35,
fornecidos pela Miracema – Nuodex, e o hidroxipropil
amido e carbonato de cálcio, fornecidos pela Petrobras.
3.2. Preparação dos fluidos
Inicialmente, um fluido base água sugerido pela
Petrobras (Tabela 2) foi preparado seguindo a norma
API 13B-1. Os demais fluidos foram preparados em
salmoura sintética de NaCl 110 lb/bbl.
Tabela 2 Composição do fluido base água
Fluido Base Água Concentração Unidade
Agua Industrial QSP
NaCl 110 lb/bbl
Goma Xantana 1.5 lb/bbl
Hidroxipropil amido 8 lb/bbl
Óxido de Magnésio 1.5 lb/bbl
Liovac 4260 2 %v/v
Liocide 35 0.5 lb/bbl
Carbonato de Cálcio QSP/9.5 ppg
Fonte: Petrobras
As soluções micelares a base de brometo de
cetiltrimetilamônio (CTAB) foram preparadas usando
um agitador magnético visando reduzir a produção de
espuma durante a preparação. Posteriormente, com
base nas concentrações de CTAB testadas, foi
escolhida a concentração necessária para obter um
fluido com comportamento reológico similar ao fluido
base água. Além disso, foi testado o efeito de
nanopartículas de sílica em três concentrações, de 0,1,
0,5 e 1,0 % mássica (wt), e o efeito do cossoluto
salicilato de sódio (NaSal).
Duas formulações de polímeros reticulados foram
preparadas conforme descrição a seguir.
A primeira delas composta por 8000 ppm de HPAM
6030S e 4000 ppm hidroxipropilamido (HPA) e
reticulada com uma solução de salmoura sintética e
uma concentração de Cr3+ apropriada para que a
proporção molar de grupos acrilato do HPAM e Cr3+
fosse aproximadamente 3 [29]. Duas misturas desses
fluidos foram testadas numa proporção volumétrica de
50/50 e 75/25.
A segunda formulação de polímero reticulado
consistiu de uma solução composta por HEC,
persulfato de amônio (APS), ácido acrílico (AA) e
cloreto de ferro (III) visando produzir um hidrogel de
alta resistência mecânica a partir da combinação de
duas formulações (fluido A + fluido B), conforme a
formulação apresentada por Hussain et. al. [34].
Na Tabela 3 são apresentadas as formulações, as
condições e os testes conduzidos.
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Tabela 3 Teste Reológicos conduzidos.
Formulação Tempe
ratura
Tipo de
Teste
F1 Fluido base água 25,40,60 CF*
F2 CTAB 25 mM 25,40,60 CF OSC
F3 CTAB 35 mM 25,40,60 CF OSC
F4 CTAB 50 mM 25,40,60 CF OSC
F5 CTAB 75 mM 25,40,60 CF OSC
F6 CTAB 100 mM 25,40,60 CF OSC
F7 CTAB 35 mM - NaSal
2.5 25,40,60 CF OSC
F8 CTAB 35 mM - SiO2
0.1 wt 25,40,60 CF OSC
F9 CTAB 35 mM - SiO2
0.5 wt 25,40,60 CF OSC
F10 CTAB 35 mM - SiO2
1 wt 25,40,60 CF OSC
F11 CTAB 35 mM - -
NaSal - SiO2 0.1 wt 25,40,60 CF OSC
F12 CTAB 35 mM - -
NaSal - SiO2 0.5 wt 25,40,60 CF OSC
F13 CTAB 35 mM - -
NaSal - SiO2 1 wt 25,40,60 CF OSC
F14 (HEC-AA) + (APS -
Fe3+) 25 CF
F15 (HPAM - HPA) +
Cr3+ (50/50) 25 CF
F16 (HPAM - HPA) +
Cr3+ (75/25) 25,60 CF
CF*: Curva de Fluxo, OSC: Teste oscilatório.
3.2. Caracterização Reológica Os parâmetros reológicos e viscoelásticos foram
medidos com o reômetro HAAKE MARS III. Os
rotores usados foram os cilindros concêntricos (Z41) e
placa-placa (P35), de acordo com os valores de
viscosidade observados. As curvas de fluxo foram
adquiridas em taxas de cisalhamento entre 10-1 e
103 s-1 com 20 pontos de medição. Essas curvas de
fluxo foram utilizadas para a avaliação da viscosidade
aparente, tensão limite de escoamento e efeitos da
temperatura. O comportamento viscoelástico das
soluções baseadas em micelas gigantes foram
estudados por meio de testes de varredura de amplitude
(AST – amplitude sweep tests) entre 0.001 – 100 [Pa]
visando escolher uma tensão que estivesse dentro da
LVR. Posteriormente, foi conduzida a varredura de
frequência (FST – Frequency sweep tests) entre 0.01 –
10 Hz. No caso das WLM, as medidas foram
conduzidas em três temperaturas 25, 40 e 60 °C. No
caso das soluções de polímero reticulado, as medidas
foram conduzidas a 25°C e a solução mais promissora
foi testada a 60°C.
4. Resultados e discussão
4.1 Curvas de fluxo Nesta seção são apresentados os resultados da
caracterização reológica dos sistemas moleculares de
interesse. Em todos os gráficos das Figuras 5.a, 6.a e
7.a, os resultados obtidos para as formulações F2 a F6
e F14 a F16 foram comparadas com os resultados da
formulação F1 (região azul sombreada) para os limites
de temperatura de interesse. Na Fig. 5.b, 6.b e 7.b são
apresentados os resultados dos efeitos do NaSal e do
SiO2 na formulação com CTAB 35mM (F7 a F13).
É possível afirmar que todos os sistemas
apresentaram um comportamento pseudoplástico nas
temperaturas testadas. O fato de usar uma salmoura
saturada de NaCl (concentração maior que 300.000
ppm) favorece a formação de micelas gigantes quando
o CTAB é adicionado à solução. Devido à blindagem
das cargas superficiais da micela de CTAB, ocorre uma
alteração do cpp, diminuindo a curvatura do agregado,
levando ao crescimento micelar.
Nas Figura 6.a , 7.a e 8.a observa-se que o patamar
Newtoniano nas soluções com estruturas
supramoleculares (F2 a F6) estende-se até taxas de
cisalhamento maiores e diminui com o aumento da
concentração de CTAB, já que a quantidade de solvente
em solução é maior e portanto, afasta-se do regime
semidiluído das micelas. Isso indica que esses efeitos
resultam em uma relaxação micelar mais rápida.
Com base na análise de sensibilidade da
concentração de CTAB, foi escolhida uma
concentração de 35 mM como referência para
prosseguir com estudo da influência das
nanopartículas. Esta concentração de CTAB também
for escolhida com base no fato da formulação
apresentar viscosidade dentro da faixa do FBA. A
presença desse nano-material gerou um efeito deletério
na viscosidade do material, que se acentuou quando a
concentração de SiO2 atingiu 1 %wt.
O NaSal foi escolhido como cossoluto a ser
adicionado na solução de CTAB inicial devido à
capacidade de penetrar na paliçada micelar,
neutralizando as cargas e afetando o empacotamento,
favorecendo o crescimento micelar [35]. A
concentração usada foi 2.5 vezes a concentração de
CTAB usada em cada caso. No entanto, numa solução
altamente salina, a carga superficial micelar, que é
positiva, diminui com a introdução de salicilato,
induzindo maior flexibilidade na micela e, portanto,
diminuindo sua viscosidade. Com o objetivo de superar
este efeito negativo, testou-se então a adição de
nanopartículas de sílica. Soluções contendo CTAB – NaSal – SiO2
conseguem reestruturar a micela (Figuras 5.b, 6.b e 7.b)
pois o SiO2 atua como ponto de ancoragem para o
crescimento das micelas (Figura 4) além de exercer um
pseudocrosslinking que aumenta sua rigidez [24].
As curvas de fluxo das micelas com nanopartículas
(Figura 6.b, 7.b e 8.b) apresentam mudanças no
comportamento pseudoplástico em taxas de
cisalhamento superiores a 10 s-1. Tem-se a hipótese de
que esse comportamento é gerado pelo fenômeno
conhecido como shear-banding. Resultados similares
tem sido reportados [36], [37].
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Figura 4 Ilustração do mecanismo de melhoramento da
micela gigante [24].
Por outro lado, em relação aos fluidos reticulados,
pode-se concluir que o polímero reticulado com Fe3+
não exibe um patamar Newtoniano evidente (Figura
6.a), provavelmente porque o hidrogel formado durante
o processo de polimerização do HEC (Figura 5) possui
uma alta resistência mecânica [34].
Figura 5 Solução resultante do processo de polimerização
do (HEC-AA) + (APS - Fe3+)
Figura 6.a Curvas de fluxo para sistemas micelares e
polímeros reticulados a 25 C. Figura 5.b Curvas de fluxo para sistemas micelas com
nanopartículas a 25 C
Figura 7.a Curvas de fluxo para sistemas micelares a 40 C Figura 6.b Curvas de fluxo para sistemas micelares com
nanopartículas a 40 C
Figura 8.a Curvas de fluxo para sistemas micelares e
polímeros reticulados a 60 C Figura 7.b Curvas de fluxo para sistemas micelares e
polímeros reticulados a 60 C
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No caso das soluções reticuladas com Cr3+ o
patamar Newtoniano tende a aumentar quando a
concentração de solução HPAM-HPA aumenta na
solução, o que faz com que haja uma maior quantidade
de cadeia polimérica disponível para interagir com os
cátions metálicos (Figura 6.a).
Entre os polímeros reticulados, a solução contento
uma proporção volumétrica de 75/25 foi escolhida para
ser testada em na temperatura mais elevada. Isto devido
a seu comportamento reológico em taxas superiores a 1
s-1. A temperatura apresentou um efeito deletério nas
soluções de micelas gigantes testadas, como era
esperado. Como a energia coesiva do solvente, que
modula o efeito hidrofóbico, a fator motriz para
micelização diminui com a temperatura, e por isso, é
natural que a micelização seja negativamente afetada.
No caso do polímero reticulado com Cr+3, o
acréscimo da temperatura aumenta o tempo de
gelificação, justificando a resposta viscosa elevada
desta formulação a 60 °C (Figura 7.a). Tal formulação
a 60 °C tem um comportamento viscoso similar à
formulação base água a 25 °C.
4.2 Testes oscilatórios Os resultados das varreduras de amplitude e frequência
são apresentados a seguir. As micelas gigantes com e
sem nanopartículas apresentaram uma região
viscoelástica linear a 25 e 40 °C (Figura 9.a, Figura 10.a
e Figura 11.a). Uma tensão de 1 [Pa] foi escolhida para
conduzir as varreduras de frequência de todas as
amostras. Os resultados das soluções sem
nanopartículas elucidam que, a 40°C, predomina o
comportamento viscoso (G’’). Tal comportamento está
presente nas soluções com nanopartículas também.
O comportamento elástico é predominante só a 25
°C (Figura 9.b, Figura 10.b e Figura 11.b) caracterizado
por uma redução da interseção entre o G’ e G’’, também
conhecido como tempo de relaxação do sistema.
Figura 9.a AST de uma solução de CTAB 35 mM em
salmoura sintética saturada a diferentes temperaturas Figura 9.b FST de uma solução de CTAB 35 mM em
salmoura sintética saturada a diferentes temperaturas
Figura 10.a AST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com
diferentes concentrações de SiO2 a 25 C Figura 10.b FST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com
diferentes concentrações de SiO2 a 25 C
Figura 11.a AST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com
diferentes concentrações de SiO2 a 40 C Figura 11.b FST soluções de CTAB 35 Mm e NaSal com
diferentes concentrações de SiO2 a 40 C
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Serra Negra – SP, 19 a 22 de Agosto de 2019
4.1 Previsão de perda de Circulação A partir dos dados obtidos nos testes reológicos, pode-
se estimar a perda de circulação em uma situação de
campo. Para isso, foi utilizado o modelo de previsão de
perda desenvolvido por Majidi (2008) [6], cujos
parâmetros de entrada são a tensão limite de
escoamento, o índice de consistência e o índice de
comportamento dos fluidos de interesse (Equação 1).
Para obter esses parâmetros, as formulações testadas
foram ajustadas segundo o modelo reológico de
Herschel-Bulkley.
Somente os fluidos que apresentaram uma tensão
limite de escoamento similar ou maior que o fluido base
foram utilizados na estimativa de perda de circulação
(Tabela 4 e Tabela 5). Para a análise de sensibilidade
foi considerado um diferencial de pressão de 500 psi,
uma espessura de fratura de 5 milímetros e um raio de
poço de 4.125 polegadas.
Segundo as sensibilizações de propriedades, as
formulações escolhidas poderiam mitigar a perda de
circulação em comparação com o fluido base água
testado. Observa-se que no modelo matemático
escolhido, além da tensão limite de escoamento, o
índice de consistência do fluido influencia
significativamente o volume de perda e raio de invasão
durante o processo (Vide Figs. 12 e 13)
Os sistemas micelares exibem resultados
promissores. No entanto, pressões elevadas podem
comprometer o estado de agregação destes sistemas
[38], [39] e gerar um rompimento das micelas
diminuindo sua eficácia e alterando suas propriedades
reológicas.
Assim sendo, devido às respostas exibidas pelos
sistemas reticulados, acredita-se que os mesmos sejam
mais apropriados para testes experimentais de filtração
estática e dinâmica.
Tabela 4 Parâmetros usados para a análise numérica das
diferentes formulações testadas a 25 C
Formulação Tensão
Limite K n
F1 FBA 5.018 1.902 0.445
F5 CTAB 75 mM 48.810 0.100 0.936
F6 CTAB 100 mM 89.843 0.586 0.743
F11 CTAB 35 mM -NaSal
- SiO2 0.1 wt 32.155 0.001 1.642
F12 CTAB 35 mM -NaSal
- SiO2 0.5 wt 25.125 1.403 0.509
F13 CTAB 35 mM - NaSal
- SiO2 0.1 wt 22.756 0.283 0.718
F14 (HEC-AA) + (APS -
Fe3+) 101.400 2.092 0.882
F15 (HPAM - HPA) +
Cr3+ (50/50) 26.860 0.844 0.526
F16 (HPAM - HPA) +
Cr3+ (75/25) 46.639 8.127 0.318
Tabela 5 Parâmetros usados para a análise numérica
soluções micelares testas 40 C / polímero reticulado a 60 C
Formulação Tensão
Limite K n
F1 FBA 1.001 2.394 0.365
F2 CTAB 25 mM 7.903 0.184 0.689
F3 CTAB 35 mM 13.060 0.059 0.967
F4 CTAB 50 mM 26.211 2.0E-04 1.898
F5 CTAB 75 mM 45.439 0.0049 1.419
F6 CTAB 100 mM 48.44 2.7E-05 2.252
F16 (HPAM - HPA) + Cr3+ (75/25)*
27.96 0.377 0.738
* Polímero reticulado e testado a 60 C
Figura 12.a Volume de perda em função do tempo para as
diferentes formulações testadas a 25 C Figura 12.b Raio de invasão em função do tempo para as
diferentes formulações testadas a 25 C
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Figura 13.a Volume de perda em função do tempo para as
soluções micelares a 40 C e o polímero reticulado a 60 C Figura 13.b Raio de invasão em função do tempo para as
soluções micelares a 40 C e o polímero reticulado a 60 C
5. Conclusões Com base no estudo reológico e viscoelástico é possível
concluir que:
Em soluções saturadas de NaCl, o CTAB gera
estruturas supramoleculares de alta viscosidade e
viscoelasticidade a 25 °C devido à blindagem das
cargas superficiais da micela diminuindo a
curvatura do agregado, levando ao crescimento
micelar;
A presença do NaSal em soluções saturadas de
NaCl gera a diminuição da carga superficial
micelar, induzindo maior flexibilidade da micela
e, portanto, diminuindo sua viscosidade;
Através das curvas de fluxo, pode-se confirmar a
melhora do comportamento reológico das micelas
gigantes segundo reportado na literatura. Assim,
nanopartículas de SiO2 conseguem reestruturar a
micela atuando como pontos de ancoragem para o
crescimento das micelas.
Os polímeros reticulados exibem propriedades
viscosas similares às micelas gigantes
caracterizados por uma estrutura molecular mais
robusta e resistente.
Baseado no estudo e sensibilização numérica conclui-
se que:
As formulações testadas são possíveis candidatos
para mitigar a perda de circulação do ponto de
vista reológico nas condições de temperatura e
cisalhamento testadas;
Os sistemas de polímeros reticulados são a
solução mais apropriada a ser considerada em
situações com temperaturas superiores a 40
°C.
É necessário testar estas formulações sob pressões
mais elevadas para conhecer o comportamento
reológico em condições análogas às
experimentadas durante uma operação em campo.
Agradecimentos Os autores agradecem à Petrobras e à ANP pelo suporte
durante a execução deste trabalho.
Referências
[1] C. T. C. Fraga, A. Q. Lara, A. C. C. Pinto, and
C. C. M. Branco, “Challenges and solutions to
develop Brazilian pre-salt deepwater fields,”
21st World Pet. Congr. WPC 2014, vol. 2, pp.
982–1015, 2014.
[2] L. A. Calçada, O. A. Duque Neto, S. C.
Magalhães, C. M. Scheid, M. N. Borges Filho,
and A. T. A. Waldmann, “Evaluation of
suspension flow and particulate materials for
control of fluid losses in drilling operation,” J.
Pet. Sci. Eng., vol. 131, pp. 1–10, 2015.
[3] R. F. T. Lomba et al., “Lessons learned in
drilling pre-salt wells with water based muds,”
OTC Bras., vol. 2, pp. 726–736, 2013.
[4] A. Lavrov, Lost Circulation, Mechanisms and
Solutions. 2016.
[5] R. C. Cole, S. A. Ali, and K. A. Foley, “A New
Environmentally Safe Crosslinked Polymer for
Fluid-Loss Control,” in SPE Production
Operations Symposium, 1995.
[6] R. Majidi, S. Z. Miska, M. Yu, L. G. Thompson,
and J. Zhang, “Modeling of Drilling Fluid
Losses in Naturally Fractured Formations,”
2008.
[7] F.-T. Wu and M. R. Caetano-Chang, “Estudo
mineralógico dos arenitos das formações
Pirambóia e Botucatu no Centro-Leste do
Estado de São Paulo,” Rev. do Inst. Geológico,
vol. 13, no. 1, pp. 58–68, 1992.
[8] R. Sweatman, H. Wang, and H. Xenakis,
“Wellbore Stabilization Increases Fracture
Gradients and Controls Losses / Flows During
Drilling,” no. 1, pp. 1–15.
[9] S. Savari and D. L. Whitfill, “Managing Losses
in Naturally Fractured Formations : Sometimes
Nano is,” 2015.
[10] U. A. Tare, D. L. Whitfill, F. K. Mody, and H.
E. Services, “Drilling Fluid Losses and Gains :
Case Histories and Practical Solutions,” SPE
Annu. Tech., 2001.
Enahpe 2019 - 063 ENAHPE 2019 – Encontro Nacional de Construção de Poços de Petróleo e Gás
Serra Negra – SP, 19 a 22 de Agosto de 2019
[11] J. Finger and D. Blankenship, “Handbook of
Best Practices for Geothermal Drilling,” Sandia
Natl. Lab., no. December, pp. 84, Figure 2,
2010.
[12] A. T. A. Waldmann et al., “Efforts to Control
Fluid Losses in Offshore Drilling,” pp. 1–6,
2014.
[13] R. M. Hodge, W. M. MacKinlay, and W. R.
Landrum, “The Selection and Application of
Loss Control Materials to Minimize Formation
Damage in Gravel Packed Completions for a
North Sea Field,” 1995.
[14] T. Sochi, “Single-Phase Flow of Non-
Newtonian Fluids in Porous Media,” 2009.
[15] K. S. Sorbie, Polymer-Improved Oil Recovery.
Blakie, 1991.
[16] M. J. Rosen, Surfactants and interfacial
phenomena, vol. 40. 1989.
[17] Wennerström, Colloidal Domain Evans. 1999.
[18] J. N. Israelachvili, Intermolecular and Surface
Forces, with Applications to Colloidal and
Biological Systems. London, U.K.: Academic
Press, 1985.
[19] H. Rehage and H. Hoffmann, “Rheological
Properties of Viscoelastic Surfactant Systems,”
J. Phys. Chem., vol. 16, no. 92, pp. 4712–4719,
1988.
[20] B. Kronberg, K. Holmberg, and B. Lindman,
Surface Chemistry of Surfactants and Polymers,
First Edit. United Kingdom, 2014.
[21] Barnes, Hutton, and Walters, An Introduction to
Rheology, vol. 3. 1989.
[22] B. M. O. Silveira, L. F. Lopes, and R. B. Z. L.
Moreno, “Rheological Approach of HPAM
Solutions under Harsh Conditions for EOR
Applications,” no. 03, pp. 1–8, 2016.
[23] M. . Cates and S. . Candau, “Statics and
dynamics of worm-like surfactant micelles,” J.
Phys. Condens. Matter, 1990.
[24] Y. Zhang et al., “Rheological properties and
formation dynamic filtration damage evaluation
of a novel nanoparticle-enhanced VES
fracturing system constructed with wormlike
micelles,” Colloids Surfaces A Physicochem.
Eng. Asp., vol. 553, no. March, pp. 244–252,
2018.
[25] S. Kumar, S. A. Kalwar, G. Abbas, and A. Q.
Awan, “Application of Wormlike Micelles for
Mobility Control in Chemical Enhanced Oil
Recovery,” 2018.
[26] L. H. Sperling, Introduction To Physical
Polymer Science, 4th ed. New Jersey: John
Wiley & Sons, 2006.
[27] E. Davidson, H. E. Services, L. Richardson, S.
Zoller, and E. Oil, “Control of Lost Circulation
in Fractured Limestone Reservoirs,” SPE, 2000.
[28] D. Broseta, O. Marquer, P. Baylocq, J.-J. Fery,
and A. Zaitoun, “Gel Treatment Optimization
By Rheological Measurements,” 2007.
[29] D. Broseta, O. Marquer, N. Blin, A. Zaitoun,
and I. Français, “Rheological Screening of Low-
Molecular-Weight Polyacrylamide / Chromium
( III ) Acetate Water Shutoff Gels,” no. Iii, 2000.
[30] C. D. Ivan, J. R. Bruton, M. Thiercelin, and J.
Bedel, “SPE 77353 Making a Case for
Rethinking Lost Circulation Treatments in
Induced Fractures,” 2002.
[31] E. Lécolier et al., “SPE 94686 Development of
a Nanocomposite Gel for Lost Circulation
Treatment,” 2005.
[32] A. H. Soliman, M. O. Fathallah, S. M. Tobeh,
and B. Hughes, “A Cross Link Polymer Sealant
for Curing Severe Lost Circulation Events in,”
2015.
[33] E. Davidson and S. Stewart, “Open Hole
Completions: Drilling Fluid Selection,”
SPE/IADC Middle East Drill. Technol. Conf.
Exhib., 1997.
[34] I. Hussain, S. M. Sayed, S. Liu, F. Yao, O.
Oderinde, and G. Fu, “Hydroxyethyl cellulose-
based self-healing hydrogels with enhanced
mechanical properties via metal-ligand bond
interactions,” Eur. Polym. J., vol. 100, pp. 219–
227, 2018.
[35] T. H. Ito, “Rheology and stability of worm-like
micelles,” University of Campinas, 2011.
[36] T. Divoux, M. A. Fardin, S. Manneville, and S.
Lerouge, “Shear Banding of Complex Fluids,”
Annu. Rev. Fluid Mech., vol. 48, no. 1, pp. 81–
103, 2015.
[37] D. Bonn, J. Meunier, O. Greffier, A. Al-
Kahwaji, and H. Kellay, “Bistability in non-
Newtonian flow: Rheology of lyotropic liquid
crystals,” Phys. Rev. E - Stat. Physics, Plasmas,
Fluids, Relat. Interdiscip. Top., vol. 58, no. 2,
pp. 2115–2118, 1998.
[38] N. Nishikido, M. Shinozaki, G. Sugihara, M.
Tanaka, and S. Kaneshina, “A study on the
micelle formation of surfactants in aqueous
solutions under high pressure by laser light-
scattering technique. I,” J. Colloid Interface
Sci., vol. 74, no. 2, pp. 474–482, 1980.
[39] Y. Sun and H. Huang, “Effect of rheology on
drilling mud loss in a natural fracture,” 49th US
Rock Mech. / Geomech. Symp. 2015, vol. 4,
2015.
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