Download PDF
ads:
Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciências e Tecnologia
Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Dissertação de Mestrado
Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação
em Fluidos de Perfuração
Maria Ingrid Rocha Barbosa
Campina Grande, PB
Setembro - 2006
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Maria Ingrid Rocha Barbosa
Dissertação apresentada ao Curso de
Mestrado em Ciência e Engenharia de
Materiais da Universidade Federal de
Campina Grande, em cumprimento às
exigências para obtenção do Grau de Mestre.
Área de Concentração – Estrutura, Processamento e Propriedades de Materiais
Linha de Pesquisa – Materiais Cerâmicos Tradicionais
Orientadora – Prof
a
. Dra. Luciana Viana Amorim
Co-Orientador – Prof. Dr. Heber Carlos Ferreira
Campina Grande, PB
Setembro – 2006
ads:
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
B238b Barbosa, Maria Ingrid Rocha
2006 Bentonitas aditivadas com polímeros para aplicação em fluidos de
perfuração / Maria Ingrid Rocha Barbosa. ─ Campina Grande, 2006.
80p.: il.
Inclui Bibliografia.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade
Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia .
Orientadores: Luciana Viana Amorim e Heber Carlos Ferreira.
1. Argila Bentonítica 2. Formulações Poliméricas 3. Fluidos de
Perfuração 4. Propriedades Reológicas I─ Título
CDU 661.184.2
VITAE DO CANDIDATO
Engenheiro de Materiais pela UFCG (2004)
i
Dedico este trabalho aos meus pais, Robson (In Memorian) e Ivana, como
retribuição por toda uma vida de ensinamentos e amor incondicional,
incentivo, apoio e confiança, e por todo esforço e dedicação em mim
investidos, proporcionando-me sempre as melhores condições para minha
formação pessoal e profissional.
Aos meus avós, Florentino e Célia, e a minha irmã, Érika, pelo apoio
constante.
A Luciana, pelos ensinamentos transmitidos, paciência, confiança, dedicação
e, principalmente, amizade.
ii
Agradecimentos
Sabe aquele conhecido “nó na garganta”? Pois é, ele está tão apertado que
chega a sufocar. E eu fico aqui me perguntando se conseguirei retribuir, em tão
poucas palavras todo apoio e incentivo que tenho recebido de tantas pessoas
extraordinárias que Deus colocou em minha vida. Nossa! Escrever
Agradecimentos, não é nada fácil. Significa a conclusão de mais uma etapa. E
agora sinto um gostinho todo especial. Isso é maravilhoso!
Agradeço a minha mãe, pelo exemplo de força e de vida, pela amizade,
paciência, compreensão e amor a mim dedicados em todos os momentos. As
pessoas que me viram crescer e contribuíram de alguma maneira, com minha
formação pessoal: minha irmã, meus avós, meus tios e primos. A amiga e
orientadora Luciana, a quem sou extremamente grata por ter me encorajado a ser
Pesquisadora, pela confiança no meu trabalho, pela constante motivação e
incentivo, pela dedicação, ensinamentos transmitidos e oportunidades que sempre
me ofereceu durante esses anos de convivência, além dos merecidos “puxões de
orelha” e dos momentos de descontração; ao Prof. Heber, por toda orientação,
ensinamentos passados e oportunidades oferecidas; ao Prof. Flávio, ao Géol.
Eugênio Pereira e ao Eng. Antonio Luiz, pelas valiosas informações, discussões e
sugestões que enriquecem este trabalho; ao Programa de Pós-Graduação em
Ciência e Engenharia de Materiais, professores e funcionários, pela colaboração e
organização do curso de mestrado; a todos que fazem o LABDES – Laboratório
de Referência em Dessalinização, em especial ao Prof. Kepler, Suelene, Bira,
Raniere e Sidinei; aos amigos e colegas de curso e laboratório, Heber, Liszandra,
André e Alice; a Klevson, pela colaboração, seriedade e presteza no
desenvolvimento da parte experimental deste trabalho; a Kássie, pela amizade,
companheirismo, colaboração e apoio nos momentos conflituosos, me ajudando a
concluir mais uma etapa; a Josiane, que esteve comigo desde o início do
mestrado e que, agora, mesmo distante colaborou com o desenvolvimento deste
iii
trabalho; a Rafael, pela amizade e companheirismo; as amigas Carol e Carol
Rocha, que mesmo tão distantes permanecem presentes na minha vida, dando
apoio e incentivo, vibrando e comemorando todas as vitórias alcançadas; aos
amigos Carol Brasil, Camila, Gustavo Rocha, Italo, Adriana, Luziana e Mirna pelo
apoio e momentos de descontração.
À Empresa BUN - Bentonit União Nordeste, pelo fornecimento das
amostras de argilas bentoníticas. Às Empresas System Mud Indústria e Comércio
Ltda. e Denver-Cotia Indústria e Comércio de Produtos Químicos Ltda., pelo
fornecimento das amostras de aditivos poliméricos.
Um agradecimento a todos que fazem o Programa de Recursos Humanos
PRH-25 (professores, pesquisador visitante, alunos e corpo técnico), em especial
ao Prof. Francisco, a Ana, Anchieta, Adriano, Adriano Almeida e Rômulo Charles.
À ANP - Agência Nacional do Petróleo, ao CNPq/CTPETRO, à FINEP e ao
MCT, pelo apoio financeiro.
Um agradecimento ainda maior a Deus que colocou todas essas pessoas
em meu caminho e que me deu forças e coragem para seguir adiante e vencer os
obstáculos.
iv
Resumo
Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em Fluidos de
Perfuração
Maria Ingrid Rocha Barbosa
Com o objetivo de estudar bentonitas aditivadas com polímeros visando sua
aplicação em fluidos à base de água para perfuração de poços de petróleo, foram
selecionadas amostras de bentonitas industrializadas da Paraíba contendo em sua
composição argilas consideradas de qualidade inferior e amostras de aditivos
poliméricos comerciais utilizados na indústria de petróleo. Os fluidos de perfuração
foram preparados com concentrações de 2,5 % e 4,86 % em massa de argila
aditivada com um composto polimérico em dez diferentes composições obtidas
por meio do planejamento experimental. Os resultados permitem concluir que: i) o
uso do delineamento de misturas e superfícies de resposta é uma ferramenta
adequada ao estudo de combinação de matérias-primas poliméricas de
características diferentes, possibilitando o uso de um composto polimérico com
propriedades adequadas para a aditivação de bentonitas; ii) os fluidos preparados
com 2,5 % em massa de argila apresentam melhores propriedades reológicas e
de filtração, atendendo as especificações da Petrobras e iii) a aditivação de argilas
bentoníticas de qualidade inferior com compostos poliméricos garante a
continuidade de sua utilização no preparo de fluidos de perfuração de poços de
petróleo.
Palavras-Chave: Argilas bentoníticas, formulações poliméricas, fluidos de
perfuração e propriedades reológicas.
v
Abstract
Bentonites Treated with Polymeric Additives for Application in Drilling
Fluids
Maria Ingrid Rocha Barbosa
The aim of this work is to study bentonites treated with polymeric additives for
application in water based drilling fluids. Samples of industrialized bentonite clays
from Paraíba containing clays considered of inferior quality in its composition and
samples of commercial polymeric additives used in the oil industry were selected.
The drilling fluids were prepared with 2,5 wt% and 4,86 wt% of clay treated with a
polymeric compound in ten differents compositions gotten by means of the
experimental design. The results show that: i) the use of the mixture design and
methodology of response surface is an adequate tool to the study of combination
of polymeric raw material with different characteristics making possible the
attainment of a polymeric compound with properties adjusted for the use as
additive for bentonites; ii) the fluids prepared with 2,5 wt% of clay present better
rheological properties and of filtration in according to Petrobras standards and iii)
the use of additives in bentonite clays of inferior quality with polymeric compound
guarantees the continuity of its use in the preparation of the drilling fluids.
Key-words: Bentonite clays, polymeric compounds, drilling fluids and rheological
properties.
vi
Publicações sobre o Tema da Dissertação
i) BARBOSA, Maria Ingrid R.; AMORIM, Luciana Amorim; BARBOZA,
Klevson Ranniet Almeida; FERREIRA, Heber Carlos. Desenvolvimento
de Compósitos Bentonita/Polímeros para Aplicação em Fluidos de
Perfuração. 61
0
Congresso Anual da ABM, 24 a 27 de julho de 2006, Rio
de Janeiro – RJ.
ii) BARBOSA, Maria Ingrid R.; AMORIM, Luciana Amorim; BARBOZA,
Klevson Ranniet Almeida; FERREIRA, Heber Carlos. Desenvolvimento
de um Composto Polimérico para Uso em Fluidos de Perfuração Base
Água e Argila. Rio Oil & Gas Expo and Conference 2006, 11 a 14 de
setembro de 2006, Rio de Janeiro – RJ.
iii) BARBOSA, Maria Ingrid R.; AMORIM, Luciana Amorim; BARBOZA,
Klevson Ranniet Almeida; FERREIRA, Heber Carlos. Estudo de
Composições Poliméricas para Aditivação em Fluidos de Perfuração à
Base de Água e Argila: Resultados Preliminares. XVI Congresso
Brasileiro de Engenheira Química – COBEQ, 24 a 27 de Setembro de
2006, Santos – SP.
iv) BARBOSA, Maria Ingrid R.; AMORIM, Luciana Amorim; BARBOZA,
Klevson Ranniet Almeida; FERREIRA, Heber Carlos. Estudo de
Composições Poliméricas para Aditivação em Fluidos de Perfuração à
Base de Água e Argila. XVI Congresso Brasileiro de Engenheira
Química – COBEQ, 24 a 27 de Setembro de 2006, Santos – SP.
vii
Sumário
Capítulo 1
Introdução ................................................................................................... 1
1.1 Justificativa ....................................................................................... 2
1.2 Objetivos ........................................................................................... 3
1.3 Organização do Trabalho .................................................................. 4
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica ................................................................................... 6
2.1 Fluidos de Perfuração ....................................................................... 6
2.1.1 Breve Histórico ........................................................................ 7
2.1.2 Funções dos Fluidos ................................................................ 9
2.1.3 Tipos de Fluidos ....................................................................... 10
2.2 Argilas Bentoníticas ......................................................................... 12
2.3 Parâmetros de Qualificação de Bentonitas para Uso em Fluidos de
Perfuração ...................................................................................................
15
2.4 Aditivos Poliméricos .......................................................................... 17
2.4.1 Carboximetilcelulose – CMC .................................................... 19
2.4.2 Poliacrilamida – PAM ............................................................... 22
2.5 Planejamento Experimental ............................................................. 26
Capítulo 3
Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas ............................................ 32
3.1 Materiais ........................................................................................... 32
3.1.1 Argilas Bentoníticas ................................................................ 32
3.1.2 Aditivos Poliméricos ............................................................... 32
3.2 Metodologia ..................................................................................... 33
3.2.1 Preparação dos Fluidos de Perfuração .................................. 33
3.2.2 Estudo Reológico dos Fluidos de Perfuração ........................ 34
3.3 Resultados e Discussão .................................................................. 35
3.4 Conclusões Parciais ......................................................................... 42
viii
Capítulo 4
Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila
Bentonítica .................................................................................................
43
4.1 Materiais ........................................................................................... 43
4.1.1 Argilas Bentoníticas ................................................................ 43
4.1.2 Composto Polimérico ............................................................. 43
4.2 Metodologia ...................................................................................... 44
4.2.1 Delineamento de Misturas ...................................................... 44
4.2.2 Preparação dos Fluidos de Perfuração .................................. 45
4.2.3 Estudo Reológico dos Fluidos de Perfuração ........................ 45
4.3 Resultados e Discussão .................................................................. 46
4.4 Conclusões Parciais ......................................................................... 56
Capítulo 5
Estudo Estatístico ...................................................................................... 58
5.1 Metodologia ...................................................................................... 58
5.1.1 Estudo Estatístico ................................................................... 58
5.1.2 Otimização Matemática .......................................................... 59
5.2 Resultados e Discussão .................................................................. 59
5.3 Conclusões Parciais ......................................................................... 69
Capítulo 6
Conclusões ................................................................................................. 71
Sugestões para Estudos Futuros ............................................................... 73
Bibliografia .................................................................................................. 74
ix
Simbologia e Abreviaturas
Simbologia
LE - Limite de escoamento
L
300
– Leitura no viscosímetro Fann a 300 rpm
L
600
– Leitura no viscosímetro Fann a 600 rpm
P
1
– Proporção de PAM na mistura
P
2
– Proporção de CMC BV na mistura
P
3
– Proporção de CMC AV na mistura
R
2
– Coeficiente de múltipla determinação
R
2
A
– Coeficiente de múltipla determinação ajustado
VA – Viscosidade aparente
VP – Viscosidade plástica
VF – Volume de filtrado
Abreviaturas
API – American Petroleum Institute
BUN – Bentonit União Nordeste
CMC – Carboximetilcelulose
CMC AV – Carboximetilcelulose de alta viscosidade
CMC BV – Carboximetilcelulose de baixa viscosidade
CMC MV – Carboximetilcelulose de média viscosidade
DH – Grau de hidrólise
DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral
DP – Grau de polimerização
DS – Grau de substituição
LABDES – Laboratório de Referência em Dessalinização
PAM – Poliacrilamida parcialmente hidrolisada
x
PM – Peso molecular
SMCA – Monocloroacetato de sódio
UFCG – Universidade Federal de Campina Grande
UFPB – Universidade Federal da Paraíba
US – Uniformidade de substituição
xi
Lista de Tabelas
Tabela 1
Dados técnicos dos polímeros ............................................. 33
Tabela 2
Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com a argila A, antes e após aditivação
polimérica .............................................................................
36
Tabela 3
Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com a argila B, antes e após aditivação
polimérica .............................................................................
38
Tabela 4
Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com a argila C, antes e após aditivação
polimérica .............................................................................
39
Tabela 5
Matriz de planejamento de composições de polímeros ........ 44
Tabela 6
Dados técnicos das composições poliméricas ...................... 45
Tabela 7
Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com 4,86% em massa de argila C aditivada
com o composto polimérico nas diferentes composições
estabelecidas pelo delineamento de misturas ......................
47
Tabela 8
Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com 2,5% em massa de argila C aditivada com
o composto polimérico nas diferentes composições
estabelecidas pelo delineamento de misturas ......................
53
Tabela 9
Estatísticas relevantes para análise de variância das
variáveis VA, VP, VF e LE ...................................................
60
Tabela 10
Modelos matemáticos codificados para as propriedades
VA, VP, VF e LE, dos fluidos preparados com 2,5% em
massa de argila, aditivada com as diferentes concentrações
do composto polimérico .......................................................
61
Tabela 11
Composições de teste dos modelos e os respectivos
valores preditos e observados .............................................
68
xii
Lista de Figuras
Figura 1
Reservatório contendo fluido de perfuração ....................... 6
Figura 2
Perfuração rotatória de Sweeney, em 1866 ....................... 8
Figura 3
Broca e detritos em suspensão .......................................... 10
Figura 4
Representação esquemática (a) da folha de silicato
tetraédrica, (b) da folha central octaédrica de alumina da
estrutura do argilomineral montmorilonita e (c) da
estrutura do argilomineral montmorilonita ...........................
13
Figura 5
Bentonitas em meio aquoso ............................................... 13
Figura 6
Argilas da mina Bravo, Boa Vista, PB (a) Bofe, (b)
Chocolate e (c) Verde-lodo .................................................
15
Figura 7
Esquematização de (a) hidratação da argila e (b)
adsorção do polímero .........................................................
19
Figura 8
Representação da estrutura molecular (a) da celulose e
(b) do CMC com DS=1 ........................................................
20
Figura 9
Esquema simplificado da obtenção do CMC ...................... 21
Figura 10
Esquematização da hidratação da cadeia polimérica e
suas possíveis configurações quando adsorvidas à
partícula de argila ...............................................................
22
Figura 11
Monômeros (a) acrilato de sódio e (b) acrilamida ............... 23
Figura 12
Estrutura da poliacrilamida parcialmente hidrolisada
(PAM) resultante da copolimerização do acrilato de sódio
com a acrilamida .................................................................
24
Figura 13
(a) Espaço experimental para processos com três
variáveis independentes, (b) superfície de resposta para
todas as misturas possíveis dos componentes e (c)
Curvas de nível da superfície de resposta ..........................
29
Figura 14
Arranjos simplex para três componentes: (a) sem pontos
no centróide e (b) com pontos no centróide ......................
31
xiii
Figura 15
Fluxograma referente a metodologia desenvolvida para a
aditivação polimérica de argilas bentoníticas .....................
35
Figura 16
Ilustração dos mecanismos de estabilização (a) estérica e
(b) eletroestérica .................................................................
37
Figura 17
Ilustração da floculação obtida através da formação de
pontes (a) por uma única cadeia polimérica e (b) por duas
cadeias poliméricas ............................................................
40
Figura 18
Fluxograma da metodologia para desenvolvimento do
composto polimérico e aditivação de bentonita para
aplicação em fluidos de perfuração à base de água ..........
46
Figura 19
Propriedades reológicas dos fluidos preparados com
4,86% em massa de argila C aditivada com o composto
polimérico nas diferentes composições estabelecidas pelo
delineamento de misturas (a) VA, (b) VP e (c) LE ..............
48
Figura 20
VF dos fluidos preparados com 4,86% em massa de argila
C aditivada com o composto polimérico nas diferentes
composições estabelecidas pelo delineamento de
misturas ..............................................................................
49
Figura 21
Propriedades reológicas dos fluidos preparados com 2,5%
em massa de argila C aditivada com o composto
polimérico nas diferentes composições estabelecidas pelo
delineamento de misturas (a) VA, (b) VP e (c) LE ..............
54
Figura 22
VF dos fluidos preparados com 2,5% em massa de argila
C aditivada com o composto polimérico nas diferentes
composições estabelecidas pelo delineamento de
misturas ..............................................................................
55
Figura 23
Superfícies de resposta para os fluidos preparados com
2,5% em massa de argila aditivada com 0,4g do composto
polimérico para (a) VA, (b) VP, (c) VF e (d) LE ..................
63
Figura 24
Superfícies de resposta para os fluidos preparados com
2,5% em massa de argila aditivada com 0,6g do composto
xiv
polimérico para (a) VA, (b) VP, (c) VF e (d) LE .................. 64
Figura 25
Superfícies de resposta para os fluidos preparados com
2,5% em massa de argila aditivada com 0,8g do composto
polimérico para (a) VA, (b) VP, (c) VF e (d) LE ..................
65
Figura 26
Interseção das superfícies de resposta de VA, VP, VF e
LE, mostrando as composições adequadas para uso em
fluidos de perfuração, para os fluidos preparados com a
argila aditivada com (a) 0,4g, (b) 0,6g e (c) 0,8g de
composto polimérico ...........................................................
67
Capítulo 1 – Introdução
1
Capítulo 1
Introdução
Os fluidos de perfuração, também chamados de lamas, podem ser
conceituados como composições frequentemente líquidas destinadas a auxiliar
o processo de perfuração de poços de petróleo, poços tubulares e operações
de sondagem (Amorim, 2003). São indispensáveis durante as atividades de
perfuração (Lummus e Azar, 1986), pois desempenham uma série de funções
essenciais, dependentes diretamente das suas propriedades físicas, químicas
e reológicas, ou seja, densidade, viscosidade, consistência de gel, controle de
filtrado e reboco e inibição das argilas hidratáveis.
A Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), antigo Campus II
da Universidade Federal da Paraíba (UFPB), vem estudando fluidos de
perfuração à base de água e argilas bentoníticas da Paraíba desde a década
de 1980. Estudos envolvendo o efeito de aditivos poliméricos em fluidos de
perfuração hidroargilosos foram iniciados em 1991, e avaliaram o efeito da
adição de lignosulfonatos, lignitos e polímeros à base de celulose,
comercialmente conhecidos por Spersene, XP-20 e CMC, respectivamente,
sobre a reologia de dispersões de argilas bentoníticas sódicas (Pedroso, 1991,
e Accioly, 1994).
Em 2002, foram iniciados estudos com o objetivo de avaliar os efeitos da
aditivação polimérica, sua ação protetora e de recuperação em fluidos
hidroargilosos contaminados com cloretos de cálcio e magnésio. Essa linha de
pesquisa foi motivada pelos problemas de contaminação de fluidos
frequentemente enfrentados nas plataformas de perfuração de poços de
petróleo. Os primeiros experimentos foram realizados com fluidos preparados
com argilas bentoníticas sódicas industrializadas na Paraíba e tratados com
uma amostra de carboximetilcelulose (CMC) de baixa viscosidade. Os
resultados indicaram a melhoria das propriedades dos fluidos e a viabilidade do
uso do CMC como agente de proteção e recuperação de fluidos hidroargilosos
(Amorim, 2003). A partir daí, diversos trabalhos foram desenvolvidos utilizando
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 1 – Introdução
2
diferentes variedades de argilas bentoníticas provenientes das jazidas
localizadas no Município de Boa Vista, PB, e CMCs com diferentes graus de
viscosidade (Amorim, 2003), bem como estudos com diferentes graus de
contaminação (Barbosa, 2004).
Os depósitos de bentonitas localizados na Paraíba, Município de Boa
Vista, durante as últimas décadas foram considerados os maiores do Brasil.
Segundo os últimos dados do Departamento Nacional de Produção Mineral –
DNPM, as reservas (medida+indicada) de bentonita em 2004 no Brasil
totalizaram aproximadamente 47 milhões de toneladas, das quais 25,3% das
reservas medidas encontram-se no Estado da Paraíba. Com esse último
levantamento, a Paraíba ocupa a posição atual de terceiro maior jazimento do
país (Oliveira, 2005).
Estas argilas vêm sendo exploradas há cerca de 40 anos e, hoje, muitas
das variedades, principalmente as consideradas de melhor qualidade, não são
mais encontradas. Como conseqüência desse processo de mineração
predatório, os produtos industrializados apresentam queda nas suas
propriedades e a maioria não atende as especificações da Petrobras para uso
em fluidos de perfuração. Esse fato contribui fortemente para a prática da
aditivação polimérica dos fluidos com o objetivo de melhorar as suas
propriedades reológicas, garantindo, assim, o sucesso da perfuração.
A etapa de aditivação do fluido ocorre durante a sua preparação nos
tanques de lama ou mesmo durante a operação de perfuração, quando é
detectada a necessidade de adequação das suas propriedades. Dentre os
inúmeros aditivos utilizados, destacam-se os aditivos orgânicos celulósicos e
não-celulósicos, conhecidos por CMC e poliacrilamida parcialmente hidrolisada
(PAM) que atuam, dependendo das suas características, como viscosificante,
defloculante, redutor de filtrado, lubrificante, inibidor e encapsulador de argilas
hidratáveis.
1.1 Justificativa
Os fluidos de perfuração à base de água são formados, geralmente, pela
mistura de argilas e vários tipos de polímeros (naturais e/ou sintéticos),
introduzidos de acordo com as condições da formação geológica onde o poço
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 1 – Introdução
3
está sendo perfurado (Amorim, 2003). Cada tipo de polímero possui
características diferentes, visando adequar as várias propriedades do fluido às
condições de operação da perfuração do poço, ou seja, cada tipo de aditivo
atende a propriedades específicas, mas não consegue-se adequar à todas as
propriedades necessárias.
Sendo assim, a principal razão para o desenvolvimento e utilização de
compostos poliméricos (composições binárias e ternárias de polímeros), deve-
se à possibilidade de combinar as propriedades de duas ou mais matérias-
primas com características diferentes, visando obter um produto com
propriedades adequadas. Em outras palavras, com a mistura de polímeros, é
possível obter um composto que possibilite o desempenho adequado das
propriedades do fluido (viscosidades aparente e plástica, limite de escoamento
e volume de filtrado). Outro ponto de grande importância é a possibilidade de
melhorar, por meio da aditivação polimérica, as propriedades das argilas
bentoníticas consideradas de qualidade inferior e que por este motivo ainda
são encontradas em grande quantidade e empregadas em aplicações menos
nobres.
Além disso, a industrialização/comercialização de argilas bentoníticas
aditivadas com polímeros evitará que a etapa de aditivação dos fluidos à base
de água e bentonita seja realizada em campo, tornando mais prática e rápida a
preparação dos fluidos.
1.2 Objetivos
Esta pesquisa objetivou o estudo de bentonitas aditivadas com
polímeros visando sua aplicação em fluidos à base de água para perfuração de
poços de petróleo. Como objetivos específicos foram propostos:
i) desenvolver um composto polimérico utilizando misturas de dois e três
polímeros. As composições binárias e ternárias de polímeros foram
dimensionadas por meio do planejamento experimental utilizando modelagem
de misturas;
ii) avaliar o comportamento reológico, através da determinação das
viscosidades aparente e plástica e do limite de escoamento, e as perdas por
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 1 – Introdução
4
filtração dos fluidos preparados com as argilas bentoníticas sem aditivação
polimérica, após aditivação com os polímeros individuais e, por fim, após
aditivação com o composto polimérico;
iii) avaliar o efeito da concentração de argila, bem como da concentração
do composto polimérico, no comportamento reológico e de filtração dos fluidos
de perfuração visando à obtenção de fluidos de melhor desempenho;
iv) avaliar o efeito da composição do composto polimérico no
comportamento reológico e de filtração dos fluidos de perfuração por meio do
planejamento experimental, aplicado ao estudo de misturas, e
v) determinar, por meio da análise de superfícies de resposta, uma gama
de composições poliméricas que, juntamente com a argila, bentonítica
produzam fluidos à base de água com propriedades que atendam as
especificações da Petrobras para aplicação na perfuração de poços de
petróleo.
1.3 Organização do Trabalho
Este trabalho está organizado em seis (6) capítulos. No Capítulo 1,
encontra-se apresentada uma introdução, descrevendo a motivação para a
realização deste estudo e os seus objetivos.
No Capítulo 2, encontra-se a revisão bibliográfica, mostrando um breve
histórico sobre o desenvolvimento dos fluidos de perfuração, algumas
definições relevantes ao tema em questão, a problemática que envolve as
argilas de Boa Vista (PB) e seu comportamento reológico, os aditivos
empregados em fluidos de perfuração e suas funções. Neste capítulo, também
se encontra o estudo de planejamento experimental aplicado à modelagem de
mistura em rede simplex.
No Capítulo 3, são apresentados os materiais, a metodologia utilizada,
os resultados e discussão e as conclusões parciais obtidas na realização da
pesquisa referente a aditivação polimérica de argilas bentoníticas, visando a
escolha de materiais para o desenvolvimento de um composto polimérico para
aditivação de bentonitas para aplicação em fluidos de perfuração à base de
água.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 1 – Introdução
5
No Capítulo 4, são apresentados os materiais, a metodologia utilizada,
os resultados e discussão e as conclusões parciais obtidas na realização da
etapa da pesquisa, referente ao desenvolvimento de um composto polimérico
para aditivação de argilas bentoníticas a serem utilizadas no preparo de fluidos
de perfuração à base de água.
O Capítulo 5 apresenta a metodologia empregada para a realização do
estudo estatístico, com base nos resultados apresentados pelo comportamento
reológico dos fluidos preparados com 2,5% em massa de argila.
No final de cada capítulo, são apresentadas as conclusões parciais.
No Capítulo 6, são apresentadas as conclusões, destacando-se os
resultados mais relevantes, sendo confrontados os objetivos propostos e os
resultados alcançados.
A seguir, são apresentadas as sugestões para trabalhos futuros e as
referências e normas utilizadas para a realização do presente trabalho.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
a, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
6
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1 Fluidos de Perfuração
Os fluidos de perfuração, também chamados de lamas (Figura 1),
podem ser conceituados como composições freqüentemente líquidas
destinadas a auxiliar o processo de perfuração de poços de petróleo (Amorim,
2003) e dependem das exigências particulares de cada perfuração (Amorim,
2006). Para perfurações simples e pouco profundas, um fluido constituído de
água e argila em baixa concentração é adequado. Contudo, em situações de
difícil perfuração e/ou em grandes profundidades, é necessário um fluido mais
elaborado, com introdução de um ou vários aditivos (Amorim, 2006). De uma
maneira geral, os fluidos de perfuração são sistemas multifásicos que podem
conter água, material orgânico, sais dissolvidos e sólidos em suspensão nas
mais diversas proporções (Serra, 2003).
De acordo com o American Petroleum Institute – API, os fluidos de
perfuração são definidos como fluidos de circulação usados em perfurações
rotativas, injetados nos poços por meio de bombas, para desempenhar as
funções requeridas durante a operação de perfuração, tornando-os um
componente indispensável durante a perfuração de um poço (Lummus e Azar,
1986).
Figura 1 – Reservatório contendo fluido de perfuração.
Fonte: Farias, 2005.
Barbos
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
7
2.1.1 Breve Histórico
Inicialmente, um fluido de perfuração foi definido como um material
empregado para ajudar a ação de ferramentas de corte, portanto, o seu uso é
anterior ao surgimento da indústria do petróleo (Serra, 2003).
Segundo Brantly (1971), a água foi o primeiro fluido de perfuração a ser
utilizado, pois no início do terceiro milênio a.C., no Egito, poços de 20 pés de
profundidade foram perfurados em minas por brocas rotatórias controladas
manualmente, e a água foi utilizada para remoção dos detritos gerados durante
a operação de perfuração. Outros registros indicam que, no século III a.C., na
China, a técnica envolvia a queda de uma pesada ferramenta metálica de
perfuração e a remoção da rocha pulverizada (detritos) com um recipiente
tubular. A água facilitava a penetração da ferramenta de perfuração, ajudando
na remoção dos detritos (Getliff e Oliver, 2002).
Em sua revisão, Serra (2003) diz que a partir da metade do século XIX,
começou-se a pensar na lama de perfuração como um auxiliar para remover os
detritos gerados, através de sua circulação dentro do poço. Beart, na Inglaterra,
em 1845 e Fauvelle, na França, em 1846, independentemente, apresentaram
um método de perfuração por meio de barras para perfurar girando dentro da
cavidade (rotating hollow drill rods), ao mesmo tempo que bombeava água
através dessas barras para carrear os detritos perfurados para a superfície.
Segundo Getliff e Oliver (2002), Fauvelle percebeu que o jato de água era
muito eficaz na elevação dos detritos para fora do poço e desenvolveu um
mecanismo, no qual a água seria bombeada para baixo, no interior de uma
haste de perfuração, e transportaria os detritos em seu retorno à superfície pelo
espaço intermediário entre a haste e a parede do poço. Serra (2003) afirma
que o método desenvolvido por Beart, em 1845, e por Fauvelle, em 1846, foi
consolidado em 1866 por Sweeney, com um equipamento de perfuração
rotatória, denominado stone drill (Figura 2), que se mostrou semelhante em
muitos aspectos aos equipamentos utilizados atualmente.
Ainda em sua revisão, Serra (2003) explica que neste mesmo período,
iniciou-se a adição de material com propriedades de plasticidade e
maleabilidade (como argila, farelo de milho e cimento) para atribuir ao fluido
uma nova função: revestir as paredes do poço para estabilizá-lo, reduzindo a
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
8
tendência ao desmoronamento. O desenvolvimento desta nova função implicou
diretamente no controle da pressão, principalmente em poços contendo gás,
desenvolvendo-se a utilização de um tipo de lama “carregada” (laden mud),
que estabilizava mais efetivamente as formações perfuradas em decorrência
do aumento de sua densidade, inicialmente com o acréscimo de óxidos
metálicos de ferro (Fe
2O3), e a partir de 1922, com a popularização do uso de
barita (BaCO3).
Figura 2 – Perfuração rotatória de Sweeney, em 1866.
Fonte: Serra
,
2003.
A partir daí, as características dos materiais contidos nos fluidos de
perfuração foram sendo aperfeiçoadas para se adequar à situações cada vez
mais específicas (Serra, 2003). Foram desenvolvidos fluidos apropriados para
prevenir o inchamento e desintegração durante a perfuração de folhelhos
(Doherty et al., 1931), fluidos com alto pH devido à elevada concentração de
óxido de cálcio (lime muds), lamas contendo polímeros para impedir a
dispersão dos detritos gerados durante a perfuração de folhelhos e auxiliar a
limpeza do poço, pela formação de um filme protetor nas paredes do poço e
em volta dos detritos (Lummus e Field, 1968).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
9
Hoje, o desenvolvimento de fluidos de perfuração está cada vez mais
especializado, de forma que todas as propriedades necessárias aos fluidos
sejam adquiridas por meio da incorporação de aditivos desenvolvidos
especialmente para corrigir e/ou melhorar o desempenho dos fluidos durante a
operação de perfuração de poços, garantindo, assim, o sucesso da perfuração.
2.1.2 Funções dos Fluidos
Segundo Getliff e Oliver (2002), os fluidos de perfuração desempenham
importantes funções no processo de perfuração: suspensão dos detritos
gerados, controle de pressão, estabilização das formações, lubrificação e
resfriamento da broca.
Segundo Lummus e Azar (1986), são cinco as principais funções dos
fluidos de perfuração:
i) resfriar e lubrificar a broca;
ii) limpar o fundo do poço dos detritos de perfuração;
iii) transportar os detritos de perfuração para a superfície;
iv) estabilizar o poço e
v) permitir uma adequada avaliação da formação geológica.
Segundo Alderman (1988), estas funções são mais facilmente
alcançadas com o uso de dispersões de argilas bentoníticas, em virtude das
suas excelentes propriedades tanto coloidais quanto tixotrópicas.
De acordo com Souza Santos (1992), os fluidos de perfuração devem
apresentar determinada viscosidade aparente, viscosidade plástica e volume
de filtrado, e uma apreciável tixotropia, para manter em suspensão, nas
interrupções de funcionamento, os detritos de perfuração e as partículas inertes
da própria fase dispersa (Figura 3). Segundo Darley e Gray (1988), o fenômeno
de tixotropia foi originalmente definido por Freundlich, em 1935, como uma
transformação isotérmica reversível de um sol coloidal para um gel. Além disso,
os fluidos de perfuração não devem poluir o meio ambiente, devem ser
atóxicos e não podem sobrecarregar o equipamento de perfuração.
Para satisfazer essas exigências, o fluido de perfuração deve possuir
propriedades físicas, químicas e reológicas que possam ser cuidadosamente
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
10
controladas, para se ajustarem a uma grande variedade de condições de
subsuperfície.
Fluido de
p
erfura
ç
ão
Detritos
g
erados
p
ela broca
Retorno do fluido à su
p
erfície
Forma
ç
ão
g
eoló
g
ica
Broca
Figura 3 – Broca e detritos em suspensão.
Fonte: Getliff e Oliver, 2002.
2.1.3 Tipos de Fluidos
A classificação de um fluido de perfuração é feita em função da sua
composição, baseando-se no constituinte principal da fase contínua ou
dispersante, sendo classificados em: fluidos à base de ar ou de gás, fluidos à
base de óleo e fluidos à base de água (Thomas, 2001).
Os fluidos à base de gás são constituídos de um fluxo de ar ou gás
natural injetado no poço a alta velocidade (Lummus e Azar, 1986 e Darley e
Gray, 1988), incluindo aqueles nos quais o gás é a fase contínua (gás seco) e
aqueles nos quais o gás é a fase descontínua, como em espumas e espumas
compactas (Serra, 2003).
Os fluidos à base de óleo são aqueles em que a fase contínua ou
dispersante é constituída por um óleo, geralmente composta de
hidrocarbonetos líquidos (Thomas, 2001). Segundo Lummus e Azar (1986), os
fluidos à base óleo podem ser subdivididos em duas classes: os verdadeiros
fluidos à base de óleo, que contêm água em quantidade inferior a 5,0%, e as
emulsões inversas, que podem conter até 50% de água. São utilizados em
situações especiais, incluindo altas temperaturas e pressões, formações
geológicas hidratáveis, elevadas profundidades e em formações geológicas
salinas (Burke e Veil, 1995).
Os fluidos à base de água têm sua definição baseada na natureza da
água e nos aditivos empregados no preparo do fluido. Os aditivos provocam
modificações nas propriedades físicas, químicas e reológicas do fluido de
acordo com a proporção utilizada e as possíveis interações entre eles
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
11
(Thomas, 2001). Grande parte do desenvolvimento dos fluidos de perfuração à
base de água foi impulsionada principalmente para satisfazer condições de
estabilidade e pressão do poço e remoção de detritos (Serra, 2003).
A água, portanto, é a fase contínua e o principal componente de
qualquer fluido à base de água, podendo ser doce, dura ou salgada. Do ponto
de vista industrial, para aplicação em fluidos de perfuração, a água doce, que
apresenta salinidade inferior a 1.000 ppm de NaCl equivalente, não necessita
de pré-tratamento químico porque praticamente não afeta o desempenho dos
aditivos empregados no preparo do fluido. A água dura tem como característica
principal a presença de sais de cálcio e magnésio dissolvidos, em
concentração suficiente para alterar o desempenho de aditivos químicos. A
água salgada é aquela com salinidade superior a 1.000 ppm de NaCl
equivalente e pode ser natural, como a água do mar, ou pode ser salgada com
a adição de sais como NaCl, KCl ou CaCl
2
(Thomas, 2001). A água a ser
utilizada no preparo do fluido vai depender da localização do poço a ser
perfurado e/ou da água disponível (Ferraz, 1977).
Os fluidos à base de água, geralmente, possuem concentrações de água
superiores a 90,0% e aditivos especiais como argila, barita, lignosulfonato,
lignito, soda caústica, polímeros (naturais e/ou sintéticos), entre outros,
introduzidos de acordo com as condições da formação geológica onde o poço
está sendo perfurado (Amorim, 2003). A principal função da água em fluidos de
perfuração é oferecer o meio de dispersão para os materiais coloidais,
principalmente argilas e polímeros, que controlam a viscosidade, limite de
escoamento, forças géis e filtrados em valores adequados para conferir ao
fluido uma boa taxa de remoção dos sólidos perfurados e capacidade de
estabilização das paredes do poço (Thomas, 2001).
Segundo Darley e Gray (1988), a bentonita é a argila comercial mais
utilizada em fluidos à base de água doce, sendo adicionada para desempenhar
uma ou várias das seguintes funções: aumentar a capacidade de limpeza do
poço; reduzir as infiltrações nas formações permeáveis; formar uma membrana
de baixa permeabilidade (reboco); promover a estabilidade do poço e evitar ou
superar a perda de circulação. Para Alderman (1988), as funções que os
fluidos de perfuração devem desempenhar são mais facilmente alcançadas
com o uso de dispersões de bentonita, em virtude das excelentes propriedades
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
12
coloidais e tixotrópicas que esta argila apresenta. Além de ser usada em muitos
fluidos para conferir viscosidade e controlar volume de filtrado, a bentonita
proporciona uma alta capacidade de transporte e suspensão dos detritos
gerados durante a operação de perfuração (Caenn e Chillingar, 1996).
2.2 Argilas Bentoníticas
A bentonita é uma argila largamente utilizada em muitos setores da
indústria, tais como perfuração de poços de petróleo e de água, fundições
diversas, pelotização de minério de ferro, indústria química e farmacêutica,
entre outros (Gopinath et al., 2003). É caracterizada pela predominância dos
argilominerais do grupo da esmectita, ilita e caulinita (Gopinath et al., 1979,
1981, 1988), sendo constituída por duas folhas tetraédricas de silicatos
separadas por uma folha octaédrica de alumina, unidas entre si por oxigênios
comuns às folhas (Figura 4) (Amorim, 2003). No espaço entre as camadas
encontram-se as moléculas de água adsorvidas e os chamados cátions
trocáveis, que podem ser Ca
2+
, Mg
2+
e Na
+
. Nas argilas bentoníticas
policatiônicas, estão presentes os três cátions citados acima (Amorim e
Pereira, 2003).
As argilas bentoníticas policatiônicas, quando transformadas em sódicas
pelo tratamento com carbonato de sódio (Na
2
CO
3
), incham na presença de
água, aumentando várias vezes seu volume inicial (Figura 5). Isto é possível
porque a presença do Na
+
como cátion trocável predominante permite a
adsorção de várias moléculas de água, aumentando a distância interplanar
entre as camadas, separando as partículas de argilas umas das outras. Essa
distância interplanar pode atingir valores superiores a 40,0Å. Nas argilas
policatiônicas, há uma limitação na quantidade de água adsorvida, fazendo
com que as partículas permaneçam unidas umas às outras por interações
elétricas e de massa (Amorim, 2003 e Amorim e Pereira, 2003).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
13
(b) (a)
Cátions trocáveis
Oxigênio
Hidroxila
Silício
Alumínio
c
)
Figura 4 - Representação esquemática (a) da folha de silicato tetraédrica, (b) da
folha central octaédrica de alumina da estrutura do argilomineral montmorilonita e
(c) da estrutura do argilomineral montmorilonita.
Fonte: Valenzuela Díaz, 2003.
Figura 5 – Bentonitas em meio aquoso.
Fonte: Amorim, 2003.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
14
No Brasil, as argilas comumente utilizadas no preparo de fluidos de
perfuração são as argilas bentoníticas provenientes dos jazimentos localizados
no Município de Boa Vista, PB. Segundo os últimos dados do Departamento
Nacional de Produção Mineral – DNPM (Oliveira, 2005), o volume destes
jazimentos correspondem a cerca de 25,3% das reservas medidas nacionais,
fazendo com que o Estado ocupe a posição de terceiro maior produtor do país,
o que torna sua exploração e produção economicamente viáveis.
As argilas de Boa Vista – PB, naturalmente policatiônicas, foram
descobertas no início da década de 60 e tornaram-se conhecidas por suas
cores características e por sua capacidade de transformar-se em sódica
quando tratadas com Na
2
CO
3
, iniciando-se, portanto, o seu processo de
industrialização (Amorim, 2003). Segundo Gopinath et al. (2003), essas argilas
ocorrem em forma de pequenos depósitos espalhados ao longo de uma
distância de aproximadamente 10 km.
As empresas mineradoras e beneficiadoras locais de bentonita utilizam
as cores como guia para lavra, estocagem e beneficiamento. Além disso, as
propriedades tecnológicas dessas argilas demonstram certa dependência às
cores existentes e a tratamentos com agentes químicos, como Na
2
CO
3
. As
argilas de melhor qualidade para uso como agente tixotrópico de fluidos para
perfuração rotativa de poços são da cor verde e chocolate, por apresentarem
melhor resposta ao tratamento com Na
2
CO
3
(Gopinath et al., 2003 e Amorim et
al., 2006).
Atualmente, após 40 anos de exploração, muitas argilas encontram-se
esgotadas e outras começando a rarear, a exemplo da argila Chocolate (Figura
6(b)), considerada de boa qualidade.
As argilas Bofe (Figura 6(a)) e Verde-lodo (Figura 6(c)), consideradas de
qualidade inferior, podem ser encontradas em grande quantidade. Estas
argilas, embora possuam composição mineralógica semelhante, compostas,
predominantemente, por argilominerais esmectíticos e impurezas de quartzo,
apresentam comportamento reológico diferenciado, cujo conhecimento é de
extrema importância para a sua aplicação industrial (Amorim e Pereira, 2003 e
Amorim et al., 2006).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
15
(b) (a)
Figura 6 – Argilas da mina Bravo, Boa Vista, PB (a) Bofe, (b) Chocolate e (c) Verde-
lodo.
(c)
2.3 Parâmetros de Qualificação de Bentonitas para Uso em Fluidos
de Perfuração
Segundo Stefan (1966), os vários tipos de fluidos de perfuração, com
exceção dos à base de gás, comportam-se como fluidos plásticos. Suas
características reológicas diferem das dos fluidos newtonianos, uma vez que a
viscosidade depende da tensão de cisalhamento aplicada. Logo, o autor define
a viscosidade aparente como a viscosidade de um fluido não-newtoniano como
se este apresentasse comportamento newtoniano, à determinada taxa de
cisalhamento.
Para Lummus e Azar (1986), os fluidos à base de água e bentonita
podem ser descritos como plásticos de Bingham, e suas propriedades
reológicas são definidas por meio dos parâmetros de viscosidade plástica (VP)
e limite de escoamento (LE). Essas propriedades (VP e LE) refletem o
comportamento coloidal dos sólidos presentes no fluido.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
16
A viscosidade plástica é definida como a medida da resistência interna
do fluido ao escoamento, resultante da interação dos sólidos presentes, ou
seja, a VP é uma medida da fricção resultante do choque das partículas entre
si (Amorim, 2003) e depende da concentração de sólidos no fluido. Quanto
maior o teor de sólidos, maior a fricção entre as partículas e,
consequentemente, maior a viscosidade.
O limite de escoamento (LE) é o segundo componente da resistência ao
fluxo. Fisicamente, LE representa o valor mínimo de tensão cisalhante que
deve ser aplicado ao fluido para que este inicie o escoamento (Amorim, 2003).
Também é considerado como uma medida das forças eletroquímicas ou de
atração presentes no fluido, resultante das cargas positivas e negativas das
superfícies das partículas.
Como mencionado anteriormente, os depósitos de bentonita localizados
em Boa Vista, PB, vêm sendo explorados há mais de 40 anos e, assim, as
variedades de melhor qualidade não são mais encontradas, resultado de um
processo de mineração predatório, fazendo com que os produtos
industrializados apresentem queda nas suas propriedades e não atendam às
especificações da Petrobras (1998) para uso em fluidos de perfuração à base
de água.
Segundo as especificações vigentes (Petrobras, 1998), a bentonita, para
ser utilizada no preparo de fluidos de perfuração à base de água, deve atender
a valores mínimos dos parâmetros reológicos (propriedades reológicas)
supracitados: VA ≥ 15,0 cP, VP ≥ 4,0 cP e LE ≤ 1,5 x VP. A determinação
experimental desses parâmetros é por meio do viscosímetro Fann, de acordo
com as seguintes equações (Petrobras, 1998a):
i) viscosidade aparente
2
600
L
VA =
(1)
Sendo: VA a viscosidade aparente dada em centipoise (cP) e L
600
a leitura no
viscosímetro a 600 rpm após 2 minutos de agitação;
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
17
ii) viscosidade plástica
300600
LLVP
−
=
(2)
Sendo: VP a viscosidade plástica dada em centipoise (cP) e L
300
a leitura no
viscosímetro a 300 rpm, após 15 segundos de agitação e
iii) limite de escoamento
xVPLE 5,1=
(3)
Além de VA, VP e LE, determina-se ainda o volume de filtrado (VF).
Segundo Stefan (1966), a determinação do VF permite extrair conclusões
sobre a qualidade coloidal da argila; quanto maior a proporção de partículas
coloidais, menor a porcentagem de água livre no sistema e,
conseqüentemente, menor a perda de filtrado.
O volume de filtrado é determinado através de ensaio realizado em filtro
prensa, no qual é inserida a dispersão e recolhido o filtrado durante o período
de 30 min, após a aplicação de uma pressão de 690 kPa ± 35 (100 psi ± 5)
(Petrobras, 1998a).
A determinação das propriedades VA, VP e VF permite avaliar argilas e
aditivos utilizados no preparo dos fluidos (Amorim, 2003 e Campos,2006), bem
como indicar aditivos necessários para manter as propriedades desejadas, em
virtude das modificações provocadas pela incorporação dos detritos (Amorim,
2003).
2.4 Aditivos Poliméricos
Segundo Lummus e Azar (1986), os aditivos para fluidos são
classificados em viscosificantes, agentes densificantes, redutores de
viscosidade (defloculantes), redutores de perda de fluidos, emulsificantes e
aditivos especiais. Os viscosificantes têm a função de aumentar a viscosidade
do fluido, como a bentonita, atapulgita e polímeros naturais e sintéticos. Os
agentes densificantes aumentam a densidade da lama, sendo a barita (BaSO
4
)
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
18
o mais utilizado. Os redutores de viscosidade (defloculantes ou dispersantes) e
de perda de fluido são adicionados aos fluidos com a função de reduzir a
viscosidade e o volume de filtrado, respectivamente. Os emulsificantes facilitam
o mecanismo de dispersão de dois líquidos imiscíveis, estabilizando a emulsão.
Como aditivos especiais, estão incluídos floculantes, controladores de pH,
antiespumantes, lubrificantes, dentre outros.
Os polímeros são usados em fluidos de perfuração desde 1930, quando
foi introduzido para controle de filtrações. Desde então, a sua aceitabilidade
vem aumentando à medida que se tornam cada vez mais especializados,
compondo grande parte dos sistemas à base de água nos dias de hoje
(Pereira, 2002).
A escolha do polímero a ser utilizado para um determinado fim está
associada às suas características específicas, que estão diretamente ligadas à
estrutura química e ao tamanho da sua cadeia, além das propriedades que o
fluido deve apresentar para que desempenhe de forma eficiente suas funções
durante a operação de perfuração (Barbosa, 2004).
A etapa de aditivação do fluido ocorre durante a sua preparação nos
tanques de lama, ou mesmo durante a operação de perfuração, quando é
detectada a necessidade de adequação das suas propriedades. Os polímeros
comumente empregados no preparo de fluidos são solúveis em água
(hidrossolúveis) e podem ser naturais, naturais modificados ou sintéticos.
Dentre os mais utilizados encontram-se o carboximetilcelulose (CMC, polímero
celulósico) e a poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PAM, polímero não-
celulósico) (Pereira, 2002). O CMC pode agir aumentando a viscosidade ou
reduzindo o filtrado e a PAM, por sua vez, é um excelente lubrificante, inibidor e
encapsulador de argilas hidratáveis, mas não forma reboco, facilitando a
invasão de sólidos na formação permeável. A Figura 7 mostra uma
esquematização da interação entre polímero e partícula de argila.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
19
Figura 7 – Esquematização de (a) hidratação da argila e (b) adsorção do
polímero.
Fonte: Inyang e Bae, 2005.
2.4.1 Carboximetilcelulose – CMC
Segundo Darley e Gray (1988), o primeiro registro do uso de CMC em
fluidos de perfuração foi em 1944, em Oklahoma, EUA. No Brasil, o CMC vem
sendo utilizado desde a década de 70 e os excelentes resultados de
produtividade dos poços fizeram deste aditivo a mais nobre matéria-prima dos
fluidos de perfuração (Pereira, 2002). O CMC é o polímero mais comum e
rotineiramente utilizado em fluidos como viscosificante e redutor de filtrado
(Hughes et al., 1993). Segundo Pereira (2002), seu uso reduz as perdas por
filtração e produz rebocos muito finos e capazes de impedir o escoamento da
fase contínua do fluido através das formações geológicas que estão sendo
perfuradas.
CMC é um polímero linear aniônico cuja propriedade mais importante é a
solubilização em água fria, originando soluções homogêneas, viscosas e
pseudoplásticas, podendo apresentar características tixotrópicas, que variam
na sua magnitude com a estrutura molecular e a concentração do polímero em
solução, além da temperatura (Pessoa e Barboza Filho, 1991).
A molécula de celulose (Figura 8(a)) pode ser simplificadamente descrita
como uma cadeia longa e alinhada, cujo alinhamento favorece a formação de
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
20
fibras, e algumas das regiões mais ordenadas têm estrutura cristalina, que
variam de tamanho e representam áreas de grande força mecânica e alta
resistência a ataques de reagentes químicos e de enzimas hidrolíticas. As
características químicas e físicas da celulose são dependentes da quantidade
de regiões cristalinas (Acquarone, 1997).
(a)
O
O
O
O
O
CH
2
OH
CH
2
OH
HO
HO
OH
HO
(b)
O
O
O
O
O
CH
2
OH
O
OH
HO
HO
CH
2
OCH
2
COO
-
Na
+
+
Na
-
OOCCH
2
Figura 8 – Representação da estrutura molecular (a) da celulose e (b) do CMC com
DS=1.
Fonte: Barboza Filho, 2004.
O CMC (Figura 8(b)) é obtido pelo tratamento da celulose por hidróxido
de sódio (NaOH) e reação com monocloroacetato de sódio (SMCA –
ClCH
2
COONa) (Acquarone, 1997). Um esquema simplificado da obtenção do
CMC está apresentado na Figura 9.
As propriedades físico-químicas do CMC dependem do grau de
substituição (DS), grau de polimerização (DP), uniformidade da substituição e
pureza do produto. O grau de substituição (DS) é definido como o número
médio de substituintes, por unidade monomérica, na cadeia celulósica. Cada
unidade básica da glicose anidra (C
6
H
10
O
5
) na estrutura da celulose tem três
grupos hidroxílicos (-OH) capazes de reagir com o monocloroacetato de sódio.
Assim, teoricamente, poderiam ser substituídos três grupos hidroxílicos por
mero, o que daria um DS igual a três. Porém, a substituição e distribuição dos
grupos carboximetílicos dependem da facilidade de acesso dos reagentes à
cadeia de celulose. A maioria dos produtos comerciais tem um DS variando
entre 0,4 e 1,2 (Acquarone, 1997 e Pereira, 2002). O DP é definido como o
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
21
número médio de unidades monoméricas ao longo da cadeia polimérica;
quanto maior DP, maiores o peso molecular e a viscosidade do polímero
(Amorim, 2006).
O CMC é capaz de absorver até 50 vezes o seu peso de água (Phillips
et al., 1986). Quanto maior o DS, o DP e a temperatura, maior será sua
solubilidade em água (Caraschi, 1993). A uniformidade de substituição (US),
que é a regularidade com que os grupos carboximetílicos estão substituídos na
cadeia celulósica, também afeta a sua solubilidade (Acquarone, 1997 e
Barboza Filho, 2004). Além disso, a dispersão e solubilização do CMC
dependem, também, de fatores como: método de dispersão, granulometria do
polímero, cisalhamento da solução e estrutura química do CMC (Acquarone,
1997).
NaOH SMCA
Celulose Álcali-celulose CMC + NaCl + HOCH
2
COONa + H
2
O
Etapa de
degradação
CMC Técnico
Secagem e moagem
Neutralização, purificação,
secagem e moagem
CMC Purificado
CMC BV: CMC de baixa viscosidade
CMC MV: CMC de média viscosidade
CMC AV: CMC de alta viscosidade
CMC BV
Impurezas
Água
CMC MV/AV
Impurezas
Água
Figura 9 – Esquema simplificado da obtenção do CMC.
Fonte: Barboza Filho, 2004.
A combinação dessas variáveis, DS, DP e US produz uma grande
variedade de CMC com propriedades diferentes, cada uma com um fim
tecnológico específico (Acquarone, 1997, e Barboza Filho, 2004).
Como mencionado anteriormente, o CMC é amplamente utilizado em
fluidos à base de água e argila como viscosificante e redutor de filtrado (Caenn
e Chillingar, 1996) e de espessura de reboco. Segundo Pereira (2002), o ganho
de viscosidade deve-se à hidratação do polímero: o grupo carboximetil (-
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
22
CH
2
COO
-
Na
+
), quando em solução aquosa, libera o íon Na
+
, tornando-se
aniônico e livre para hidratar-se. Desta forma, moléculas de água são
adsorvidas às cadeias do polímero, que adquirem uma configuração alongada
e elevam a viscosidade do sistema. Esta solubilidade ocorre em pHs entre 8,5
e 9,5, condição necessária para ionizar o grupo carboximetil e tornar o polímero
solúvel. Em meios ácidos, o grupo carboximetil retorna a sua forma não
ionizada e o polímero perde em solubilidade.
São três as possíveis configurações que os segmentos das cadeias de
um polímero, como o CMC, podem assumir quando em contato com partículas
sólidas: estirada (trains), alça (loops) e cauda (tails) (Sueyoshi, 1994 e
Luckham & Rossi, 1999). A configuração estirada caracteriza-se como uma
série de segmentos consecutivos em contato com a superfície. A configuração
do tipo alça consiste de segmentos em contato apenas com o meio líquido,
delimitada pelas configurações do tipo estirada, enquanto que a do tipo cauda
é a terminação delimitada pelo segmento com configuração do tipo alça e com
movimentação livre na solução (Luckham & Rossi, 1999). A Figura 10
apresenta uma ilustração da hidratação da cadeia polimérica e as possíveis
configurações quando adsorvidas à partícula de argila.
Figura 10 – Esquematização da hidratação da cadeia polimérica e suas
possíveis configurações quando adsorvidas à partícula de argila.
Fonte: Breen, 1999.
2.4.2 Poliacrilamida – PAM
Segundo revisão apresentada por Sadicoff et al. (2001), nos últimos
anos, vários estudos têm sido realizados no sentido de controlar e modificar a
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
23
viscosidade de sistemas aquosos por meio da utilização de polímeros. O
controle da viscosidade pode ser conseguido por meio da dissolução de
polímeros de alto peso molecular (PM ≈ 10
7
) ou polieletrólitos. Os polímeros à
base de poliacrilamida estão classificados entre os modificadores de reologia
mais fortes porque, entre outras razões, podem apresentar pesos moleculares
ultra altos (PM ≈ 10
6
-10
7
). No entanto, esses materiais são susceptíveis à
degradação por cisalhamento sob altas taxas, levando à perda de viscosidade
quando do retorno da solução às condições de cisalhamento tendendo a zero.
Uma alternativa para evitar a degradação irreversível por cisalhamento é a
utilização de polímeros de mais baixo peso molecular contendo pequenas
quantidades de segmentos hidrófobos (1-5% mol), que promovem
espessamento equivalente.
Para que a poliacrilamida aumente seu poder de solubilidade em água,
ela deve ser copolimerizada com acrilato de sódio para obter a solubilidade
necessária. O resultado é um polímero aniônico sintético, de cadeia muito
longa, extremamente solúvel, cujas propriedades são influenciadas pelo peso
molecular (PM), grau de hidrólise (DH) e proporção de grupos carboxila para
grupos amida (Heller e Keren, 2002 e Pereira, 2002). Os dois monômeros,
acrilato de sódio e acrilamida, estão apresentados na Figura 11.
(a) (b)
Figura 11 – Estrutura química dos monômeros (a) acrilato de sódio e (b)
acrilamida.
Durante a copolimerização, os dois monômeros são unidos ao acaso
para formar uma ligação linear C-C. O copolímero resultante tem grupos amida
e carboxila distribuídos aleatoriamente ao longo de sua cadeia polimérica
(Pereira, 2002). A estrutura da poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PAM)
está apresentada na Figura 12.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
24
Sadicoff et al. (2001), em sua revisão, ressalta que os polímeros
hidrossolúveis modificados hidrofobicamente, como são denominados, podem
ser classificados como copolímeros anfifílicos, por apresentarem na mesma
molécula segmentos hidrófilos e hidrófobos. Esses polímeros têm representado
um importante papel como agentes espessantes em áreas de recuperação de
petróleo, tratamento de água e ingredientes farmacêuticos. Esses materiais
exibem um comportamento incomum em soluções aquosas e propriedades
reológicas acentuadamente diferentes das apresentadas pelos seus similares
não-modificados, ou seja, polímeros que não apresentam segmentos laterais
hidrófobos. Particularmente, o uso de copolímeros de poliacrilamida com
diferentes grupos funcionais provou ser de grande interesse, devido ao seu
baixo custo.
Figura 12 – Estrutura da poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PAM)
resultante da copolimerização do acrilato de sódio com a acrilamida.
Fonte: Pereira, 2002.
Segundo Pereira (2001), a PAM é um dos polímeros mais utilizados no
setor de poços de água por contribuir fortemente na doação de viscosidade ao
fluido. Além de atuar como viscosificante, pode ser usado como inibidor e
encapsulador de sólidos em águas doces, salgadas, sistemas NaCl e KCl. Por
ser aniônico, este polímero é afetado pela dureza da água e superfícies
catiônicas, como as encontradas nas partículas de argilas (Pereira, 2002).
Quimicamente, a PAM inibe e encapsula argilas hidratáveis, além de melhorar
o poder de lubricidade do fluido (Strickland, 2004). É empregado em uma vasta
gama de aplicações, como tratamento de água, embalagem de alimentos,
adesivos, produção de papel (Inyang e Bae, 2005), fluidos de perfuração, onde
as características do polímero numa interface sólido-líquido têm um papel
importante (Pefferkom, 1999).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
25
Sadicoff et al. (2001) ainda diz que o estudo do comportamento
reológico de fluidos baseia-se, normalmente, na avaliação das alterações da
viscosidade da solução polimérica frente a fatores como adição de sais,
mudança de temperatura, mudança do grau de incorporação do grupo
hidrófobo, mudança do PM do polímero e variação da concentração de
tensoativo adicionada à solução. O comportamento reológico da solução
polimérica como função dos fatores anteriormente mencionados é muito
importante para aplicação dos copolímeros na área de recuperação de
petróleo. Os polímeros hidrossolúveis modificados hidrofobicamente, quando
usados como agentes espessantes nessa área de aplicação, estão sujeitos a:
presença de sais, que podem ser encontrados na água de formações
subterrâneas; altas temperaturas, como as obtidas em aplicações nas quais o
meio aquoso é bombeado a profundidades que variam de aproximadamente
1600 a 6600m; e altos cisalhamentos, como os encontrados no bombeamento
dos fluidos.
As propriedades reológicas de bentonitas e a formação da estrutura em
gel com a água são alteradas pela adição de PAM. Em conseqüência, observa-
se o aumento da viscosidade do fluido. A PAM pode ser utilizada na melhoria
da recuperação de hidrocarboneto, redução de erosão, estabilidade de solos e
floculação de argilas (Pefferkom, 1999 e Heller e Keren, 2002). A PAM altera o
comportamento reológico quando adicionado a uma suspensão de
montmorilonita sódica (Heller e Keren, 2002), dependendo da concentração e
temperatura (Yang, 2001), atribuindo ao sistema alteração na viscosidade com
o aumento da concentração, podendo levar um sistema argila-água a um
estado floculado, devido a PAM ser um polímero de cadeia longa (Pereira,
2002 e Barbosa, 2005).
Estudos realizados pelo Grupo de Pesquisa Fluidos de Perfuração, da
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), com o objetivo de
melhorar/corrigir o comportamento reológico de dispersões das argilas
bentoníticas de Boa Vista, PB, bem como indicar soluções para problemas que
surgem durante a operação de perfuração de poços de petróleo, têm mostrado
que o uso de aditivos poliméricos, celulósicos (a exemplo do
carboximetilcelulose e celulose polianiônica) e não-celulósicos (PAM), são
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
26
capazes de corrigir e/ou recuperar as propriedades reológicas (VA e VP) e de
filtração (VF) ocasionadas pela contaminação dos fluidos durante o processo
de perfuração (Amorim, 2003, Barbosa, 2004, Farias, 2005 e Barboza, 2006).
2.5 Planejamento Experimental
Muitos produtos são formados pela mistura de vários componentes e as
suas propriedades dependem das proporções desses componentes na mistura.
Por esta razão, dentre as diversas técnicas experimentais de análise e
planejamento, o uso do delineamento de misturas vem crescendo
continuamente, despertando interesse nas universidades e indústrias (Gomes,
2004). Nesse tipo de experimento, os componentes são misturados, em
quaisquer proporções, e uma resposta é obtida para cada conjunto de
componentes. Assume-se, geralmente, que esta resposta é função somente
das proporções, como por exemplo, massa e volume dos componentes
presentes na mistura e não da quantidade total da mistura (Barros Neto et al.,
1996).
Campos (2006), em sua revisão, cita que, segundo Cornell (1990), a
pesquisa estatística de experimentos com misturas, refletida em artigos da
literatura estatística e quase todas as teorias e metodologias de experimentos
com misturas, surgiram na comunidade estatística a partir das décadas de 60 e
70.
O propósito geral em um experimento com misturas é tornar possível,
por meio de superfícies de respostas, a estimativa das propriedades de um
sistema multicomponentes, a partir de um número limitado de observações.
Essas observações são obtidas de combinações pré-selecionadas dos
componentes na tentativa de se determinar quais delas, de alguma maneira,
otimizam a resposta (Barros Neto et al., 1996) e também verificar como as
respostas ou propriedades de interesse são afetadas pela variação das
proporções dos componentes da mistura. Além disso, possibilita a utilização de
otimização gráfica para determinação das composições (misturas) adequadas,
englobando todas as variáveis de interesse (Correia et al., 2004). Nesse caso,
as proporções dos componentes (x
i
) não são independentes, pois sua soma
deve totalizar 100% (Cornell, 1990).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
27
Com os resultados obtidos no delineamento de misturas, pode-se utilizar
polinômios simplificados para relacionar a propriedade de interesse às diversas
proporções utilizadas. Isso possibilita a previsão quantitativa das propriedades
de qualquer formulação no sistema estudado, realizando somente alguns
experimentos (Schabbach et al., 2003).
Este procedimento pode ser particularmente útil quando se pretende
desenvolver um determinado produto com propriedades específicas. Além das
equações de regressão obtidas para cada propriedade especificada, são
definidas metas e exigências para cada uma (geralmente inequações que
exprimem a gama de variação admitida), de acordo com as especificações do
tipo de produto a ser fabricado, sendo obtido um sistema de inequações ou
equações simultâneas, geralmente não lineares. A resolução desse sistema
conduz à definição de composições (misturas das mesmas matérias-primas)
mais adequadas que atendam às propriedades especificadas para a aplicação.
A resolução do sistema pode ser obtida por otimização matemática (Gomes,
2004).
Exemplos de trabalhos envolvendo o delineamento de misturas são as
pesquisas realizadas por Gomes (2004), Viana (2006) e Campos (2006).
Gomes (2004) teve por objetivo estudar o comportamento reológico de massas
cerâmicas triaxiais obtidas a partir do delineamento de misturas, determinando
modelos matemáticos e curvas de nível que correlacionam o teor ótimo de
defloculante à presença das matérias-primas argila, feldspato e quartzo. Viana
(2006) estudou a influência de diferentes processos de troca de cátions em
composições binárias de argilas bentoníticas da Paraíba, visando a obtenção
de bentonitas sódicas. E Campos (2006) utilizou a metodologia do
delineamento de misturas com o objetivo de encontrar composições binárias e
ternárias de argilas que potencializem os usos das argilas de qualidade inferior
disponíveis no município de Boa Vista, PB.
Em seus trabalhos, Gomes (2004) e Campos (2006) explicam que o
planejamento experimental utilizado para misturas difere dos planejamentos
fatoriais, uma vez que as propriedades de uma mistura são determinadas pelas
proporções de seus componentes, e não pela quantidade total. Além disso, as
proporções dos diversos componentes de uma mistura não são independentes.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
28
A soma de todas elas tem que resultar sempre em 100% . Para uma mistura de
n componentes, tem-se, portanto, a Equação 4, mostrada abaixo:
1...
21
1
=+++=
∑
=
n
n
i
i
xxxx (4)
sendo
xi a proporção do i-ésimo componente numa escala em que 100%
corresponde a um. A existência dessa restrição torna o espaço disponível para
experimentação mais restrito. Para sistemas com três fatores independentes, é
possível investigar todos os pontos contidos no cubo mostrado na Figura 13(a).
Um caso típico seria o estudo da variação da viscosidade de suspensões com
x1 = concentração de sólidos, x2 = teor de defloculante e x3 = temperatura, por
exemplo. No caso de misturas de três componentes, a Equação 4 torna-se
x1 +
x2 + x3 = 1, correspondendo, geometricamente, a um triângulo eqüilátero inscrito
no cubo (Figura 13(a)). As diferentes composições possíveis são
representadas pelos pontos pertencentes ao triângulo. Os vértices
correspondem aos componentes puros, e os lados, às misturas binárias,
enquanto os pontos situados no interior do triângulo representam as possíveis
misturas de três componentes. A variação de uma dada propriedade com a
composição da mistura pode ser representada por uma superfície de resposta
desenhada acima do triângulo, como mostra a Figura 13(b). Representando
essa superfície por suas curvas de nível seria obtido o diagrama triangular da
Figura 13(c).
Fazendo-se uma distribuição uniformemente espaçada de pontos
experimentais no espaço de fator disponível, tem-se como resultado
planejamentos em rede simplex (Gomes, 2004 e Campos, 2006). Sendo assim,
se o número de componentes na mistura é n, o espaço de fator disponível
torna-se uma figura simples com (n – 1) dimensões (por exemplo, um triângulo
para n = 3, um tetraedro para n = 4) (Montgomery, 1997).
Segundo Gomes (2004) e Campos (2006), um planejamento simplex {n,
m} para n componentes (onde m é o grau do modelo) consiste de pontos que
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
29
são definidos pelo conjunto de coordenadas, onde as proporções de cada
componente são tomadas a m+1 valores igualmente espaçados de 0 a 1
1,...,
2
,
1
,0
mm
x
i
=
(5)
sendo
i = 1, 2, 3, ...., n e todas as combinações (misturas) possíveis são
formadas usando as proporções dos componentes da Equação 5.
Figura 13 – (a) Espaço experimental para processos com três variáveis
independentes, (b) superfície de resposta para todas as misturas possíveis
dos componentes e (c) Curvas de nível da superfície de resposta.
Fonte: Montgomery, 1997.
Para um sistema com n = 3 componentes, o fator de espaço disponível é
um triângulo equilátero e as proporções de cada componente serão 0, ½, 1
quando m = 2. Então o simplex {3, 2} consiste de seis pontos localizados nas
arestas do triângulo: (
x1, x2, x3) = (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0,1), ( ½, ½ , 0 ), ( ½ ,0,
½), (0, ½, ½ ). Os pontos (1, 0, 0) ou
x1 = 1, x2 = x3 = 0, (0, 1, 0) ou x1 = x3 = 0, x2 =
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
30
1 e (0, 0, 1) ou x1 = x2 = 0, x3 = 1 representam as misturas dos componentes
puros e estão localizados nos três vértices do triângulo. Os pontos (½, ½, 0),
(½, 0, ½) e (0, ½, ½) representam as combinações binárias ou misturas de dois
componentes xi = xj = ½, xk = 0, k≠i,j, e estão localizados no centro das arestas
(lados) do triângulo (Figura 14 (a)). Sendo assim, cada uma das proporções
dos componentes na mistura é um número fracional e a soma das frações é
igual a um. Quando delimitados numa rede, esses pontos formam um arranjo
simétrico com relação aos vértices e lados do simplex.
O planejamento em rede simplex {n, m}, portanto, apresenta algumas
propriedades atrativas que tornam o uso do arranjo simplex um ótimo caminho
para diminuir o custo e o tempo de experimentação, bem como aumenta a
precisão das estimativas do modelo. Algumas destas propriedades são:
- a rede consiste de um arranjo simétrico e uniforme dos pontos sobre o
simplex, e assim, é dada igual segurança para cada componente do sistema;
- o arranjo é extremamente simples para montar (determinar as combinações
dos componentes) e
- as estimativas dos mínimos quadrados dos coeficientes do modelo de
regressão (superfícies de resposta) são facilmente calculadas das médias das
observações dos pontos do delineamento.
Além da rede simplex, pode-se utilizar, de maneira alternativa, o simplex
com pontos no centróide (Figura 14(b)). Nesse tipo de planejamento, existirão
além de 2n-1 pontos, os pontos do centróide (1/n). Logo, quando deseja-se
observar a influência real da mistura dos n componentes, utiliza-se o
planejamento simplex aumentado.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
31
Figura 14 – Arranjos simplex para três componentes: (a) sem pontos no
centróide e (b) com pontos no centróide.
Fonte: Cornell, 1990.
Em se tratando especialmente de misturas de polímeros para aditivação
de argilas bentoníticas, a literatura se apresenta de forma escassa, o que
desperta o interesse para o desenvolvimento dessa área. Essa linha de
pesquisa vem sendo explorada pelo Grupo de Pesquisa Fluidos de Perfuração,
da UFCG, visto a sua importância no âmbito acadêmico e industrial. Os
primeiros resultados foram apresentados por Barbosa (2005) e Barboza (2006),
evidenciando uma excelente alternativa para a aditivação de fluidos e a
possibilidade da combinação das propriedades de diferentes polímeros.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
32
Capítulo 3
Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
Neste capítulo são apresentados os materiais, a metodologia utilizada,
os resultados e discussão e as conclusões parciais obtidas na realização desta
etapa da pesquisa, referente à aditivação polimérica de argilas bentoníticas
visando a escolha de materiais para o desenvolvimento de um composto
polimérico para aditivação de bentonitas para aplicação em fluidos de
perfuração à base de água.
3.1 Materiais
3.1.1 Argilas Bentoníticas
Foram estudadas três (03) amostras de argilas bentoníticas sódicas
industrializadas, compostas pela mistura das argilas provenientes das jazidas
de Boa Vista, PB, denominadas por A, B e C. As amostras foram fornecidas
pela Empresa Bentonit União Nordeste Ltda – BUN, situada na Avenida Assis
Chateaubriand, 3877, Campina Grande, PB.
3.1.2 Aditivos Poliméricos
Foram estudadas sete (07) amostras de aditivos poliméricos: cinco
amostras de carboximetilcelulose (CMC) de diferentes graus de viscosidade,
sendo duas amostras de CMC de alta viscosidade, denominadas de CMC AV-
107 e CMC AV-108, uma amostra de média viscosidade, denominada de CMC
MV, e duas amostras de baixa viscosidade, denominadas CMC BV-110 e CMC
BV-111; uma amostra de poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PAM) e uma
amostra composta pela mistura de CMC e PAM, denominada de MIX. As
amostras de CMC foram fornecidas pela Empresa Denver-Cotia Indústria e
Comércio de Produtos Químicos Ltda., localizada na Estrada Fernando Nobre,
600-A, Rio Cotia, Cotia, SP, e as amostras de PAM e MIX foram fornecidas
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
33
pela Empresa System Mud Indústria e Comércio Ltda, localizada na Rua Otávio
Muller, 204, Carvalho, Itajaí, SC. Os dados técnicos dos polímeros estão
apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Dados técnicos dos polímeros.
Dados técnicos
Amostras
Função Aplicação Composição
Tamanho
de cadeia
Viscosidade
(cP)
CMC
AV-107
Viscosificante
Água
doce
CMC de
sódio
Longa 3440*
CMC
AV-108
Viscosificante
Água
doce
CMC de
sódio
Longa 3200*
CMC
MV
Viscosificante
Água
doce
CMC de
sódio
Média 3640*
CMC
BV-110
Defloculante
e redutor de
filtrado
Água
doce
CMC de
sódio
Curta 23**
CMC
BV-111
Defloculante
e redutor de
filtrado
Água
doce
CMC de
sódio
Curta 260***
PAM Viscosificante
Água
doce e
salgada
Copolímero
de acrilato
de sódio e
acrilamida
Longa 3200*
MIX Viscosificante
Água
doce e
salgada
CMC de
sódio e
PAM
Longa -
*Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 3, solução aquosa 1%
com correção de umidade.
**Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 1, solução aquosa 2%
com correção de umidade.
***Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 2, solução aquosa 1%
com correção de umidade.
3.2 Metodologia
3.2.1 Preparação dos Fluidos de Perfuração
Os fluidos de perfuração foram preparados segundo a norma N-2605
(Petrobras, 1998a), que consiste em adicionar 24,3 g de argila, correspondente
a 4,86% em massa de argila, em 500 mL de água deionizada e agitar durante
20 min a uma velocidade entre 16.000 rpm e 19.000 rpm, em agitador
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
34
mecânico da marca Hamilton Beach, modelo N 936. A seguir, os fluidos
permanecem em repouso durante 24 h em câmara úmida com 100% de
umidade relativa.
A mesma metodologia foi seguida para os fluidos preparados com as
argilas aditivadas com polímeros. Nesse caso, as argilas, na concentração
supracitada, foram misturadas manualmente com o polímero em pó em
diferentes concentrações.
Para as amostras de CMC, foram estudadas as concentrações de 0,2g,
0,3g e 0,4g/24,3g de argila seca. Por ser um polímero de peso molecular
elevado e cadeia longa, a PAM, assim como o MIX, formado pos frações de
PAM e CMC, foram estudados nas concentrações de 0,05g, 0,1g e 0,2g/24,3g
de argila seca. No texto, as concentrações serão tratadas por 0,05, 0,1, 0,2, 0,3
e 0,4 g.
3.2.2 Estudo Reológico dos Fluidos de Perfuração
O estudo reológico dos fluidos, antes e após aditivação polimérica, foi
realizado segundo a norma N-2605 (Petrobras, 1998a), que consiste nas
seguintes etapas: agitar a dispersão durante 5 minutos em agitador mecânico
na velocidade entre 16.000 rpm e 19.000 rpm. Em seguida, transferir a
suspensão para o recipiente do viscosímetro Fann modelo 35A, acioná-lo na
velocidade de 600 rpm durante 2 minutos e efetuar a leitura. Logo após, mudar
para 300 rpm, fazendo a leitura após 15 segundos. A viscosidade aparente
(VA) é o valor obtido na leitura a 600 rpm dividido por 2, dada em cP, e a
viscosidade plástica (VP) é a diferença das leituras realizadas a 600 rpm e a
300 rpm, dada também em cP. O volume do filtrado (VF) foi determinado em
filtro prensa da marca Fann, com aplicação de uma pressão da ordem de 7,0
kgf/cm
2
(100 psi) durante 30 minutos. Os resultados são expressos em mL.
O limite de escoamento (LE) é calculado a partir do valor de VP,
segundo a Equação 3, apresentada no capítulo 2, item 2.3.
A seguir, encontra-se o fluxograma que apresenta as etapas realizadas
nesta fase da pesquisa (Figura 15).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
35
Argilas A, B e C
Aditivação
Polimérica
Preparação dos Fluidos de
Perfuração (Petrobras, 1998a)
Repouso- 24h
Estudo Reológico
(Petrobras, 1998a)
Seleção da argila e dos polímeros para o desenvolvimento
de um composto polimérico para aditivação de bentonitas.
Figura 15 – Fluxograma referente a metodologia desenvolvida para a aditivação
polimérica de argilas bentoníticas.
3.3 Resultados e Discussão
Nas Tabelas 2 a 4 estão apresentados os resultados obtidos com os
fluidos de perfuração preparados com as argilas A, B e C, antes e após
aditivação polimérica.
Os resultados das propriedades reológicas e de filtração dos fluidos
preparados com as argilas A, B e C, antes da aditivação polimérica, mostram
que a argila C (Tabela 4) apresenta melhores valores de VA, VP e VF, estando
VP e VF, além do LE, de acordo com os valores especificados pela Petrobras
(1998) para uso na perfuração de poços de petróleo.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
36
Tabela 2 – Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos preparados com a
argila A, antes e após aditivação polimérica.
Tipo de polímero Teor de polímero (g) VA (cP) VP (cP) VF (mL) LE (N/m²)
- - 9,5 4,5 21,4 5
0,2 16 5,5 14
10,5
0,3 21,5 5,5 13,2
16
CMC AV-107
0,4 20,3 7,5 13,4
12,8
0,2 14,3 5,5 14 8,8
0,3 18,3 6,5 13,6
11,8
CMC AV-108
0,4 20 8 13
12
0,2 10,5 5 14 5,5
0,3 14,8 7 13,4 7,8
CMC MV
0,4 16,5 6,5 13,6
10
0,2 6,3 4,5 16 1,8
0,3 6,8 5 14,8 1,8
CMC BV-110
0,4 7,3 5,5 14,8 1,8
0,2 10,3 5,5 15,4 4,8
0,3 12 6,5 13 5,5
CMC BV-111
0,4 13,3 7,5 14 5,8
0,05 27,8 9 19,9 18,8
0,1 38 11 22,2 27
PAM
0,2 43 14,5 16,2 28,5
0,05 11,3 5,5 19,2 5,8
0,1 16,5 6,5 19 10
MIX
0,2 34 6,5 16,8 27,5
Especificações (Petrobras, 1998) ≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5 x VP
A análise dos resultados mostra que, de modo geral, os fluidos
preparados com as argilas A, B e C, aditivadas com polímeros, apresentam
melhoria nas propriedades reológicas (VA, VP e LE) e de filtração (VF), quando
comparados aos fluidos preparados com as argilas sem aditivo, aumentando
VA e VP e reduzindo VF. Os melhores resultados foram obtidos com as
bentonitas aditivadas com os CMCs AV-107, AV-108, nas concentrações de
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
37
0,3 e 0,4g, e MV, para a concentração de 0,4g (Tabelas 2, 3 e 4). Observa-se,
também, que a argila B aditivada com 0,4g de CMC MV (Tabela 3) e a argila C
aditivada com 0,4g de CMC AV-107, AV-108 e MV (Tabela 4), atendem as
especificações da Petrobras (1998) para uso na perfuração de poços de
petróleo.
Quando os aditivos poliméricos são adicionados em meio aquoso, estes
são dispersos fazendo com que a cadeia polimérica seja hidratada e assuma
uma configuração que pode ser alongada ou enovelada, dependendo das
características do polímero. Essa hidratação do polímero é, portanto,
responsável pelo aumento da viscosidade do sistema e redução no VF.
Quando se tem a presença de argilas bentoníticas, ocorre a formação de uma
camada de solvatação entre as cargas negativas do polímero e as cargas
positivas presentes nas arestas das partículas de argila, neutralizando-as e
fazendo com que ocorra uma repulsão mútua entre elas, tornando o sistema
disperso, defloculado ou estável (Amorim, 2003). Esse comportamento também
pode ser explicado através dos mecanismos de estabilização eletrostática e
eletroestérica. A estabilização eletrostática ocorre como conseqüência da
repulsão entre as cadeias do polímero ligadas às partículas de argila, enquanto
que, a estabilização eletroestérica ocorre como conseqüência do aumento da
distância mínima de separação entre as partículas de argila que estão
envolvidas pelas cadeias poliméricas e pelas interações de caráter elétrico
repulsivo entre as cadeias do polímero (Oliveira, 2000). A Figura 16 ilustra os
mecanismos de estabilização estérica e eletroestérica.
(a) (b)
Figura 16 – Ilustração dos mecanismos de estabilização (a) estérica e (b)
eletroestérica.
Fonte: Oliveira et al.
,
2000.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
38
Tabela 3 – Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos preparados com a
argila B, antes e após aditivação polimérica.
Tipo de polímero Teor de polímero (g) VA (cP) VP (cP) VF (mL) LE (N/m²)
- - 10 4 19,8 6
0,2 14 5 14 9
0,3 18,5 6 11,4
12,5
CMC AV-107
0,4 19 7,5 11,6
11,5
0,2 13,5 5 13,6 8,5
0,3 17,3 6 12,2
11,3
CMC AV-108
0,4 18,8 7,5 11,8
11,3
0,2 10 5,5 13,8 4,5
0,3 14 7 11,8 7
CMC MV
0,4 15,5 7 12 8,5
0,2 6 4 14 2
0,3 6,5 5 13,2 1,5
CMC BV-110
0,4 6,8 5 13 1,8
0,2 9,5 5,5 13 4
0,3 11,3 6,5 12,2 4,8
CMC BV-111
0,4 12 7 12,8 5
0,05 28,5 8,5 17,6 20
0,1 36 9,5 17,6 26,5
PAM
0,2 39,5 10 17,5 29,5
0,05 9,5 4,5 18,4 5
0,1 15,8 5,5 17,2
10,3
MIX
0,2 31 6,5 14 24,5
Especificações (Petrobras, 1998) ≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5 x VP
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
39
Tabela 4 – Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos preparados com a
argila C, antes e após aditivação polimérica.
Tipo de polímero Teor de polímero (g) VA (cP) VP (cP) VF (mL) LE (N/m²)
- 0 11 4,5 17,4 6,5
0,2 14,8 6 12,8 8,8
0,3 18,8 5,5 11,6
13,3
CMC AV-107
0,4 19,3 8 11,3 11,3
0,2 13,8 5,5 12,7 8,3
0,3 18 6 11,6
12
CMC AV-108
0,4 18,8 8 11,6 10,8
0,2 10,8 5,5 13,2 5,3
0,3 14,3 7 12 7,3
CMC MV
0,4 15,3 7,5 12 7,8
0,2 6,3 4,5 13,6 1,8
0,3 7,3 5 13 2,3
CMC BV-110
0,4 7,8 5,5 12,7 2,3
0,2 10,3 5,5 13,6 4,8
0,3 11,8 6,5 12,8 5,3
CMC BV-111
0,4 12,8 7 12,6 5,8
0,05 25,3 9 16,6 16,3
0,1 34,5 9 17,4 25,5
PAM
0,2 50,3 14,5 15 35,8
0,05 10,3 5,5 16,4 4,8
0,1 13,5 5,5 16,4 8
MIX
0,2 28,5 5,5 15,6 23
Especificações (Petrobras, 1998) ≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5 x VP
Os fluidos de perfuração preparados com as argilas aditivadas com os
CMCs AV-107, AV-108 e MV apresentam elevação das viscosidades aparente
(VA) e plástica (VP), desempenhando de maneira adequada a função para a
qual são indicados. Observa-se também que esses polímeros, além de agirem
como viscosificantes, atuam como excelentes redutores de filtrado, função
normalmente desempenhada por polímeros de cadeia curta, como o CMC BV.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
40
Os fluidos de perfuração preparados com as argilas aditivadas com CMC
BV-110 apresentam redução em VA e VF, enquanto que os fluidos preparados
com as argilas aditivadas com CMC BV-111 apresentam aumento na VA e
diminuição em VF (Tabelas 2, 3 e 4), comparando com os resultados das
argilas sem aditivo polimérico, sendo VF a propriedade que sofre a maior
influência deste tipo de aditivo. O comportamento apresentado pelos fluidos
preparados com as argilas aditivadas com o CMC BV-110 está de acordo com
o estudo apresentado por Heller e Keren (2002), o qual mostra que polímeros
celulósicos de pequeno tamanho de cadeia, utilizado em pequenas
concentrações, atuam como dispersantes.
Os fluidos preparados com as bentonitas aditivadas com PAM mostram
que o aumento na concentração deste aditivo conduz o sistema a um estado
floculado. Isto ocorre porque a PAM é um polímero de cadeia muito longa, que
pode ocasionar o estado de floculação através dos efeitos de encapsulamento
(Pereira, 2002), formação de pontes (Somasudaran et al., 1996) e quando
segmentos de uma mesma cadeia polimérica são adsorvidos às superfícies de
diferentes partículas de argila (Luckham & Rossi, 1999). A Figura 17 ilustra a
floculação obtida através da formação de pontes por uma cadeia polimérica e
por duas cadeias poliméricas.
(b)
(a)
Figura 17 – Ilustração da floculação obtida através da formação de pontes (a)
por uma única cadeia polimérica e (b) por duas cadeias poliméricas.
Fonte: Sueyoshi, 1994.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
41
Os fluidos preparados com as argilas aditivadas com o MIX mostram
comportamento semelhante aos CMCs AV-107, AV-108 e MV, quando
adicionado em pequenas concentrações, embora o MIX seja composto por
frações de CMC e de PAM; o aumento na concentração deste aditivo conduz o
sistema a um estado de floculação, assim como a PAM, indicando que para
concentrações mais altas as características da PAM se sobressaem.
Uma análise conjunta dos resultados apresentados nas Tabelas 2, 3 e 4
mostra que, dentre as argilas bentoníticas estudadas, a argila C é a que
apresenta melhor comportamento reológico sem a presença de aditivos
poliméricos, com valores de VP, VF e LE de acordo com os limites
especificados para uso na perfuração de poços de petróleo (Petrobras, 1998).
Contudo, essa argila, por apresentar VA inferior ao mínimo especificado (15cP)
não passa pelos controles rígidos da Petrobras.
Após aditivação das argilas com os polímeros, observa-se grande
melhoria do comportamento reológico dos fluidos, apresentando viscosidades
(VA e VP) e taxa de filtração (VF) de acordo com a especificação da Petrobras
(1998). Dentre os aditivos de cadeia longa, o CMC AV-108 e a PAM atuam de
forma mais eficiente no aumento das viscosidades (VA e VP) dos fluidos,
enquanto que, dentre os aditivos de cadeia curta, o CMC BV-111 atua de forma
mais eficiente na redução de VF.
Portanto, esses materiais foram selecionados para a realização da
segunda etapa da pesquisa, que consiste no desenvolvimento de um composto
polimérico para aditivação de argilas bentoníticas com o objetivo de adequar as
propriedades das argilas para aplicação em fluidos de perfuração de poços de
petróleo. O composto polimérico foi formado por PAM + CMC BV-111 + CMC
AV-108. Devido à presença de PAM na composição do composto polimérico,
as concentrações estudadas foram: 0,05, 0,1 e 0,15 g, visto que elevadas
concentrações de PAM conduzem os fluidos a um estado de floculação,
indesejável para a perfuração de poços.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 3 – Aditivação Polimérica de Argilas Bentoníticas
42
3.4 Conclusões Parciais
Neste capítulo foi apresentada a etapa de aditivação polimérica de
argilas bentoníticas para seleção dos materiais a serem utilizados na
formulação do composto polimérico e concluiu-se que:
• o fluido de perfuração preparado com a argila C, antes da aditivação
polimérica, apresenta melhor comportamento reológico, quando
comparado com as argilas A e B, com valores de VP, VF e LE que
satisfazem as especificações da Petrobras para uso na perfuração de
poços;
• de um modo geral, a aditivação polimérica melhora as propriedades
reológicas e de filtração dos fluidos de perfuração preparados com as
argilas A, B e C, sendo os melhores resultados obtidos com a
incorporação dos CMCs AV-107, AV-108 e MV que, além de agirem
como viscosificantes, atuam como excelentes redutores de filtrado;
• os polímeros CMC AV-108, CMC BV-111 e PAM atuam de forma mais
eficiente no desempenho das funções para as quais são indicados e
• o aumento na concentração de PAM conduz o sistema a um estado
floculado.
Portanto, a argila C e os polímeros PAM, CMC BV-111 e CMC AV-108
foram selecionados para a realização da segunda etapa da pesquisa, que
consiste no desenvolvimento de um composto polimérico para aditivação de
argilas bentoníticas com o objetivo de adequar as propriedades das argilas
para aplicação em fluidos de perfuração de poços de petróleo.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
43
Capítulo 4
Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação
de Argila Bentonítica
Neste capítulo são apresentados os materiais, a metodologia utilizada,
os resultados e discussão e as conclusões parciais obtidas na realização desta
etapa da pesquisa, referente ao desenvolvimento de um composto polimérico
para aditivação de argilas bentoníticas a serem utilizadas no preparo de fluidos
de perfuração à base de água.
4.1 Materiais
4.1.1 Argilas Bentoníticas
Foi estudada uma amostra de argila bentonítica sódica industrializada,
composta pela mistura das argilas provenientes das jazidas de Boa Vista, PB,
denominada C.
4.1.2 Composto Polimérico
Para o desenvolvimento do composto polimérico, foram selecionadas
três (03) amostras de aditivos poliméricos, como apresentado no capítulo 3:
duas amostras de carboximetilcelulose (CMC) de diferentes graus de
viscosidade, CMC AV-108 e CMC BV-111, e uma amostra de poliacrilamida
parcialmente hidrolisada (PAM).
O aditivo polimérico comercial, MIX, foi utilizado como aditivo padrão
para comparação dos resultados.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
44
4.2 Metodologia
4.2.1 Delineamento de Misturas
As composições foram formuladas com os polímeros PAM, CMC BV-111
e CMC AV-108 empregando a metodologia de modelagem de misturas do
planejamento experimental (Cornell, 1990). Para definir as composições foi
utilizado um planejamento em rede simplex {3,2}, aumentado com pontos no
interior, totalizando dez composições. As composições estão apresentadas na
Tabela 5. Na Tabela 6, estão os dados técnicos das composições poliméricas.
Tabela 5 – Matriz de planejamento de composições de polímeros.
Proporções dos polímeros na mistura
Composições
PAM
(%)
CMC BV-111
(%)
CMC AV-108
(%)
1 100 0 0
2 0 100 0
3 0 0 100
4 50 50 0
5 50 0 50
6 0 50 50
7 33,33 33,33 33,33
8 66,66 16,66 16,66
9 16,66 66,66 16,66
10 16,66 16,66 66,66
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
45
Tabela 6 – Dados técnicos das composições poliméricas.
Composições Umidade (%) Viscosidade (cP)
1 12,2 3200*
2 6 260***
3 5 3200*
4 14,2 2640*
5 15,8 5600**
6 12,2 720***
7 15,2 2840*
8 14,9 3400*
9 15,1 420***
10 13,6 3280*
* Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 3.
** Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 4.
*** Viscosidade medida em viscosímetro Brookfield LVF a 30 rpm, pino 2.
4.2.2 Preparação dos Fluidos de Perfuração
Os fluidos de perfuração foram preparados seguindo metodologia da
norma N-2605 (Petrobras, 1998a), detalhada no capítulo 3, item 3.2.1.
Para o desenvolvimento desta etapa da pesquisa, foram estudadas duas
concentrações de argila, 4,86% em massa (24,3g de argila / 500mL de água
deionizada) e 2,5% em massa (12,5g de argila / 500mL de água deionizada).
A argila, na concentração de 4,86%, foi misturada manualmente com as
composições poliméricas em pó em diferentes concentrações: 0,05g, 0,1g e
0,15g de composto polimérico / 24,3g de argila. Para a concentração de 2,5%
em massa de argila, as concentrações de composto polimérico utilizadas foram
0,4g, 0,6g e 0,8g/12,5g de argila. No texto as composições serão tratadas por:
0,05g, 0,10g, 0,15g, 0,4g, 0,6g e 0,8g.
4.2.3 Estudo Reológico dos Fluidos de Perfuração
O estudo reológico dos fluidos, antes e após aditivação polimérica da
bentonita, foi realizado segundo a norma N-2605 (Petrobras, 1998a), descrito
no item 3.2.2.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
46
A seguir, encontra-se o fluxograma referente às etapas desenvolvidas
nesta fase da pesquisa (Figura 18).
Polímeros:
Argila C
PAM, CMC BV-111 e
CMC AV-108
Delineamento
de misturas
Composto
Polimérico
4.3 Resultados e Discussão
Nas Tabelas 7 e 8 e Figuras 19, 20, 21 e 22, estão apresentados os
valores de VA, VP, VF e LE dos fluidos preparados com a argila C aditivada
com composto polimérico, para as concentrações de 4,86% e 2,5% em massa
de argila, respectivamente.
Mistura da Argila
com o Composto
Polimérico
Preparação dos Fluidos de
Perfuração (Petrobras, 1998a)
Repouso - 24h
Estudo Reológico
(Petrobras, 1998a)
Figura 18 - Fluxograma da metodologia para desenvolvimento do composto
polimérico e aditivação de bentonita para aplicação em fluidos de perfuração à
base de água.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
47
Tabela 7 - Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos preparados com
4,86% em massa de argila C aditivada com o composto polimérico nas
diferentes composições estabelecidas pelo delineamento de misturas.
Teor de composto
polimérico (g)
Composição VA (cP) VP (cP) VF (mL) LE (N/m²)
---- --- 11 4,5 17,4 6,5
1 25,3 9 16,6 16,3
2 9 3,5 16 5,5
3 13 5,5 16,6 7,5
4 15,5 7 16,6 8,5
5 19,3 6,5 15,4
12,8
6 10,5 4 15,2 6,5
7 14,5 6 15,5 8,5
8 19,5 7,5 15,8
12
9 10,5 5 15,6 5,5
0,05
10 12,8 5,5 16,4 7,3
1 34,5 9 17,4 25,5
2 9,5 5 14,6 4,5
3 14 5 14 9
4 23,8 9 16,1
14,8
5 27 9 14,4 18
6 11,5 4,5 14 7
7 21,3 8,5 15,4 12,8
8 33 9 15,6 24
9 12,8 5,8 14,5 7
0,1
10 18,5 5,5 15,2
13
1 38,8 10,5 16,5 28,3
2 10 5 13,6 5
3 14,3 4,5 14 9,8
4 31 9,5 13,5 21,5
5 34 11,5 15,2 22,5
6 11,5 5 13,2 6,5
7 23,8 9 14,6
14,8
8 36,5 11,5 16 25
9 14,5 7 12,7 7,5
0,15
10 17,3 7,5 12,7 9,8
Fluidos preparados com a argila aditivada com MIX
0,05
10,3 5,5 16,4 4,8
0,10
13,5 5,5 16,4 8
0,15
MIX
17,0 6,5 12,8
10,5
Especificações
(Petrobras, 1998)
≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5 x VP
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
48
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16
10
15
20
25
30
35
40
Viscosidade Aparente (cP)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Viscosidade Plástica (cP)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16
10
20
30
40
50
60
VA≥15,0cP
(a)
VP≥4,0cP
(b)
Limite de Escoamento (N/m
2
)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
(c)
Figura 19 – Propriedades reológicas dos fluidos preparados com 4,86% em massa
de argila C aditivada com o composto polimérico nas diferentes composições
estabelecidas pelo delineamento de misturas (a) VA, (b) VP e (c) LE.
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
49
0,00 0,04 0,08 0,12 0,16
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Volume de Filtrado (mL)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
VF≤18,0mL
Figura 20 – VF dos fluidos preparados com 4,86% em massa de argila C aditivada
com o composto polimérico nas diferentes composições estabelecidas pelo
delineamento de misturas.
Os resultados apresentados nas Tabelas 7 e 8 e nas Figuras 19, 20, 21
e 22 mostram que, de modo geral, a aditivação polimérica da argila bentonítica
melhora as propriedades dos fluidos de perfuração, quando comparado ao
resultado do fluido preparado com a argila C antes da aditivação polimérica.
Assim como observado por Amorim (2003) e discutido no capítulo 3, item 3.3, a
melhoria das propriedades deve-se à hidratação das cadeias poliméricas,
conduzindo ao aumento de VA e VP e diminuição de VF. Isso ocorre porque a
presença de argilas bentoníticas possibilita a formação de uma camada de
solvatação entre as cargas negativas do polímero e as cargas positivas
presentes nas arestas das partículas de argila, neutralizando-as e fazendo com
que ocorra uma repulsão mútua entre elas, tornando o sistema disperso,
defloculado ou estável. Porém, para elevados valores de VA, que caracteriza
um estado floculado, há uma redução na distância entre as partículas de argila
devido a sua adsorção às cadeias dos polímeros e, quanto maior o tamanho da
cadeia polimérica, maior o estado de floculação alcançado, pois várias
partículas adsorvem na mesma cadeia gerando o fenômeno de
encapsulamento (Amorim, 2003).
Uma análise geral da Tabela 7 e Figuras 19 e 20, que apresentam os
resultados referentes aos fluidos de perfuração preparados com 4,86% em
massa de argila, mostra que as composições 1 (100% de PAM), 4 (50% de
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
50
PAM + 50% de CMC BV-111), 5 (50% de PAM + 50% de CMC AV-108), 7
(33,33% de PAM + 33,33% de CMC BV-111 + 33,33% de CMC AV-108), 8
(66,66% de PAM + 16,66% de CMC BV-111 + 16,66% de CMC AV-108) e 10
(16,66% de PAM + 16,66% de CMC BV-111 + 66,66% de CMC AV-108)
apresentam os melhores resultados. Dentre elas, as composições 4, 7 e 10
evidenciam a interação entre os polímeros que compõem a mistura, com
resultados satisfatórios que atendem as especificações da Petrobras para
fluidos de perfuração à base de água (1998), enquanto que as composições 1,
5 e 8, embora apresentem resultados dentro das especificações da Petrobras
(1998), conduzem o sistema a um estado de maior floculação, por
apresentarem uma maior quantidade de PAM. Os altos valores de LE obtidos
com estes fluidos resultam do elevado teor de sólidos presente em sua
composição, visto que o LE depende da VP dos fluidos e que esta propriedade
é uma medida da fricção resultante do choque das partículas entre si e,
portanto, quanto maior o teor de sólidos, maior a tensão cisalhante necessária
para que este inicie o escoamento.
Os fluidos preparados com 4,86% em massa de argila (Tabela 7 e
Figuras 19 e 20) aditivados com a composição 1 (100% de PAM) conduz o
sistema argila-água a um estado de floculação elevado, acentuado à medida
em que aumenta-se a concentração deste aditivo. Esse comportamento deve-
se ao fato de que a PAM é um polímero aniônico, de cadeia muito longa, que
tem como principal função a doação de viscosidade aos fluidos. O mesmo
acontece com os fluidos preparados com a argila aditivada com as
composições 5 (50% de PAM + 50% de CMC AV-108, ambos de cadeia longa)
e 8 (66,66% de PAM + 16,66% de CMC BV-111 + 16,66% de CMC AV-108),
nas concentrações mais elevadas (0,10 e 0,15 g). Esse tipo de comportamento
indica que polímeros de cadeia muito longa formam estruturas tridimensionais
com as partículas de argila, evidenciado pelo forte efeito exercido sobre a VA
das suspensões argilosas (Heller e Keren, 2002).
Os fluidos preparados com 4,86% em massa de argila aditivada com a
composição 2 (100% de CMC BV-111) apresentam redução em VA e VF
(Tabelas 7), comparado ao resultado obtido com o fluido preparado com a
argila sem aditivo polimérico. Esse comportamento deve-se ao fato do CMC
BV-111 ser um polímero de cadeia curta, que possui como principal função
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
51
reduzir a taxa de filtração (Amorim, 2003). Polímeros de cadeia curta agem
geralmente como defloculantes, pois proporcionam neutralização de parte das
cargas positivas das partículas de argila, uma a uma, recobrindo-as nas
extremidades e aumentando a distância entre elas (Pereira, 2002).
Com a concentração de 0,05 g da composição 4, 0,10g da composição 7
e 0,15g da composição 10, para os fluidos preparados com 4,86% em massa
de argila (Tabela 7, Figuras 19 e 20), consegue-se obter um fluido que atende
a todas as especificações (Petrobras, 1998). O comportamento observado por
estes fluidos, evidencia a interação entre os três aditivos que compõem a
mistura, confirmando as funções para as quais cada tipo de aditivo é indicado.
Com 0,15g da composição 10, incorporada à argila C, consegue-se obter um
fluido que atenda a todas as propriedades especificadas pela Petrobras (1998)
para uso na perfuração de poços.
Comparando os resultados, apresentados na Tabela 7, dos fluidos
preparados com 4,86% em massa de argila aditivada com o composto
polimérico com os fluidos preparados com a argila aditivada com o MIX (aditivo
comercial), observa-se que a aditivação da argila com o composto polimérico,
de modo geral, corrige mais adequadamente as propriedades reológicas e de
filtração dos fluidos, visto que, com a concentração de 0,05g de composto
polimérico, para algumas composições, é possível obter fluidos com valores de
VA, VP e VF de acordo com as especificações (Petrobras, 1998).
Para os fluidos preparados com 2,5% em massa de argila (Tabela 8,
Figuras 21 e 22), observa-se que, para a concentração de 0,4g do composto
polimérico, embora os valores de VP, VF e LE dos fluidos estejam de acordo
com os limites especificados (Petrobras, 1998), os fluidos não atendem às
especificações (Petrobras, 1998) devido aos baixos valores de VA (inferiores a
15cP) que apresentam. Estes valores resultam da baixa quantidade de argila
utilizada no preparo dos fluidos, o que torna necessário uma maior
concentração de composto polimérico para adequação das propriedades. Para
a concentração de 0,6g do composto polimérico, os melhores resultados são
obtidos quando a argila é aditivada com as composições 5, 7, 8 e 10,
satisfazendo a todas as propriedades especificadas (VA, VP, VF e LE) pela
Petrobras (1998), e, para 0,8g de composto polimérico, as composições 1, 3, 4,
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
52
5, 7, 8, 9 e 10 atendem as especificações da Petrobras (1998) para uso em
fluidos de perfuração de poços de petróleo. Ao contrário dos fluidos preparados
com 4,86% em massa de argila, os fluidos com 2,5% em massa de argila
apresentam valores de LE que satisfazem as especificações da Petrobras
(1998). O teor de sólidos, cujo valor deve ser mantido no mínimo possível, é
uma propriedade que deve ser controlada com rigor porque o seu aumento
implica no aumento de várias outras propriedades, tais como densidade,
viscosidade e forças géis, além de aumentar a probabilidade de ocorrência de
problemas como desgaste dos equipamentos de circulação, fratura das
formações devido à elevação das pressões de bombeio ou hidrostática, prisão
da coluna e redução da taxa de penetração (Thomas, 2001). Além disso,
comparando os resultados, apresentados na Tabela 8, dos fluidos preparados
com 2,5% em massa de argila aditivada com o MIX com os fluidos preparados
com a argila aditivada com o composto polimérico, observa-se que o composto
polimérico apresenta melhor desempenho na correção/melhoria das
propriedades reológicas e de filtração dos fluidos.
Em revisão apresentada por Heller e Keren (2002) e como observado
por Somasudaran et al. (1996), polímeros aniônicos, como a PAM, podem
flocular suspensões de argila pela formação de pontes entre as partículas,
porém essa floculação depende de propriedades dos polímeros, tais como
peso molecular (PM) e densidade de carga. Quanto maior o PM e a densidade
de carga, maior a probabilidade de formação de pontes entre partículas.
Segundo Pereira (2002), a PAM é um dos polímeros mais utilizados no
setor de poços de água por contribuir fortemente na doação de viscosidade ao
fluido. Porém, o estado de floculação apresentado pelos resultados indica que
a incorporação deste aditivo proporciona a formação de pontes. Como
observado por Amorim et al. (2003) e Barbosa (2004), as longas cadeias
poliméricas da PAM adsorvem nas superfícies das partículas de argila
diminuindo as distâncias entre elas levando à floculação do sistema, o que é
indesejável para a perfuração de poços de petróleo.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
53
Tabela 8 - Propriedades reológicas e de filtração dos fluidos preparados com
2,5% em massa de argila C aditivada com o composto polimérico nas
diferentes composições estabelecidas pelo delineamento de misturas.
Teor de composto
polimérico (g)
Composição VA (cP) VP (cP) VF (mL) LE (N/m²)
--- --- 1,9 1,5 26,3 0,4
1 12,3 7,5 17 4,8
2 5 4 17,4 1
3 10,3 6 17,8 4,3
4 11,4 7,5 16,7 3,8
5 13,8 8,2 18,6 5,6
6 7,9 5,3 17,8 2,6
7 12 8 16,1 4
8 12,2 7,3 18,7 4,9
9 9,7 6,8 17,2 2,9
0,4
10 12,5 7,2 16,6 5,3
1 13,9 8,3 16,6 5,6
2 6,8 5,5 15,9 1,3
3 14,2 8,8 17,3 5,4
4 13,4 8,8 17,3 4,6
5 16,7 10 17,8 6,7
6 10,4 6,8 16,7 3,6
7 15,3 9,5 16,9 5,8
8 15 9,5 16,2 5,5
9 12,5 8,5 17,5 4
0,6
10 16,8 10 16,3 6,8
1 15,5 9 16,3 6,5
2 8,8 6,5 16,8 2,3
3 17,7 10 16,4 7,8
4 16 10,2 15,7 5,8
5 20,4 11,5 16,5 8,9
6 13,8 9 16,3 4,8
7 17,8 10,7 17,1 7,1
8 16,9 10,3 16,4 6,6
9 15,3 10 17,4 5,3
0,8
10 19,9 11,5 16,6 8,4
Fluidos preparados com a argila aditivada com MIX
0,4 8,5 6,0
18,3 2,5
0,6 12,8 9,5
16,0 2,8
0,8
MIX
14,8 9,5 16,0 5,3
Especificações
(Petrobras, 1998)
≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5 x VP
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
54
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Viscosidade Aparente (cP)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Viscosidade Plástica (cP)
Teor de Composto polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
(a)
VP≥4,0cP
VA≥15,0cP
(b)
Limite de Escoamento (N/m
2
)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
(c)
Figura 21 – Propriedades reológicas dos fluidos preparados com 2,5% em massa
de argila C aditivada com o composto polimérico nas diferentes composições
estabelecidas pelo delineamento de misturas (a) VA, (b) VP e (c) LE.
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
55
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
14
16
18
20
22
24
26
28
Volume de Filtrado (mL)
Teor de Composto Polimérico (g)
Composição 1
Composição 2
Composição 3
Composição 4
Composição 5
Composição 6
Composição 7
Composição 8
Composição 9
Composição 10
VF≤18,0mL
Figura 22 – VF dos fluidos preparados com 2,5% em massa de argila C aditivada
com o composto polimérico nas diferentes composições estabelecidas pelo
delineamento de misturas.
Em estudo sobre o efeito de diferentes concentrações de PAM nas
propriedades reológicas de sistemas bentonita-água, Güngör e Karaoğlan
(2001) apresentaram três possibilidades para as interações entre as moléculas
de PAM e as partículas de argila: (i) a troca aniônica entre as hidroxilas (OH¯)
presentes nas superfícies das partículas de argila e os ânions carboxílicos
(COO¯) do polímero, (ii) a formação de ligações hidrogênio entre as hidroxilas
da superfície da partícula e o grupo C = O do polímero e (iii) o estabelecimento
de pontes envolvendo íons divalentes a partir de forças eletrostáticas.
Comparando os resultados dos fluidos preparados com a argila C
aditivada com os polímeros isolados, composições 1 (100% de PAM), 2 (100%
de CMC BV-111) e 3 (100% de CMC AV-108), com os resultados obtidos com
os fluidos preparados com a argila C aditivada com as composições 4 (50% de
PAM + 50% de CMC BV-111), 7 (33,33% de PAM + 33,33% de CMC BV-111 +
33,33% de CMC AV-108) e 10 (16,66% de PAM + 16,66% de CMC BV-111 +
16,66% de CMC AV-108) (Tabelas 7 e 8, Figuras 19, 20, 21 e 22), é possível
observar a influência de cada tipo de polímero sobre o comportamento
reológico dos fluidos de perfuração, ou seja, que o CMC BV-111 atua
diminuindo o VF enquanto o CMC AV-108 e a PAM atuam na viscosificação
dos fluidos, sendo estes comportamentos definidos de acordo com o tamanho
de cadeia dos polímeros.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
56
A análise conjunta dos resultados mostra que os fluidos preparados com
2,5% em massa de argila aditivada com 0,8g das composições 1, 3, 4, 5, 7, 8,
9 e 10 (Tabela 8, Figuras 21 e 22) apresentam melhor desempenho na
correção/melhoria das propriedades reológicas e de filtração, evidenciando o
benefício de se fazer uso de misturas de polímeros para obtenção de um
composto com propriedades adequadas para aditivação de bentonitas,
mostrando que as argilas de qualidade inferior encontradas nos jazimentos de
Boa Vista, PB, a exemplo das argilas Bofe e Verde-lodo que compõem a argila
C, atualmente empregadas em aplicações menos nobres, como aglomerantes
para areias de fundição, podem ser utilizadas na preparação de fluidos à base
de água para perfuração de poços.
Pelo exposto acima, os resultados apresentados pelos fluidos
preparados com 2,5% em massa de argila foram utilizados para realização da
análise estatística que será apresentada no Capítulo 5.
4.4 Conclusões Parciais
Com o objetivo de desenvolver um composto polimérico para aditivação
de bentonitas a serem empregadas no preparo de fluidos de perfuração à base
de água, concluiu-se que:
• o composto polimérico foi formulado pela mistura dos polímeros PAM,
CMC BV-111 e CMC AV-108 unindo as características individuais de
cada polímero e resultando em composições poliméricas adequadas
para aditivação de bentonitas a serem utilizadas no preparo de fluidos
de perfuração;
• a aditivação com compostos poliméricos melhora/otimiza as
propriedades reológicas (VA, VP e LE) e de filtração (VF) dos fluidos
preparados com a argila C;
• para os fluidos preparados com 4,86% em massa de argila, as
composições 1, 4, 5, 7, 8 e 10 apresentam valores de VA, VP e VF de
acordo com as especificações e elevados valores de LE devido ao alto
teor de sólidos presente nos fluidos, porém as composições 1 e 8
conduzem os fluidos a um estado de floculação elevado, devido à
presença de uma maior porcentagem de PAM na composição. Os
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 4 – Desenvolvimento de Composto Polimérico e Aditivação de Argila Bentonítica
57
melhores resultados são obtidos com as composições 4, 5, 7 e 10 com
propriedades reológicas e de filtração que atendem às especificações da
Petrobras para uso no preparo de fluidos à base de água;
• os fluidos preparados com 2,5% em massa de argila aditivada com 0,8g
das composições 1, 3, 4, 5, 7, 8, 9 e 10 apresentam melhor desempenho
na correção/melhoria das propriedades reológicas e de filtração com
valores de VA, VP, VF e LE de acordo com as especificações da
Petrobras e
• a redução na porcentagem de argila aditivada com polímeros usada na
preparação do fluido, eleva a possibilidade de se obter fluidos que
atendam adequadamente às propriedades especificadas para uso na
perfuração de poços.
De uma maneira geral, os fluidos preparados com 2,5% em massa de
argila aditivada com o composto polimérico apresentam melhor desempenho
na correção/melhoria das propriedades reológicas e de filtração com
propriedades de acordo com as especificações da Petrobras.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
58
Capítulo 5
Estudo Estatístico
Neste capítulo são apresentados a metodologia empregada para a
realização do estudo estatístico, com base nos resultados apresentados pelo
comportamento reológico dos fluidos preparados com 2,5% em massa de
argila, apresentados na Tabela 8, Capítulo 4, item 4.3, e discutidos os
resultados obtidos.
5.1 Metodologia
5.1.1 Estudo Estatístico
Na representação do ajuste de valores de resposta (VA, VP, VF e LE),
utilizou-se os modelos linear (Equação 6), quadrático (Equação 7) e cúbico
(Equação 8), para a escolha de modelos estatisticamente significativos,
Y (x
1
,x
2
,x
3
) = b
1
x
1
+ b
2
x
2
+ b
3
x
3
(6)
Y (x
1
,x
2
,x
3
) = b
1
x
1
+ b
2
x
2
+ b
3
x
3
+ b
12
x
1
x
2
+ b
13
x
1
x
3
+ b
23
x
2
x
3
(7)
Y (x
1
,x
2
,x
3
) = b
1
x
1
+ b
2
x
2
+ b
3
x
3
+ b
12
x
1
x
2
+ b
13
x
1
x
3
+ b
23
x
2
x
3
+ b
123
x
1
x
2
x
3
(8)
sendo Y a estimativa da resposta VA, VP, VF e LE, b o coeficiente da equação
determinado conforme Cornell (1990) e x a proporção dos componentes na
mistura.
Os resultados apresentados na Tabela 8 (Capítulo 4, item 4.3) foram
usados para calcular, iterativamente, até serem obtidos modelos
estatisticamente significativos, os coeficientes das equações de regressão que
relacionam VA, VP, VF e LE com as proporções dos polímeros presentes no
composto polimérico. Os modelos foram ajustados para representar as
respostas sobre uma superfície, com o objetivo de encontrar modelos que
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
59
descrevam o comportamento reológico das misturas com a menor margem de
erro possível, quando comparados com os resultados reais dos experimentos.
A avaliação da eficiência dos modelos foi feita por meio de métodos
estatísticos, calculados com ajuda de software adequado.
5.1.2 Otimização Matemática
As equações de regressão foram sujeitas às restrições apresentadas
pelas especificações da Petrobras (1998) para fluidos à base de água e argila
utilizados na perfuração de poços de petróleo, que são: VA ≥ 15,0 cP, VP ≥ 4,0
cP e LE ≤ 1,5 x VP.
A solução simultânea das equações de regressão, sujeitas a estas
restrições, foi calculada usando o software MATLAB (6.5). Em termos gráficos,
representado em diagrama triangular dos componentes, trata-se de encontrar a
intersecção das superfícies de resposta das várias propriedades, sendo
possível a determinação da região viável que conduzirá à composições que
satisfazem todas as restrições e que são adequadas para produzir fluidos de
acordo com as especificações da Petrobras (1998).
5.2 Resultados e Discussão
A Tabela 9 apresenta as estatísticas relevantes para análise de variância
estatística das propriedades VA, VP, VF e LE para os fluidos preparados com
2,5% em massa de argila aditivada com 0,4g, 0,6g e 0,8g do composto
polimérico, referente aos resultados apresentados na Tabela 8 (Capítulo 4, item
4.3).
Analisando os parâmetros estatísticos principais, teste F, valor p,
coeficiente de múltipla determinação (R
2
) e coeficiente de múltipla
determinação ajustado (R
2
A
), apresentados na Tabela 9, observa-se que os
modelos apresentados para VA, VP e LE, para todas as concentrações de
composto polimérico estudadas, são estatisticamente significativos ao nível
estipulado (Valor p ≤ nível de significância). Os valores de R
2
e R
2
A
mostram
que os modelos para VA, VP e LE não apresentam variabilidades
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
60
consideráveis; quanto mais perto da unidade estiver o valor de R
2
, melhor terá
sido o ajuste do modelo aos dados experimentais.
Tabela 9 – Estatísticas relevantes para análise de variância das variáveis VA,
VP, VF e LE.
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,4g do composto polimérico
Variáveis Modelo Teste F Valor p R
2
R
2
A
VA Quadrático 18,6263 0,007116 0,9588 0,9073
VP Quadrático 8,1728 0,03173 0,9108 0,7999
VF
Cúbico
Especial
0,3677 0,8627 0,4238 0
LE Quadrático 17,2418 0,0082 0,9556 0,9002
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,6g do composto polimérico
Variáveis Modelo Teste F Valor p R
2
R
2
A
VA Quadrático 10,8597 0,0192 0,9314 0,8456
VP
Cúbico
Especial
9,6262 0,0452 0,9506 0,8518
VF Quadrático 0,3161 0,8807 0,2832 0
LE Quadrático 12,0825 0,0158 0,9379 0,8602
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,8g do composto polimérico
Variáveis Modelo Teste F Valor p R
2
R
2
A
VA Quadrático 14,048 0,012 0,9461 0,8788
VP Quadrático 11,5263 0,0172 0,9351 0,8539
VF
Cúbico
Especial
1,5746 0,3808 0,7589 0,2769
LE Quadrático 16,5483 0,0088 0,9538 0,8962
Sendo R² o coeficiente de múltipla determinação e R²
A
o coeficiente de múltipla determinação
ajustado.
A partir dos resultados experimentais apresentados na Tabela 8
(Capítulo 4, item 4.3), e de acordo com as estatísticas apresentadas na Tabela
9, foram obtidas equações de regressão de acordo com os modelos linear,
quadrático e cúbico especial, correlacionando as proporções dos polímeros
presentes no composto polimérico com VA, VP, VF e LE (Tabela 10).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
61
Analisando os termos estatisticamente significativos dos modelos
matemáticos apresentados na Tabela 10, observa-se que as frações de
polímeros possuem efeito sinérgico nos valores de VA, VP, VF e LE. Esse
efeito pode ser confirmado pelos dados apresentados na Tabela 8 (Capítulo 4,
item 4.3), na qual percebe-se a influência de cada tipo de aditivo nessas
propriedades. É importante ressaltar que esses resultados são significativos ao
nível de 95% de confiança.
Tabela 10 – Modelos matemáticos codificados para as propriedades, VA, VP,
VF e LE, dos fluidos preparados com 2,5% em massa de argila, aditivada com
as diferentes concentrações do composto polimérico.
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,4g do composto polimérico
VA = 11,93P
1
*
+ 5,14P
2
*
+ 10,51P
3
*
+ 11,5P
1
P
2
*
+ 10,63P
1
P
3
*
+ 2,67P
2
P
3
VP = 7,2P
1
*
+ 4,15P
2
*
+ 6,01P
3
*
+ 7,63P
1
P
2
*
+ 6,16P
1
P
3
+ 2,45P
2
P
3
VF = 17,43P
1
*
+ 17,46P
2
*
+ 17,48P
3
*
- 1,03P
1
P
2
+ 5,03P
1
P
3
+ 0,28P
2
P
3
– 35,58
P
1
P
2
P
3
LE = 4,67P
1
*
+ 0,98P
2
*
+ 4,44P
3
*
+ 3,49P
1
P
2
*
+ 4,61P
1
P
3
*
+ 0,43P
2
P
3
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,6g do composto polimérico
VA = 13,53P
1
*
+ 6,97P
2
*
+ 14,57P
3
*
+ 11,81P
1
P
2
+ 10,61P
1
P
3
+ 0,68P
2
P
3
+
42,56P
1
P
2
P
3
VP = 8,16P
1
*
+ 5,63P
2
*
+ 8,93P
3
*
+ 7,58P
1
P
2
+ 5,79P
1
P
3
– 0,86P
2
P
3
+
24,78P
1
P
2
P
3
VF = 16,39P
1
*
+ 16,21P
2
*
+ 17,11P
3
*
+ 4,41P
1
P
2
+ 2,61P
1
P
3
+ 0,65P
2
P
3
–
20,75P
1
P
2
P
3
LE = 5,34P
1
*
+ 1,26P
2
+ 5,54P
3
*
+ 5,39P
1
P
2
+ 5,78P
1
P
3
+ 2,8P
2
P
3
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,8g do composto polimérico
VA = 14,99P
1
*
+ 9,06P
2
*
+ 18,01P
3
*
+ 15,82P
1
P
2
*
+ 15,71P
1
P
3
*
+ 4,26P
2
P
3
VP = 8,79P
1
*
+ 6,66P
2
*
+ 10,13P
3
*
+ 9,96P
1
P
2
*
+ 8,11P
1
P
3
*
+ 3,86P
2
P
3
VF = 16,23P
1
*
+ 16,97P
2
*
+ 16,32P
3
*
– 3,18P
1
P
2
+ 0,30P
1
P
3
– P
2
P
3
+
29,96P
1
P
2
P
3
LE = 6,2P
1
*
+ 2,34P
2
+ 7,83P
3
*
+ 5,9P
1
P
2
+ 7,68P
1
P
3
+ 0,36P
2
P
3
Sendo: P
1
, P
2
e P
3
– proporções dos polímeros PAM, CMC BV e CMC AV, respectivamente.
* Estatisticamente significativos ao nível de 95,0 % de confiança.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
62
Para os fluidos preparados com 2,5% em massa de argila, aditivada com
0,4g do composto polimérico, os termos estatisticamente significativos nos
mostra que, na equação para VA, os polímeros PAM e CMC BV e PAM e CMC
AV interagem sinergicamente. O mesmo comportamento, para a propriedade
VA, pode ser observado para os fluidos preparados com a argila aditivada com
0,8g do composto polimérico. Na equação de VP, para os fluidos preparados
com a argila aditivada com 0,4g de composto polimérico, observa-se que os
polímeros PAM e CMC BV interagem sinergicamente, ou seja, contribuem para
elevar o valor desta propriedade, enquanto que para os fluidos preparados com
a argila aditivada com 0,8g de composto polimérico, observa-se que há sinergia
entre os polímeros PAM e CMC BV e PAM e CMC AV. Para a propriedade VF,
não há interação sinérgica entre os polímeros que compõem a mistura, apenas
os polímeros individuais contribuem para a redução na taxa de filtração. A
equação do LE, para os fluidos preparados com a argila aditivada com 0,4g de
composto polimérico, também apresenta sinergismo entre os polímeros PAM e
CMC BV e PAM e CMC AV. Observa-se também que nenhum dos termos
estatisticamente significativos, apresentados na Tabela 10, atua de forma
antagônica nas propriedades dos fluidos.
Em todas as equações de regressão obtidas para os modelos, percebe-
se a forte influência da PAM (P
1
) sobre as propriedades reológicas e de
filtração dos fluidos. Contudo, os dados reológicos evidenciaram a ação de
cada um dos aditivos e sua influência sobre as viscosidades aparente (VA) e
plástica (VP) e sobre o volume de filtrado (VF); os polímeros de alta
viscosidade (PAM e CMC AV) atuam mais fortemente no aumento das
viscosidades, enquanto que o de baixa viscosidade (CMC BV) age na redução
das perdas por filtração.
Em resumo, os modelos apresentados na Tabela 9 podem ser
considerados como sendo estatisticamente significativos para descrever o
comportamento das variáveis estudadas, em função das proporções de
polímeros na mistura, visto que o objetivo deste estudo é encontrar a região do
diagrama ternário que apresenta composições poliméricas adequadas para a
aditivação de bentonitas, possibilitando a obtenção de fluidos de perfuração
com propriedades necessárias durante a operação de perfuração.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
63
As Figuras 23, 24 e 25 apresentam as curvas de nível, referentes à
projeção das superfícies de resposta, calculadas para os valores de VA, VP,
VF e LE, para os fluidos preparados com a argila aditivada com 0,4g, 0,6g e
0,8g do composto polimérico, respectivamente. Nestas figuras, visualiza-se a
influência individual de cada polímero sobre as propriedades analisadas, além
da influência da concentração dos aditivos poliméricos que compõem a
mistura.
(a)
(c) (d)
(b)
Figura 23 – Superfícies de resposta para os fluidos preparados com 2,5% em
massa de argila aditivada com 0,4g do composto polimérico para (a) VA, (b) VP,
(c) VF e (d) LE.
De acordo com as Figuras 23 (a), 23 (b), 24 (a), 24 (b), 25 (a) e 25 (b),
observa-se que os maiores valores de VA e VP encontram-se para as
composições localizadas próximas ao vértice referente a PAM, ou seja, que o
aumento na fração mássica desse polímero conduz à elevação das
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
64
viscosidades, uma vez que polímeros de cadeia muito longa têm como função
a viscosificação do sistema (Pereira,2002) e, consequentemente, quanto maior
a sua concentração no fluido, maior será o aumento nos valores de VA e VP,
como observado e discutido no Capítulo 4. O mesmo comportamento pode ser
observado para o LE, visto que essa propriedade é dependente da VP dos
fluidos. Porém, os fluidos preparados com a argila aditivada com 0,4g de
composto polimérico (Figura 23) não atingem os valores especificados pela
Petrobras (1998) para uso na perfuração de poços.
(a)
(c) (d)
(b)
Figura 24 – Superfícies de resposta para os fluidos preparados com 2,5% em
massa de argila aditivada com 0,6g do composto polimérico para (a) VA, (b) VP,
(c) VF e (d) LE.
Para os fluidos preparados com a argila C aditivada com 0,4 g, 0,6g e
0,8g de composto polimérico, em qualquer ponto da superfície de resposta, a
VP (Figura 23 (b), 24 (b) e 25 (b)) e o VF (Figura 23 (c), 24 (c) e 25 (c)) dos
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
65
fluidos estão de acordo com os limites especificados pela Petrobras (1998).
Para as concentrações de 0,4g e 0,6g de composto polimérico, analisando as
Figuras 23 (c) e 24 (c), o VF atinge valores mínimos à medida que se observa
uma redução na fração mássica de CMC AV-108 e um aumento na
porcentagem de CMC BV-111 na composição. Porém, efeito contrário é
observado para a concentração de 0,8g de composto polimérico: quanto menor
a porcentagem de CMC BV-111 na composição, menor o valor de VF
alcançado (Figura 25 (c)). Esse comportamento confirma os dados
experimentais (Tabela 8), evidenciando que a mistura de polímeros de
diferentes características conduz a definição de composições mais adequadas
que atendam às propriedades especificadas para a aplicação em fluidos de
perfuração à base de água (Petrobras, 1998).
(a)
(c) (d)
(b)
Figura 25 – Superfícies de resposta para os fluidos preparados com 2,5% em
massa de argila aditivada com 0,8g do composto polimérico para (a) VA, (b) VP,
(c) VF e (d) LE.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
66
Uma importante consideração a respeito das superfícies de resposta é a
possibilidade de se utilizar otimização gráfica para determinação das misturas
adequadas englobando todas as variáveis de interesse envolvidas (Correia et
al., 2004).
A solução do sistema de inequações formado pelas equações de
regressão (Tabela 10) e pelas restrições estabelecidas pela Petrobras (1998),
conduziu a composições que, de acordo com os modelos matemáticos
escolhidos, são adequadas para produzir fluidos de perfuração que atendam as
normas da Petrobras (1998).
A Figura 26 mostra a intersecção das áreas definidas para cada
propriedade individual (VA, VP, VF e LE), apresentando a região (região viável,
em vermelho) de composições que, possivelmente, atende as normas da
Petrobras (1998), ou seja, todas as composições que se encontram na região
viável, provavelmente, produzem fluidos de perfuração à base de água e argila
aditivada com polímeros que atendem as especificações vigentes (Petrobras,
1998).
Percebe-se que para os fluidos preparados com 2,5% em massa de
argila aditivada com 0,4g de composto polimérico não há intersecção entre as
propriedades, não sendo possível a obtenção de composições que atendam as
especificações da Petrobras (1998) para uso na perfuração de poços. Esse
comportamento é esperado, devido a pequena concentração de argila e
composto polimérico utilizada no preparo do fluido, embora os valores de VP,
VF e LE (Figura 23 (b), (c) e (d)) atendam os limites determinados pela norma
(Petrobras, 1998). Com aumento da concentração de composto polimérico
(Figura 24 (b) e (c)) é possível a obtenção de uma maior região de
composições, no diagrama ternário, que atendam adequadamente às
especificações para uso na preparação de fluidos de perfuração à base de
água (Petrobras, 1998).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
67
(c)
(b)
(a)
Figura 26 – Interseção das superfícies de resposta de VA, VP, VF e LE,
mostrando as composições adequadas para uso em fluidos de perfuração, para
os fluidos preparados com a argila aditivada com (a) 0,4g, (b) 0,6g e (c) 0,8g de
composto polimérico.
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
68
Com o objetivo de validar os modelos e os resultados obtidos com a
resolução das equações, foram selecionadas composições, dentro da região
viável (região em vermelho), para os fluidos preparados com a argila aditivada
com 0,6g (Figura 26 (b)) e 0,8g (Figura 26 (c)) de composto polimérico. A
Tabela 11 mostra as composições de teste, os valores preditos pelos modelos
e os valores obtidos experimentalmente (valores observados).
Tabela 11 – Composições de teste dos modelos e os respectivos valores
preditos e observados.
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,6g do composto polimérico
Proporções de
polímeros nas
composições de
teste
Valores preditos Valores observados
P
1
(%)
P
2
(%)
P
3
(%)
VA
(cP)
VP
(cP)
VF
(mL)
LE
(N/m
2
)
VA
(cP)
VP
(cP)
VF
(mL)
LE
(N/m
2
)
20 20 60 15,2 9,7 16,9 5,9 15,3 9,5 16,5 5,8
70 10 20 16,0 9,7 16,9 6,2 15,0 9,3 17,1 5,8
60 30 10 15,2 9,6 17,0 5,5 15,0 9,5 16,5 5,4
40 20 40 16,7 10,2 16,8 5,7 15,0 9,5 16,2 5,5
Fluidos preparados com a argila aditivada com 0,8g do composto polimérico
Proporções de
polímeros nas
composições de
teste
Valores preditos Valores observados
P
1
(%)
P
2
(%)
P
3
(%)
VA
(cP)
VP
(cP)
VF
(mL)
LE
(N/m
2
)
VA
(cP)
VP
(cP)
VF
(mL)
LE
(N/m
2
)
10 20 70 17,9 10,6 16,7 7,3 19,7 11,8 16,8 7,9
80 10 10 17,2 10,2 16,3 7,1 17,2 9,5 16,0 7,2
30 60 10 15,3 9,9 16,5 5,4 16,1 10,5 15,8 5,5
40 20 40 19,1 11,3 17,0 7,8 19,1 11,3 17,0 7,8
Especificações (Petrobras, 1998)
≥15,0 ≥4,0 ≤18,0 ≤1,5xVP
Sendo: P
1
, P
2
e P
3
– proporções dos polímeros PAM, CMC BV e CMC AV, respectivamente.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
69
Analisando a Tabela 11 percebe-se que, de acordo com os resultados
experimentais obtidos (valores observados), os modelos escolhidos são
significativamente eficazes para a previsão dos resultados das propriedades
estudadas, com valores experimentais bem próximos dos valores previstos
pelos modelos.
5.3 Conclusões Parciais
Com os objetivos de: realizar o estudo estatístico dos resultados obtidos
com os fluidos preparados com 2,5% em massa de argila aditivada com o
composto polimérico; encontrar composições, dentro da região viável, que
atendam às especificações da Petrobras (1998) para uso em fluidos de
perfuração à base de água e validar os modelos matemáticos obtidos para
cada propriedade, conclui-se que:
• de acordo com a análise dos parâmetros estatísticos principais, os
modelos apresentados para VA, VP, VF e LE, para todas as
concentrações de composto polimérico estudadas, são significativos;
• as frações de polímeros individuais na mistura possuem efeito sinérgico
nos valores de VA, VP, VF e LE;
• as equações de regressão obtidas para cada variável, nas diferentes
concentrações, evidenciam a forte influência da PAM sobre as
propriedades estudadas;
• analisando as superfícies de resposta, observa-se que os melhores
valores de VA, VP e LE encontram-se para as composições localizadas
próximas ao vértice, do diagrama ternário, referente à PAM;
• a solução do sistema de inequações formado pelas equações de
regressão e pelas restrições estabelecidas pela Petrobras conduziu a
composições que, de acordo com os modelos matemáticos escolhidos,
são adequados para produzir fluidos que atendem às normas da
Petrobras;
• os fluidos preparados com a argila C aditivada com 0,4g de composto
polimérico não atendem as especificações da Petrobras, não sendo
possível obter composições que atendam às normas da Petrobras,
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 5 – Estudo Estatístico
70
devido a pequena concentração de argila e composto polimérico
utilizado;
• o aumento na concentração de composto polimérico (0,6g e 0,8g)
conduz a uma maior região, no diagrama ternário, de composições com
propriedades reológicas (VA, VP e LE) e de filtração (VF) que satisfazem
as especificações da Petrobras e
• os ensaios realizados com os fluidos aditivados com as composições de
teste garantem a validade dos modelos escolhidos com resultados
experimentais bem próximos dos resultados previstos pelos modelos.
Em resumo, os resultados obtidos com os modelos matemáticos
escolhidos para as composições poliméricas, quando comparados com os
resultados obtidos experimentalmente, mostram-se significativamente eficazes
para previsão dos resultados das propriedades estudadas (VA, VA, VF e LE).
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 6 – Conclusões
71
Capítulo 6
Conclusões
Com o objetivo de estudar bentonitas aditivadas com polímeros visando
sua aplicação em fluidos à base de água para perfuração de poços de petróleo,
conclui-se que:
i) os resultados do comportamento reológico e de filtração apresentados
pelos fluidos preparados com as argilas bentoníticas sem aditivação
polimérica comprovam a necessidade de melhorar a qualidade das
argilas dos jazimentos de Boa Vista, PB para que possam ser utilizadas
no preparo de fluidos de perfuração de poços de petróleo;
ii) unindo características individuais dos polímeros, foi obtido um composto
polimérico capaz de corrigir adequadamente a qualidade da argila
bentonítica, tornando possível seu uso no preparo de fluidos de
perfuração com propriedades que atendem às especificações da
Petrobras;
iii) os resultados apresentados com os fluidos preparados com 2,5% em
massa de argila aditivada com o composto polimérico apresentam
melhor desempenho na correção/melhoria das propriedades reológicas
e de filtração dos fluidos quando comparados aos fluidos preparados
com 4,86 % em massa de argila. Esses dados evidenciam que a
redução na porcentagem de argila aditivada com polímeros eleva a
possibilidade de se obter fluidos que atendam adequadamente às
propriedades especificadas para uso na perfuração de poços;
iv) a utilização da metodologia de misturas permitiu comprovar, por meio
das equações de regressão obtidas, que as frações de polímeros
individuais na mistura possuem efeito sinérgico, influenciando, portanto,
nas propriedades reológicas e de filtração dos fluidos;
v) o uso da metodologia de misturas e superfícies de resposta é uma
ferramenta adequada ao estudo de combinação de matérias-primas
poliméricas de características diferentes, possibilitando a obtenção de
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Capítulo 6 – Conclusões
72
um composto polimérico com propriedades adequadas para a aditivação
de bentonitas e
vi) as argilas consideradas de qualidade inferior e que, portanto, são
empregadas em aplicações menos nobres, como aglomerantes para
areias de fundição, podem, desde que aditivadas com polímeros, ser
utilizadas na composição de fluidos de perfuração de poços de petróleo.
Em resumo, a aditivação com compostos poliméricos confere às argilas
bentoníticas de qualidade inferior, provenientes de Boa Vista, PB, propriedades
reológicas e de filtração adequadas para aplicação em fluidos de perfuração de
poços de petróleo.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Sugestões para Trabalhos Futuros
73
Sugestões para Trabalhos Futuros
Abaixo, encontram-se relacionadas algumas perspectivas de estudos
futuros, que se dispõem como extensão deste trabalho de dissertação.
1. Avaliar o benefício de se utilizar o CMC de alta viscosidade em
substituição ao CMC de baixa viscosidade, visando redução do custo
final do fluido pela diminuição do uso de outros redutores de filtrado.
2. Avaliar o desempenho de fluidos preparados com a argila bentonítica
aditivada com compostos poliméricos frente à ação de agentes
contaminantes, a exemplo dos cloretos de cálcio e magnésio.
3. Substituir a PAM por Goma Xantana, no composto polimérico, visto sua
grande aplicação em fluidos à base de água.
4. Avaliar a viabilidade econômica do produto bentonita e polímeros,
desenvolvido neste estudo, visando a sua industrialização e
comercialização.
Barbosa, M. I. R. Bentonitas Aditivadas com Polímeros Para Aplicação em
Fluidos de Perfuração
Bibliografia 74
Bibliografia
Accioly, C. V., Uso de Argilas Esmectíticas em Lamas para Execução de
Paredes Diafragma, Dissertação de Mestrado, DEQ/UFPB, Campina
Grande, PB, 1994.
Acquarone, V. M., Caracterização Reológica de Soluções de CMC:
viscoelasticidade e influência de características da molécula, Dissertação de
Mestrado, UNICAMP, Campinas, SP, 1997.
Alderman, N. J., The Rheological Properties of Water-Based Drilling Fluids, The
Royal Society of Chemical Conference, Proceedings of the 3th International
Symposion on Chemical in Oil Industry, p. 33 – 49, 1988.
Amorim, L. V., Melhoria, Proteção e Recuperação da Reologia de Fluidos
Hidroargilosos para Uso na Perfuração de Poços de Petróleo, Tese de
Doutorado, CCT, UFCG, Campina Grande – PB, Dezembro de 2003.
Amorim, L. V., Carboximetilcelulose – CMC, Disponível em:
<www.perfuradores.com.br> , Acesso em: 10 de maio de 2006.
Amorim, L. V., Pereira, E., Bentonitas da Paraíba: O barro chega a
Universidade. ABAS Informa, São Paulo, v.138, 01 de maio de 2003.
Amorim, L. V., Viana, J. D., Farias, K. V., Barbosa, M. I. R., Ferreira, H. C.,
Estudo Comparativo Entre Variedades de Argilas Bentoníticas de Boa Vista,
Paraíba, Revista Matéria, v. 11, n.1, pp. 30 – 40, 2006. Disponível em:
<http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10699>.
Barbosa, M.I.R., Proteção e Reabilitação de Fluidos Hidroargilosos, Relatório
de Estágio Integrado, DEMa/CCT/UFCG, julho de 2004.
Barbosa, M. I. R., Desenvolvimento de Aditivos Poliméricos para Formulação
Bibliografia 75
de Compósitos com Bentonitas, Seminário submetido ao Programa de
Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.
UAEMa/CCT/UFCG, Novembro de 2005.
Barboza, K. R. A., Estudo de Compostos Poliméricos Para Uso em Fluidos
Hidroargilosos, Relatório de Iniciação Científica da Universidade Federal
de Campina Grande, PIBIC/CNPq/UFCG, Agosto de 2006.
Barboza Filho, A. L., Carboximetilcelulose de Sódio (CMC): Obtenção,
propriedades, características e aplicações, Palestra proferida no
Laboratório de Referência em Dessalinização, LABDES/DEQ/CCT/UFCG,
Campina Grande, PB, 2004.
Barros Neto, B., Scarminio, I.E., Bruns, R.E., Planejamento e Otimização de
Experimentos, 2º edição, São Paulo: Editora Unicamp, 1996.
Brantly, J. E., History of Oil Well Drilling, Gulf Publishing Company, Houston,
1971.
Breen, C., The characterization and use of polycation-exchanged bentonitas,
Applied Clay Science, 15, 187- 219, 1999.
Burke C.J., Veil, J.A., Systhentic – Based Drilling Fluids Have Many
Environmental Pluses, Oil & Gás Journal 27, 59-64, 1995.
Caenn, R., Chillingar, G. V., Drilling Fluids: State of the Art, Journal of
Petroleum Science and Engineering 14, 221-230, 1996.
Campos, L. F. A., Reologia de Misturas de Argilas Bentoníticas Aditivadas para
Obtenção de Fluidos de Perfuração de Poços de Petróleo, Exame de
Qualificação submetido ao Curso de Doutorado em Engenharia de
Processos, CCT/UFCG, Campina Grande – PB, Fevereiro de 2006.
Bibliografia 76
Caraschi, J. C., Preparação e Caracterização de Carboximetilcelulose a partir
de Bagaço de Cana-de-açúcar, Dissertação de Mestrado, Instituto de
Física e Química de São Carlos, USP, 1993.
Correia, S. L., Hotza, D., Segadães, A. M., Otimização da Resistência
Mecânica de Corpos Cerâmicos em Função de Matérias-Primas e
Restrições de Propriedades Tecnológicas, In: Congresso em Ciência dos
Materiais do Mercosul - SULMAT, Joinville, SC, Setembro de 2004.
Cornell, J.A., Experiments with Mixtures-Designs, Models, and the Analysis of
Mixtures Data, 2nd edition, New York: Wiley, 1990.
Darley, H. C. H., Gray, G. R., Composition and Properties of Drilling and
Completion Fluid, Fifth Edition, Gulf Publishing Company, Houston, Texas,
1988.
Doherty, W. T., Gills, S., Parsons, C. P., Drilling Fluids Problems and Treatment
in the Gulf Coast, Proc. API, Prod. Bull 207, 100-109, 1931.
Farias, K. V., Influência de Umectante Aniônico na Reologia e Espessura do
Reboco de Fluidos Hidroargilosos, Dissertação de Mestrado
DEQ/CCT/UFCG, Campina Grande – PB, Novembro de 2005.
Ferraz, A.I., Manual de Engenharia dos Fluidos de Perfuração, Divisão
Magcobar Grupo Oilfield Products Dresser Industries, Inc. Houston, Texas,
1977.
Getliff, J. e Oliver, J. Fluido de Perfuração: a Força Vital do Poço, disponível em
<www.slb.com/seed/pt/watch/mud/char.htm> Acesso em: dezembro de
2002.
Gomes, C.M., Avaliação do Comportamento Reológico de Suspensões
Cerâmicas Triaxiais Utilizando Abordagem do Delineamento de Misturas,
Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, 2004.
Bibliografia 77
Gopinath, T.R., Schuster, H.D., Vasconcelos, E. F., Análise Ambiental dos
Arenitos, Associados com Bentonita de Boa Vista, Paraíba. In: 9º
Simpósio de Geologia do Nordeste, Natal 1979.
Gopinath, T.R., Schuster, H.D., Schuckmann, W.K., Modelo de Ocorrência e
Gênese da Argila Bentonítica de Boa Vista, Campina Grande, Paraíba,
Revista Brasileira de Geociências 11 (3) 185-192 (1981).
Gopinath, T.R., Schuster, H.D., Schuckmann, W.K., Clay Mineralogy and
Geochemistry of Continental Bentonite and Their Geological Implications,
Boa Vista, Campina Grande, PB, Revista Brasileira de Geociências 18 (3)
345-352 (1988).
Gopinath, T.R., Cruz, V. C. A., Freire, J. A., Estudo Comparativo da
Composição Química e as Variedades de Argilas Bentoníticas da Região
de Boa Vista, Paraíba, Revista de Geologia 16 (1) 35-48 (2003).
Güngor, N., Karaoğlan, S., Interaction of Polyacrylamide Polymer with Bentonite
in Aqueous Systems, Materials Letters n. 48, p. 168-175, 2001.
Heller, H., Keren, R., Anionic Polyacrylamide Polymers Effect on Rheological
Behavior of Sodium-Montmorillonite Suspensios, Soil Sci. Am. J. 66:19-25,
2002.
Hughes, T. L., Jones, T. G. J., Houwen, O. H., Chemical Characterization of
CMC and Its Relationship to Drilling-Mud Rheology and Fluids Loss, SPE
Drilling and Completion, September, p. 157 – 163, 1993.
Inyang, H. I., Bae, S, Polyacrylamide sorption opportunity on interlayer and
external pore surfaces of contaminant barrier clays, Chemosphere 58, 19 –
31, 2005.
Luckham, P. F., Rossi, S., The Collidal and Rheological Properties of Bentonite
Suspension, Advances in Colloid and Interface Science 82, 43 – 92, 1999.
Bibliografia 78
Lummus, J. L., Azar, J. J., Drilling Fluids Optimization A Practical Field
Approach, PennWell Publishing Company, Tulsa, Oklahoma, 1986.
Lummus, J. L., Field, L. J., Non-Dispersed Polymer Mud – A New drilling
Concept, Petrol, Eng., p 59-65, 1968.
Montgomery, D. C., Design and Analysis of Experiments, 4 th ed., New York:
Jonh Wiley & Sons, 1997.
Oliveira, M. L., Bentonita, Disponível em: <www.dnpm.gov.br> , Acesso em:
outubro de 2005.
Oliveira, I.R., Studart, A.R., Pileggi, R.G., Pandolfelli, V.C., Dispersão e
Empacotamento de Partículas, Princípios e Aplicações em Processamento
Cerâmico, Fazendo Arte Editorial, São Paulo, p. 30-31, 2000.
Pedroso, M. A. S., Modificações de Propriedades Reológicas de Dispersões de
Esmectitas Sódicas, Dissertação de Mestrado - DEQ/ UFPB, Campina
Grande, PB, 1991.
Pereira, E., O Uso de Inibidores de Argilas como Soluções em Problemas de
Sondagem, Conferência proferida durante o XII Encontro de Perfuradores
de Poços/XI Simpósio de Hidrogeologia do Nordeste, Anais, Olinda, PE, p.
03-20, 2001.
Pereira, E., Química dos Polímeros e Aplicações – Partes I, II, III e IV,
Disponível em: www.systemmud.com.br, Acesso em: julho de 2002.
Pefferkom, E., Polyacrylamide at Solid/Liquid Interfaces, Journal of Colloid and
Interface Science 216, 197–220, 1999.
Pessoa, L. T. G., Barboza Filho, A. L., Carboximetilcelulose – Correlações entre
estrutura molecular e propriedades reológicas em sistemas aquosos. In: I
Bibliografia 79
Congresso Brasileiro de Polímeros, São Paulo – SP, Novembro de 1991, pp
545 – 551.
Petrobras, Viscosificante para Fluido de Perfuração a Base de Água na
Exploração e Produção de Petróleo, Especificação, N-2604, 1998.
Petrobras, Argila ativada para fluido de perfuração à base de água na
exploração e produção de petróleo, Método, N-2605, 1998a.
Sadicoff, B. L., Brandão, E. M., Lucas, E. F., Amorim, M. C. V.,
Copolimerização Micelar de Poli(Acrilamida-g-Óxido de Propileno):
Avaliação Reológica e Caracterização de suas Soluções, Polímeros:
Ciência e Tecnologia, vol. 11, nº 2, p. 41-50, 2001.
Schabbach, L.M., Oliveira, A.P.N., Fredel, M.C., Hotza, D., American Ceramic
Society Bulletin, v.82, p.47-50, 2003.
Serra, A. C. S., A Influência de Aditivos de Lama de Perfurção Sobre as
Proprieades Geoquímicas de Óleos, Dissertação de Mestrado,
COPPE/UFRJ/CENPES/PETROBRAS, Rio de Janeiro, Agosto de 2003.
Somasundaran, P.; Healy, T.W.; Fuerstenau, D.W., The Aggregation of
Colloidal Alumina Dispersion by Adsorbed Surfactant Ions, Journal of Colloid
and Interface Science n. 22, v. 6, p. 599-605, 1996.
Souza Santos, P., Ciência e Tecnologia de Argilas, v. 2, Editora Edgard Blucher
Ltda., São Paulo, 1992.
Stefan, P., Métodos de Ensaio de Argilas e Bentonitas para Fluidos de
Perfuração, Cerâmica 12 (47/48), 266, 1966.
Strickland, R., Drilling Fluid Additives for Bentonite Drilling Fluids, National
Driller, v25 i4 p68(2), 2004.
Bibliografia 80
Sueyoshi, K.H., Propriedades Coloidais e Reológicas de Suspensões de
Bentonita Aditivadas com Poliacrilamida e Cloreto de Sódio, Dissertação de
Mestrado, UNICAMP, 1994.
Thomas, J. E. e Colaboradores, Fundamentos de Engenharia de Petróleo,
Editora Interciência, Rio de Janeiro, Petrobras, 2001.
Valenzuela Díaz, F. R., Zeólitas e Argilas na Indústria do Petróleo, Curso
promovido pela Pós-graduação em Engenharia Química/CCT/UFCG,
Campina Grande – PB, Março de 2003.
Viana, J. D., Estudo de Diferentes Processos de Troca de Cátions em Misturas
Binárias de Argilas Bentoníticas, Dissertação de Mestrado,
UAEMa/CCT/UFCG, Campina Grande – PB, Fevereiro de 2006.
Yang, M., The rheological behavior of polyacrylamide solution II. Yield stress
Polymer Testing 20, 635–642. Material Behavior, 2001.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo