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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
PETRÓLEO - PPGCEP
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Cinemática de Partículas em Fluidos de Viscosidade Variável com o Tempo e sua
Aplicação na Construção de Poços de Petróleo: Avaliação durante Paradas
Operacionais.
Gustavo Henrique Vieira Pereira Pinto
Orientador: Prof. Dr. Wilson da Mata.
Co-orientador: Dr. André Leibsohn
Martins (PETROBRAS-CENPES)
Natal / RN, Novembro de 2008
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ii
Cinemática de Partículas em Fluidos de Viscosidade Variável com o Tempo e sua
Aplicação na Construção de Poços de Petróleo: Avaliação durante Paradas
Operacionais.
Gustavo Henrique Vieira Pereira Pinto
Natal / RN, Novembro de 2008
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iii
Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Pinto, Gustavo Henrique Vieira Pereira.
Cinemática de partículas em fluidos de viscosidade variável com o tempo e sua
aplicação na construção de poços de petróleo: avaliação durante paradas operacionais /
Gustavo Henrique Vieira Pereira Pinto. – Natal, RN, 2008.
111 f. : il.
Orientador: Wilson da Mata.
Co-orientador: André Leibsohn.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia - CT.
Centro de Ciências Exatas e da Terra – CCET. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de
Petróleo - PPGCEP.
1. Reologia – Dissertação. 2. Sedimentação de partículas - Dissertação. 3. Conexões
e manobras de tubos – Dissertação. I. Mata, Wilson da. II. Leibsohn, André.
RN/UF/BCZM CDU 624.131.54(043.3)
iv
Gustavo Henrique Vieira Pereira Pinto
Cinemática de Partículas em Fluidos de Viscosidade Variável com o Tempo e sua
Aplicação na Construção de Poços de Petróleo: Avaliação durante Paradas
Operacionais.
Dissertação de Mestrado
apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ciência e Engenharia
de Petróleo PPGCEP, da
Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, como parte dos requisitos
para obtenção do título de Mestre
em Ciência e Engenharia de
Petróleo.
Aprovado em ____de__________de 2008.
____________________________________
Prof. Dr. Wilson da Mata.
Orientador – UFRN
____________________________________
Dr. André Leibsohn Martins
Co-orientador - (PETROBRAS-CENPES)
____________________________________
Prof. Dr. Adriano dos Santos
Membro Interno - UFRN
____________________________________
Prof. Dr. João Bosco de Araújo Paulo
Membro Externo - UFRN
v
PINTO, Gustavo Henrique Vieira Pereira - Cinemática de Partículas em Fluidos de
Viscosidade Variável com o Tempo e sua Aplicação na Construção de Poços de
Petróleo: Avaliação durante Paradas Operacionais. Dissertação de Mestrado, UFRN,
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Área de
Concentração: Pesquisa e Desenvolvimento em Ciência e Engenharia de Petróleo. Linha
de Pesquisa: Engenharia e Geologia de Reservatórios e de Explotação de Petróleo e Gás
Natural, Natal – RN, Brasil.
Orientador: Prof. Dr. Wilson da Mata
Co-orientador: Dr. André Leibsohn Martins
RESUMO
_____________________________________________________________________
As novas descobertas de reservatórios de petróleo em campos onshore e offshore em
lâminas d’águas ultra-profundas e de trajetórias complexas demandam a otimização dos
processos de perfuração para reduzir as operações de paradas durante a perfuração de
um poço, especialmente devido ao elevado custo das plataformas, equipamentos e dos
riscos que são inerentes à operação. Dentre os aspectos mais importantes destaca-se o
projeto de fluidos de perfuração e o estudo de seu comportamento frente a diferentes
situações que podem ocorrer durante o processo. Através de experimentos de
sedimentação, foi validada uma correlação para determinação da velocidade de
sedimentação de partículas em fluidos de viscosidade variável com o tempo, aplicando-
se as devidas correções para viscosidade efetiva que é função da taxa de deformação e
do tempo. A evolução da viscosidade com o tempo foi obtida através de ensaios
reológicos utilizando uma taxa de deformação fixa, pequena o suficiente para não
interferir no processo de gelificação do fluido. Com as equações de velocidade de
sedimentação de partículas e da viscosidade do fluido com o tempo foi proposto um
procedimento iterativo capaz de determinar o deslocamento das partículas com o tempo.
Essas equações constitutivas foram aplicadas no estudo de caso para simulação da
sedimentação dos cascalhos gerados na perfuração de um poço de petróleo durante
paradas operacionais, especialmente as conexões e manobras, possibilitando o projeto
do fluido de perfuração de maneira a manter os cascalhos em suspensão, evitando
riscos, como por exemplo, a prisão da coluna de perfuração e em condições mais
drásticas, a perda do poço.
_____________________________________________________________________
Palavras-Chaves: Reologia, sedimentação de partículas, conexões e manobras de
tubos.
vi
ABSTRACT
_____________________________________________________________________
The new oil reservoirs discoveries in onshore and ultra deep water offshore
fields and complex trajectories require the optimization of procedures to reduce the
stops operation during the well drilling, especially because the platforms and equipment
high cost, and risks which are inherent to the operation. Among the most important
aspects stands out the drilling fluids project and their behavior against different
situations that may occur during the process. By means of sedimentation experiments, a
correlation has been validated to determe the sedimentation particles velocity in variable
viscosity fluids over time, applying the correction due to effective viscosity that is a
shear rate and time function. The viscosity evolution over time was obtained by
carrying out rheologic tests using a fixed shear rate, small enough to not interfere in the
fluid gelling process. With the sedimentation particles velocity and the fluid viscosity
over time equations an iterative procedure was proposed to determine the particles
displacement over time. These equations were implemented in a case study to simulate
the cuttings sedimentation generated in the oil well drilling during stops operation,
especially in the connections and tripping, allowing the drilling fluid project in order to
maintain the cuttings in suspension, avoiding risks, such as stuck pipe and in more
drastic conditions, the loss of the well.
_____________________________________________________________________
Keywords: Rheology, particle sedimentation, pipes conections and tripping.
vii
“Observa o que fazeis do tempo e vale-te dele
para instalar bondade e compreensão,
discernimento e equilíbrio em ti mesmo, porque
o dia que deixas passar vazio e inútil é,
realmente, um tesouro perdido que não mais
voltará ...”
Emmanuel “Chico Xavier”
viii
AGRADECIMENTOS
A DEUS, pela dádiva suprema da vida, por tudo que fui, sou e serei, permitindo-
me vencer mais este desafio.
À minha esposa, Priscilla Oliveira Alves Pereira Pinto, por todo apoio, amor,
compreensão e pela companhia ao longo da trajetória que me levou à concretização
deste sonho.
Aos meus pais, José Ney Pereira Pinto e Zélia Maria Vieira Pereira Pinto, que
forneceram grande apoio fraternal, contribuindo para formação do alicerce de minha
vida. Aos meus irmãos Humberto Henrique e Ricardo Henrique pelo apoio e incentivo
nessa jornada.
Ao Professor orientador Dr. Wilson da Mata, pelos ensinamentos repassados
durante as aulas, cujos temas foram de fundamental importância para o entendimento
dos diversos processos da indústria de petróleo e pelas sugestões para complementação
deste trabalho.
Ao co-orientador e grande amigo André Leibsohn Martins, Consultor Sênior do
Centro de Pesquisa da Petrobras – CENPES, em especial, com reflexões criativas me
forneceu orientações sobre os assuntos que merecem maior atenção no contexto atual da
Indústria do Petróleo, cujos estudos mais aprofundados são de interesse da Petrobras, e
pelo acompanhamento de todas as etapas deste trabalho, o meu muito obrigado.
Aos professores componentes da banca, Dr. João Bosco de Araújo Paulo e Dr.
Adriano dos Santos pelas relevantes sugestões para complementação deste trabalho.
Ao grupo que compõe o Departamento de Engenharia Mecânica da Pontifícia
Universidade Católica – PUC/RJ, Flávio, Renata, Priscila e André, e ao grupo que
compõe o CENPES/PDP/TEP, Pedro, Roni, Maurício, Alex, Raul, Hellen, Idivard e
demais colegas pela colaboração durante as atividades.
Aos colegas da turma 2006.2, os quais demonstraram companheirismo durante
as atividades desenvolvidas durante o curso.
À secretária do curso Viviane Medeiros de Freitas, cuja compreensão foi
determinante, pois mesmo eu estando distante, agilizou todos os assuntos burocráticos
exigidos durante o curso.
A todos aqueles que contribuíram, direta ou indiretamente, para esta formação
que se torna mais uma vitória em minha vida, os meus sinceros agradecimentos.
ix
SUMÁRIO
1. Introdução geral
1.1 Utilização de fluidos para perfuração de poços .................................................. 19
1.2 Transporte de cascalhos durante bombeio e em condições estáticas ................... 20
1.3 Objetivo do trabalho.......................................................................................... 21
1.3.1 Objetivo Geral................................................................................................ 21
1.3.2 Objetivos Específicos ..................................................................................... 21
2. Aspectos teóricos
2.1 Transporte de sólidos......................................................................................... 23
2.1.1 Velocidade relativa de partículas em meios contínuos .................................... 23
2.1.2 Razão de transporte ........................................................................................ 30
2.1.3 Influência da taxa de deformação e do tempo na viscosidade.......................... 31
2.1.4 Taxa de deformação característica do processo de sedimentação .................... 31
3. Estado da arte
3.1 Influência da forma da partícula ........................................................................ 34
3.2 Influência de fronteiras rígidas .......................................................................... 35
3.3 Influência da concentração de partículas............................................................ 38
3.4 Taxa de deformação característica do processo de sedimentação ....................... 41
3.5 Correlações de velocidade ................................................................................. 42
3.5.1 Correlação de Moore ...................................................................................... 42
3.5.2 Correlação de Chien ....................................................................................... 43
3.6 Classificação dos fluidos de perfuração ............................................................. 44
3.6.1 Fluidos à base água......................................................................................... 44
3.6.2 Fluidos à base óleo ......................................................................................... 46
3.6.3 Fluidos à base ar............................................................................................. 47
3.7 Reologia............................................................................................................ 47
3.7.1 Comportamento reológico .............................................................................. 48
3.7.1.1 Fluidos Newtonianos ................................................................................... 50
3.7.1.2 Fluidos não-Newtonianos ............................................................................ 50
3.7.1.2.1 Fluidos pseudoplásticos ............................................................................ 51
3.7.1.2.2 Fluidos dilatantes...................................................................................... 51
3.7.1.2.3 Fluidos plásticos ou de Bingham............................................................... 52
3.7.2 Modelos Reológicos....................................................................................... 52
3.7.2.1 Modelo de Ostwald de Waale (Lei da Potência)........................................... 53
3.7.3 Viscosimetria ................................................................................................. 54
3.7.4 Reometria....................................................................................................... 55
3.7.4.1 Reômetro rotacional de cilindros concêntricos............................................. 56
3.7.4.2 Reômetro rotacional de placas paralelas....................................................... 56
3.7.4.3 Reômetro rotacional de cone e placa............................................................ 57
3.8 Influência da Temperatura no comportamento reológico de fluidos. .................. 58
3.9 Coeficiente de atrito ou resistência .................................................................... 58
4. Procedimento experimental
4.1 Materiais e métodos .......................................................................................... 63
4.1.1 Fluidos utilizados ........................................................................................... 63
4.1.2 Ensaios reológicos FANN 35 A...................................................................... 63
4.1.3 Ensaios reológicos no reômetro ARES ........................................................... 65
4.1.4 Ensaios de sedimentação ................................................................................ 67
4.1.5 Procedimento iterativo.................................................................................... 69
5. Resultados e discussão
x
5.1 Sedimentação de esferas.................................................................................... 72
5.2 Determinação do modelo reológico para os fluidos utilizados............................ 75
5.3 Determinação da função viscosidade com o tempo............................................ 78
6. Estudo de caso
6.1 Sedimentação durante conexões e manobras...................................................... 82
6.2 Procedimento de cálculo.................................................................................... 83
6.3 Análise de sensibilidade .................................................................................... 86
6.3.1 Análise referente ao parâmetro multiplicativo do tempo presente na equação da
viscosidade em função do tempo (a)........................................................................ 87
6.3.2 Análise referente ao expoente do tempo presente na equação da viscosidade em
função do tempo (b) ................................................................................................ 89
6.3.3 Análise de sensibilidade para avaliar o deslocamento das partículas e o grau de
gelificação do fluido B. ........................................................................................... 92
6.3.3.1 Análise de sensibilidade para avaliar a viscosidade do fluido, velocidade e
deslocamento das partículas utilizando os dados experimentais. .............................. 93
6.3.3.2 Análise de sensibilidade para avaliar o grau de gelificação do fluido em
função dos parâmetros (a) e (b). .............................................................................. 95
6.3.3.3 Análise de sensibilidade para avaliar o grau de gelificação do fluido em
função da viscosidade inicial do fluido (η
0
). ............................................................ 98
6.3.3.4 Análise de sensibilidade para avaliar o deslocamento das partículas em função
dos parâmetros (a) e (b)........................................................................................... 99
6.3.4 Análise de sensibilidade utilizando água como fluido. .................................. 100
7. CONCLUSÕES .................................................................................................... 104
8. RECOMENDAÇÕES ........................................................................................... 106
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 107
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama de corpo livre da esfera............................................................... 23
Figura 2 - Transporte de sólidos em trechos inclinados e horizontais........................... 29
Figura 3 - Classificação do comportamento reológico ................................................. 49
Figura 4 - Curvas de escoamento. Pseudoplástico, Bingham, Dilatante e Newtoniano. 52
Figura 5 - Curvas de escoamento como função do índice de comportamento – n......... 53
Figura 6 - Geometria de cilindros concêntricos ........................................................... 56
Figura 7 - Geometria de placas paralelas. .................................................................... 57
Figura 8 - Geometria de cone e placa. ......................................................................... 57
Figura 9 - Viscosímetro Fann, modelo 35 A................................................................ 63
Figura 10 - Reômetro - modelo ARES ........................................................................ 65
Figura 11 - Banho termostático - NESLAB RTE 17.................................................... 66
Figura 12 - Geometria Grooved Couette...................................................................... 66
Figura 13- Esferas utilizadas ....................................................................................... 68
Figura 14 - Centralizador para lançamento de esferas.................................................. 68
Figura 15 - Fluxograma para determinação do deslocamento das partículas dentro do
poço............................................................................................................................ 70
Figura 16 - Resultado comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades
teóricas para o fluido B com relação ao diâmetro das esferas....................................... 73
Figura 17 - Resultado comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades
teóricas para o fluido C com relação ao diâmetro das esferas....................................... 74
Figura 18 - Dados de entrada para o SIMCARR.......................................................... 75
Figura 19 - Resultados gerados pelo SIMCARR.......................................................... 76
Figura 20-Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido
A................................................................................................................................. 76
Figura 21 - Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido
B................................................................................................................................. 77
Figura 22 - Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido
C................................................................................................................................. 78
Figura 23 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido A. ................. 79
Figura 24 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido B................... 79
Figura 25 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido C................... 80
Figura 26 - Fluxograma para determinação do deslocamento das partículas dentro do
poço............................................................................................................................ 86
Figura 27 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para a viscosidade do
fluido. ......................................................................................................................... 87
Figura 28 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para a velocidade das
partículas. ................................................................................................................... 88
Figura 29 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para o deslocamento das
partículas. ................................................................................................................... 89
Figura 30 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para a viscosidade do
fluido. ......................................................................................................................... 90
Figura 31 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para a velocidade das
partículas. ................................................................................................................... 91
Figura 32 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para o deslocamento das
partículas. ................................................................................................................... 91
Figura 33 - Avaliação da viscosidade do fluido B com o tempo utilizando as eq. 3.37 e
6.1. ............................................................................................................................. 93
xii
Figura 34 - Viscosidade em função do tempo para o fluido B com (a) e (b) obtidos
experimentalmente...................................................................................................... 93
Figura 35 - Velocidade em função do tempo para o fluido B com (a) e (b) obtidos
experimentalmente...................................................................................................... 94
Figura 36 – Deslocamento das partículas em função do tempo para o fluido B com (a) e
(b) obtidos experimentalmente. ................................................................................... 94
Figura 37 - Grau de gelificação em função do parâmetro (a) para (b) = 0,2. ................ 95
Figura 38 - Grau de gelificação em função do parâmetro (a) para (b) = 0,4. ................ 96
Figura 39 - Grau de gelificação em função do parâmetro (b) para (a) =2,0. ................. 97
Figura 40 - Grau de gelificação em função do parâmetro (b) para (a) = 6,0.................. 97
Figura 41 - Grau de gelificação em função de (η
0
)....................................................... 98
Figura 42 - Deslocamento das partículas em função do parâmetro (a), para (b) = 0,2; 0,3
e 0,4............................................................................................................................ 99
Figura 43 - Deslocamento das partículas em função do parâmetro (b), para (a) = 2; 4 e 6.
................................................................................................................................. 100
Figura 44 - Comportamento da viscosidade da água como função do tempo.............. 100
Figura 45 - Comportamento da velocidade das partículas como função do tempo para
água. ......................................................................................................................... 101
Figura 46 - Comportamento do deslocamento das partículas como função do tempo
utilizando água.......................................................................................................... 101
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Correlações para determinação do coeficiente de resistência das partículas
para fluidos Newtonianos............................................................................................ 60
Tabela 2 - Correlações para determinação do coeficiente de resistência das partículas
para fluidos não-Newtonianos (Modelo de Potência)................................................... 61
Tabela 3 - Dados das esferas utilizadas ....................................................................... 67
Tabela 4- Parâmetros referentes à partícula, fluido e poço........................................... 83
Tabela 5 – Influência dos parâmetros (a) e (b) no grau de gelificação, viscosidade,
velocidade e deslocamento das partículas.................................................................. 102
xiv
SIGLAS- VARIÁVEIS –SÍMBOLOS
Bob – peça que compõe o viscosímetro.
Fluido A (emulsão inversa).
Fluido B (à base de goma xantana).
Fluido C (à base de carbopol).
Gap – distância entre placas da geometria do reômetro.
Grooved Couette - geometria ranhurada utilizada em reômetros.
HPHT – High Pressure High Temperature (alta pressão e alta temperatura).
Kelly – equipamento utilizado em conjunto com a mesa rotativa para promover a
perfuração do poço.
Offshore – ambiente localizado no mar.
Onshore - ambiente localizado na terra.
ppm – partes por milhão.
PWDa, - interpretador de dados de pressão de fundo de poço em tempo real durante a
perfuração.
RPM: número de rotações por minuto.
SIMCARR – Simulador de Hidráulica de Perfuração e Carreamento de Cascalhos.
Top drive - equipamento utilizado para promover a perfuração do poço.
a
- aceleração (m/s
2
).
a e b - parâmetros obtidos do ensaio reológico da viscosidade em função do tempo (a =
Pa.s
n
e b = adimensional).
a, b, c, e d - constantes utilizadas para determinação do coeficiente de arraste que
dependem da natureza e forma de um determinado tipo de partícula (adimensional).
A - área da seção transversal de fluidização (m
2
).
A
p
- área da superfície da partícula (m
2
).
A
s
- área da superfície de uma esfera de mesmo volume da partícula (m
2
).
C - fator de conversão da tensão de cisalhamento para um dado bob (adimensional).
C
r
ou C
D
- coeficiente de atrito ou resistência ao fluxo (adimensional).
C
v
- fração volumétrica da fase sólida na suspensão (adimensional).
d
a
– diâmetro do anular (m).
d
h
- diâmetro hidráulico do espaço anular (m), (Sá, 1990).
di - diâmetro externo da coluna de perfuração (m), (Sá, 1990).
xv
d
o
- diâmetro do poço (m), (Sá, 1990).
d
p
– diâmetro da partícula (m).
D
p
– diâmetro do poço (m).
d
t
– diâmetro do tubo de perfuração (m).
d
1
- diâmetro interno do espaço anular (m), (Bourgoyne, 2005).
d
2
- diâmetro externo do espaço anular (m), (Bourgoyne, 2005).
E – empuxo (N).
f - fator de mola do viscosímetro (adimensional).
F
-
força resultante atuante na partícula (N).
F
r
-
força resistiva atuante na partícula (N).
F
w
- fator de correlação da velocidade com fronteiras rígidas (adimensional), (Sá, 1990);
g - aceleração gravitacional (m/s
2
).
k - índice de consistência (Pa.s
n
).
β
k - fator de correlação da velocidade com fronteiras rígidas (adimensional).
k
cv
- fator de correlação da velocidade com a concentração de partículas (adimensional).
k
ε -
fator de correlação da velocidade com a esfericidade (adimensional).
L - leitura da deformação da mola obtida para dada rpm do viscosímetro (adimensional).
m – parâmetro do método das assíntotas (adimensional), (Churchill, 1983).
m
ƒ
- massa do fluido (Kg).
m
p
- massa da partícula (Kg).
n - índice de comportamento do modelo de potência (adimensional).
n - expoente da equação de Richardson e Zaki (1954) (adimensional).
N – rotação (SIMCARR)
P - peso da partícula (N).
Q - vazão de fluido (m
3
/s).
p
r - raio da partícula (m).
Re - número de Reynolds (adimensional).
R
t
- razão de transporte (adimensional).
Re∗ - número de Reynolds generalizado (adimensional), (Sá et al., 1996).
Re
w
- número de Reynolds referente ao efeito de parede (adimensional), (Sá et al.,
1996).
Re
∞
- número de Reynolds referente à velocidade terminal da partícula isolada
(adimensional), (Almeida, 1995);
xvi
s – deslocamento da partícula (m).
s – expoente relativo à velocidade de um grupo de partículas (adimensional), (Sá, 1990).
SD – desvio padrão (SIMCARR).
SRb – taxa de deformação (SIMCARR).
SSb Calc - tensão cisalhante prevista pelo modelo reológico escolhido (SIMCARR).
SSb lido – tensão cisalhante lida no reômetro (SIMCARR).
T – ângulo de deflexão (SIMCARR).
TXD (1) - taxa de deformação nominal de 1 rpm do viscosímetro para uma dada
combinação rotor – bob (adimensional).
U - módulo da velocidade relativa fluido/partícula (m/s);
v - velocidade da frente de sedimentação (m/s).
β
v - velocidade corrigida para o efeito de fronteiras rígidas (m/s).
v
c
v - velocidade corrigida para o efeito de outras partículas (m/s).
ε
v - velocidade corrigida para o efeito de forma (m/s).
v
f
- velocidade média de escoamento do fluido carreador (m/s).
v
i
- velocidade intersticial do fluido (m/s).
v
p
– velocidade das partículas levando em consideração a variação da viscosidade.
v
s
- velocidade terminal de sedimentação da partícula (m/s).
v
sp
– velocidade de sedimentação de partículas (m/s), (Bourgoyne, 2005).
v
t
- velocidade média de transporte (m/s).
v
w
– velocidade corrigida para o efeito de parede (m/s), (Sá, 1990).
v
∞
- velocidade terminal da partícula esférica isolada (m/s).
p
V - volume da partícula (m
3
).
β
- relação entre diâmetro da partícula e do tubo (adimensional).
γ - taxa de deformação (s
-1
).
η - viscosidade aparente do fluido (Pa.s).
0
η
- viscosidade aparente do fluido imediatamente antes da gelificação (Pa.s).
µ
a –
viscosidade aparente (Pa.s), (Bourgoyne, 2005).
µ
p
- viscosidade plástica (Pa.s).
ρ
ƒ
- massa específica do fluido (Kg/m
3
).
ρ
p
– massa específica da partícula (Kg/m
3
).
xvii
τ
- tensão de cisalhamento (Pa).
0
τ
- tensão limite de escoamento (Pa).
w
τ
- tensão líquido/sólido (adimensional), (Sá, 1990).
φ
- porosidade (fração volumétrica de fluido na suspensão) (adimensional).
1
Π
- relação entre diâmetro da partícula e diâmetro hidráulico (adimensional), (Sá,
1990).
2
Π
= Re
w
- número de Reynolds corrigido para o efeito de parede (adimensional), (Sá,
1990).
________________________________
Capítulo 1
Introdução Geral
________________________________
19
1.1 Utilização de fluidos para perfuração de poços
Na perfuração rotativa utilizada em poços de petróleo, as rochas são perfuradas
pela ação da rotação e peso aplicados a uma broca existente na extremidade da coluna
de perfuração. Os fragmentos da rocha são continuamente removidos através do fluido
de perfuração, que é injetado por bombas para o interior da coluna de perfuração,
retornando posteriormente pelo espaço anular formado entre o poço e a coluna de
perfuração.
Numa determinada profundidade, é retirada a coluna de perfuração e é descido
um revestimento de aço que é cimentado para prover isolamento das rochas
atravessadas e permitir o avanço da perfuração com segurança. Após essa operação de
cimentação, uma broca de menor diâmetro é descida para prosseguir com a perfuração
até a profundidade desejada.
Atualmente, os fluidos de perfuração são constituídos por misturas complexas de
sólidos, líquidos e até gases. Podem assumir aspectos de suspensão, dispersão coloidal
ou emulsão, dependendo do estado físico dos componentes. Eles devem ser
especificados para promover uma operação rápida e segura, apresentando algumas
características especiais (THOMAS, 2001):
Estabilidade química;
Facilitar interpretações geológicas do material retirado do poço;
Ser bombeável;
Não causar danos às rochas produtoras;
Facilitar a separação dos cascalhos na superfície;
Estabilizar as paredes do poço;
Manter os sólidos em suspensão quando estiver em repouso;
Aceitar tratamentos físicos e químicos;
Apresentar baixo grau de corrosão e abrasão em relação à coluna de perfuração e
demais equipamentos do sistema de circulação;
Apresentar custo compatível com a operação.
20
1.2 Transporte de cascalhos durante bombeio e em condições estáticas
O desafio da perfuração em campos onshore e offshore considerados de lâminas
d’águas ultra-profundas e de trajetórias com grandes desvios e afastamentos, tem levado
a indústria do petróleo a buscar metodologias que reduzam as operações de paradas
durante a perfuração de um poço, além da otimização do transporte dos cascalhos
gerados durante o corte da formação pela broca. Dentre as funções dos fluidos na
perfuração de poços de óleo e gás, a eficiência do transporte dos cascalhos gerados do
fundo do poço até a superfície é de suma importância, e está diretamente ligada às
propriedades reológicas desses fluidos.
O projeto dos fluidos deve contemplar característica de baixa viscosidade em
altas vazões, para reduzir ao máximo as perdas de carga, e altas viscosidades em baixas
vazões, para não prejudicar a capacidade de carrear os sólidos mesmo em velocidades
baixas. Adicionalmente, paradas de bombeio ocorrem com freqüência durante a
perfuração de um poço, tornando desejável que o fluido apresente uma característica
denominada gelificação.
A gelificação começa quando o fluido fica em repouso e é uma propriedade
fundamental em fluidos de perfuração, pois evita que sólidos que vinham sendo
transportados sedimentem quando a bomba é desligada. A tendência à gelificação é
maior em baixas temperaturas, típicas de águas profundas, cada vez mais comuns no
cenário offshore brasileiro. Entretanto, após a formação da estrutura gelificada, a
energia requerida para quebrá-la e recomeçar o escoamento do fluido pode ser maior e,
conseqüentemente, um pico de pressão pode ser gerado. Desta forma, o fluido
gelificado pode induzir picos de pressão quando a bomba é religada, podendo atingir a
pressão de fratura da formação, trazendo riscos à operação. Portanto, o fluido deve
apresentar um aumento rápido e não progressivo de sua gelificação, evitando picos de
pressão quando a circulação for retomada (PINTO, 2008).
21
1.3 Objetivo do trabalho
1.3.1 Objetivo Geral
Este trabalho se propõe a avaliar a cinemática de partículas em fluidos de
viscosidade variável com o tempo e com a taxa de deformação, em condições
isotérmicas, propondo um modelo para a equação de velocidade de partículas para
possibilitar a determinação do deslocamento das partículas depois de paradas
operacionais durante a perfuração de um poço de petróleo, tais como, conexões e
manobras, e verificar se com determinadas propriedades reológicas, o fluido pode ser
utilizado de maneira segura durante a operação.
1.3.2 Objetivos Específicos
Quando a viscosidade varia com o tempo e com a taxa de deformação, deve-se
seguir um procedimento iterativo para determinar a viscosidade do fluido de perfuração,
que por sua vez será utilizada para determinação da velocidade e do deslocamento das
partículas dentro do poço.
________________________________
Capítulo 2
Aspectos Teóricos
________________________________
23
2.1 Transporte de sólidos
O transporte de sólidos do fundo do poço até a superfície através do espaço
anular está entre as principais funções dos fluidos de perfuração. As forças atuantes no
sistema devem ser descritas e correlacionadas para obtenção de expressões
representativas da velocidade das partículas.
2.1.1 Velocidade relativa de partículas em meios contínuos
Quando a partícula inicia o movimento através do fluido de viscosidade
constante, ela acelera devido ao efeito do campo gravitacional até atingir a velocidade
terminal. A velocidade terminal ocorre quando a força de arraste somada ao empuxo se
igualam ao peso da partícula. Neste momento, a velocidade da partícula é máxima e
constante.
A velocidade de sedimentação depende de propriedades da partícula, tais como
densidade, tamanho e geometria, além das propriedades do fluido. Para indicar as forças
que atuam sobre a esfera, um diagrama de corpo livre pode ser avaliado. A Figura 1
apresenta o diagrama de corpo livre no qual a esfera sedimenta através de uma coluna
de fluido.
Figura 1 - Diagrama de corpo livre da esfera
24
De acordo com o princípio da inércia, se a resultante de forças atuantes num
corpo for nula, o corpo consegue manter, por inércia, sua velocidade constante, ou seja,
não possui aceleração. Logo, força consiste num agente físico capaz de produzir
aceleração, alterando o estado de repouso ou de movimento dos corpos. O Princípio
Fundamental ou Segunda Lei de Newton diz que quando uma força resultante F
está
presente em uma partícula, esta adquire uma aceleração
a
na mesma direção e sentido
da força, segundo um referencial inercial, conforme a Equação (2.1).
amF .=
∑
(2.1)
Para o caso do diagrama de corpo livre em questão, a Equação (2.2) representa o
balanço de forças.
r
FEP
dt
dv
m −−=
(2.2)
Onde:
P – peso da partícula;
E – empuxo;
F
r
– Força resistiva.
Quando a velocidade terminal é atingida, a aceleração é anulada, conforme
Equação (2.3), e consequentemente a resultante das forças, conforme a Equação (2.4).
0=
dt
dv
(2.3)
0=−−
r
FEP
(2.4)
O balanço de forças se transforma em:
r
FEP +=
(2.5)
25
A força agindo no sentido descendente, o peso da esfera (P), resultante da
atração gravitacional é descrita pela Equação (2.6).
.gm P
p
=
(2.6)
Onde:
m
p
- massa da partícula;
g - aceleração gravitacional.
Um fluido em equilíbrio age sobre um corpo nele imerso, parcial ou totalmente,
como uma força vertical de baixo para cima, denominada empuxo, aplicada no centro
de gravidade do volume de fluido deslocado cuja intensidade é igual ao peso do volume
de fluido deslocado.
Considerando o volume de líquido deslocado igual ao volume da partícula,
empuxo é descrito por:
.gm E
f
=
(2.7)
Onde:
m
ƒ
- massa do fluido deslocado.
A força resistiva pode ser definida pela equação de Stokes, que descreve o
movimento de corpos esféricos em meio viscoso para regime laminar:
sp
vr ....6 F
r
ηπ
=
(2.8)
Onde:
η - viscosidade do fluido;
p
r - raio da partícula;
v
s
- velocidade terminal de sedimentação da partícula.
Substituindo a Equação (2.6), (2.7) e (2.8) em (2.5), obtém-se:
spfp
vrgmgm ....6.
η
π
+
.
=
(2.9)
26
A massa da partícula e do fluido podem ser correlacionadas com a massa
específica da partícula
p
ρ
e do fluido
f
ρ
e com o volume da partícula
p
V
pela
Equação (2.10).
sppfpp
vrgVgV ....6...
ηπρρ
+.= (2.10)
Colocando o volume da partícula e a aceleração gravitacional em evidência,
obtém-se a Equação (2.11).
(
)
sppfp
vrVg ....6.
ηπρρ
=.−
(2.11)
Onde o volume da partícula:
3
..
3
4
pp
rV
π
=
(2.12)
Portanto, substituindo a Equação (2.12) na (2.11), obtém-se a Equação (2.13).
(
)
sppfp
vrrg ....6..
3
4
.
3
ηππρρ
=.− (2.13)
Reagrupando os termos da Equação (2.13), obtém-se:
(
)
spfp
vrg ..18.4.
2
ηρρ
=.− (2.14)
Onde a relação:
22
.4
pp
dr =
E finalmente, a velocidade terminal da partícula através do fluido será
representada pela Equação (2.15).
(
)
η
ρρ
.18
.
2
pfp
s
dg
v
.−
=
(2.15)
27
A força resistiva pode ser expressa em função do coeficiente de resistência, que
depende do tamanho, geometria, rugosidade e regime de queda da partícula. Para se
construir expressões que possibilitem a determinação da velocidade de sedimentação em
termos de propriedades mensuráveis da partícula e do fluido é necessário construir um
gráfico de coeficiente de resistência em função do número de Reynolds.
A força resistiva é proporcional à massa específica do fluido, área de projeção da
partícula S
p
e ao quadrado da velocidade de sedimentação v
s
2
, conforme definido por
John William Strutt (Lord Rayleigh) através da Equação (2.16).
2
s
v...
2
pf
r
r
S
C
F
ρ
=
(2.16)
Onde:
C
r
- coeficiente de atrito ou resistência ao fluxo.
Substituindo as Equações (2.6), (2.7) e (2.16) em (2.5), obtemos a Equação
(2.17).
5,0
.
..
)(
.
3
4
−
=
rp
p
f
fp
s
CS
V
gv
ρ
ρρ
(2.17)
O volume da partícula dividido pela sua área de projeção pode ser substituído
por um parâmetro unidimensional definido por diâmetro equivalente da partícula que
corresponde ao volume de uma esfera de igual volume que uma partícula. Logo, a
Equação (2.17) pode ser substituída pela Equação (2.18).
5,0
..
)(
.
3
4
−
=
r
p
f
fp
s
C
d
gv
ρ
ρρ
(2.18)
A partir de tendências observadas de dados experimentais, as equações que
correlacionam o coeficiente de resistência com o número de Reynolds podem ser
definidas genericamente por:
28
Re
C
r
a
=
(Regime Laminar; Re < 1) (2.19)
c
b
Re
C
r
=
(Regime intermediário; 1 < Re < 1000) (2.20)
d=
r
C
(Regime turbulento; Re > 1000) (2.21)
Onde:
a, b, c, e d são constantes que dependem da natureza e forma de um determinado tipo de
partícula (MACHADO, 2002).
O número de Reynolds de queda de partícula pode ser definido por:
η
ρ
psf
dv ..
Re =
(2.22)
Para fluidos Newtonianos, a viscosidade é constante para uma dada condição de
taxa de cisalhamento, temperatura e pressão. Já os fluidos não-Newtonianos apresentam
viscosidade variável com taxa de cisalhamento mesmo a uma temperatura e pressão
definidas. Portanto, uma viscosidade efetiva deve ser determinada para uma dada
condição de escoamento quando o fluido for não-Newtoniano.
Para partículas esféricas, por exemplo, em regime de queda muito lento (Re < 1),
a = 24, portanto
Re
24
C
r
=
e a equação para velocidade da partícula se transforma na
Equação (2.15).
Existem diversas correlações para representação da queda de uma partícula em
um fluido não-Newtoniano, entretanto cada autor ajusta um determinado modelo
reológico que melhor caracteriza o comportamento do fluido, o que por sua vez gera
alguns inconvenientes quando se deseja realizar uma análise comparativa entre as
mesmas.
Em trechos inclinados e horizontais o processo torna-se mais complexo. Neste
caso, as forças devido à gravidade e ao arraste não atuam na mesma direção. Enquanto a
29
primeira age na direção vertical, a segunda atua na direção do poço, conforme
apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Transporte de sólidos em trechos inclinados e horizontais
Deste modo, a força gravitacional decomposta em duas componentes ortogonais
gera uma força na direção do escoamento (causando atraso da ascensão das partículas
em suspensão), v
s
.cos θ e outra na direção perpendicular ao eixo do poço (empurrando
os sólidos na direção da parede inferior do poço, tendendo a formar um leito), v
s
.sen θ.
Portanto, o transporte de sólidos em poços inclinados e horizontais não é
caracterizado exclusivamente pela velocidade relativa do sólido. É necessário considerar
também a quantidade total de sólidos presentes no anular. Assim as variáveis mais
usadas para caracterizar o problema são: o padrão de escoamento (existência ou não de
leito), a altura do leito e a concentração volumétrica de sólidos (MACHADO, 2002).
Poços inclinados e de grande afastamento com relação à vertical merecem uma
atenção maior relativa ao mecanismo de transporte de sólidos pelo fluido de perfuração
visto que no trecho de alta inclinação há tendência dos cascalhos separarem-se da
suspensão formando um leito na parte inferior. Em poços delgados, onde o espaço
30
anular é menor do que o usual, este efeito torna-se mais crítico devido ao pequeno
espaço disponível para as partículas que estão sendo carreadas além de aumentar o
efeito de fronteiras rígidas que tendem a reduzir a velocidade das partículas.
A velocidade média de transporte v
t
pode ser definida pela diferença entre a
velocidade média de escoamento do fluido carreador v
f
e a velocidade média de
sedimentação das partículas v
s
, conforme apresentado pela Equação (2.23).
v
t
= v
f
– v
s
(2.23)
Além da velocidade de escoamento ser controlada pela vazão de bombeio,
existem ainda fatores referentes às características da partícula e do poço que
influenciam diretamente na velocidade de sedimentação, dentre eles destacam-se o
efeito de fronteiras rígidas que está relacionado com o diâmetro da partícula e do poço;
o efeito de concentração de partículas, relacionado diretamente à quantidade de
partículas no meio e o efeito de forma que trata da esfericidade da partícula.
2.1.2 Razão de transporte
A razão de transporte R
t
definida como a relação entre a velocidade de remoção
ou de transporte e a velocidade média de escoamento do fluido carreador é o parâmetro
de controle do carreamento dos sólidos em um fluido em escoamento em trechos
verticais, conforme definido pela Equação (2.24):
−=
=
f
s
v
v
1
v
v
R
f
t
t
(2.24)
Ou seja, a razão de transporte aumenta com a diminuição da velocidade de
sedimentação ou com o aumento da velocidade média de escoamento. Quando a
velocidade de sedimentação for igual a zero, a razão de transporte é igual à unidade,
inferindo que os cascalhos serão transportados com a mesma velocidade do fluido.
Nos casos em que a velocidade de sedimentação aumenta, a concentração de
sólidos no anular também aumenta e problemas relacionados à redução na taxa de
penetração, redução da vida útil da broca, perda de circulação, obstrução do anular e
prisão da coluna de perfuração podem ocorrer.
31
2.1.3 Influência da taxa de deformação e do tempo na viscosidade
A estimativa da viscosidade é de fundamental importância para determinação do
comportamento das partículas dentro do poço depois de paradas operacionais. A
classificação dos fluidos em relação ao comportamento reológico envolve a
determinação e análise da relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação
para uma determinada condição de pressão e temperatura. Os fluidos Newtonianos são
aqueles que obedecem à lei de Newton, onde a tensão de cisalhamento é diretamente
proporcional à taxa de deformação e a viscosidade é constante, para certas condições de
temperatura e pressão.
Em fluidos não-Newtonianos, a tensão de cisalhamento não é diretamente
proporcional à taxa de deformação. Em um gráfico de tensão de cisalhamento em
função da taxa de deformação, eles não são lineares ou não passam pela origem. Podem
ser dependentes e independentes do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento.
Além destes existem ainda os viscoelásticos, os quais apresentam tanto
características de sólido como de líquido. Para estes fluidos, a viscosidade está
associada à dissipação de energia e a elasticidade ao armazenamento. No instante em
que a tensão de cisalhamento cessa, ocorre certa recuperação da deformação ocorrida.
Sistemas reais comportam-se como sólidos e líquidos, logo, para um material
viscoelástico, uma parcela da tensão aplicada poderá ser parcialmente recuperada,
devido às propriedades elásticas, enquanto que parte dela poderá ser dissipada devido às
propriedades viscosas.
2.1.4 Taxa de deformação característica do processo de sedimentação
Além da escolha do sistema de medida apropriado é de fundamental importância
a escolha da faixa correta da taxa de cisalhamento para a realização dos ensaios
experimentais.
A formulação clássica sobre a dinâmica da partícula sólida em fluidos
Newtonianos pode ser estendida para contemplar fluidos não-Newtonianos, fazendo uso
da viscosidade efetiva que pode ser relacionada com a tensão cisalhante (propriedade
material do fluido) e da taxa de deformação (propriedade cinemática do escoamento)
(MASSARANI, 1997).
32
Para o caso de fluidos não-Newtonianos, a viscosidade que consta na equação do
número de Reynolds pode ser substituída pela viscosidade efetiva, “η”, que é função da
taxa de deformação.
η
ρ
psf
dv ..
Re =
(2.25)
(
)
γη
f=
(2.26)
A taxa de deformação característica pode ser determinada empiricamente através da
relação proporcional entre a velocidade terminal experimental e o diâmetro da partícula.
=
p
s
d
v
αγ
(2.27)
________________________________
Capítulo 3
Estado da Arte
________________________________
34
3.1 Influência da forma da partícula
Estudos experimentais comprovaram que a forma da partícula influencia na
velocidade de sedimentação de partículas. Waddel, (1934) adaptou a relação de Newton
para determinar uma velocidade de sedimentação de partículas de forma irregular
introduzindo um fator de correção para a forma, denominado esfericidade, conforme
definido pela Equação (3.1).
p
s
A
A
=
ε
(3.1)
Onde:
ε
- esfericidade;
A
s
- área da superfície de uma esfera de mesmo volume da partícula;
A
p
- área da superfície da partícula.
Para correlacionar a esfericidade com a equação de velocidade, definiu-se um
parâmetro k
ε
que está relacionado com a esfericidade conforme a Equação (3.2), para Re
< 0,5 (PETTYJOHN, 1948).
=
065,0
log.843,0
ε
ε
k
(3.2)
E a velocidade corrigida para o efeito de forma é relacionada pela Equação (3.3):
∞
=
v
v
k
ε
ε
(3.3)
Onde:
v
∞
- velocidade terminal da partícula isolada (esférica);
ε
v - velocidade corrigida para o efeito de forma.
Laruccia, (1990) realizou experimentos de fluidização com fluidos não
Newtonianos e partículas irregulares em geometria tubular e também verificou
variações na velocidade de sedimentação. Chien, (1994) propôs uma correlação para a
35
faixa de escoamento turbulento e laminar do coeficiente de arraste, com o número de
Reynolds e com a esfericidade.
ε
5,030
D
e
67,289
+
Re
30
C
=
, para 0,2 ≤ Re ≤ 1,0 (3.4)
A partir da definição de Dedegil, (1987) para o coeficiente de arraste e para o
número de Reynolds generalizado, dos resultados experimentais de Valentik e
Whitmore (1965), Hottovy e Sylvester (1979), Walker e Mayes (1975), e Hopkin
(1967), e utilizando o método das assíntotas de Churchill (1983), Sá et al., (1996)
chegaram a uma expressão que correlaciona o coeficiente de arraste modificado, o
número de Reynolds generalizado e a esfericidade, conforme apresentado pela Equação
(3.5).
m
m
,
m
1
4415
D
e
103,3
*Re
24
C
+
=
ε
, para 0,4 ≤ Re ≤ 1,0 (3.5)
ε
0,15570,9779=m
−
(3.6)
Onde:
τ
ρ
f
2
*
v
=Re
∞
Re∗ - número de Reynolds generalizado.
τ
- tensão de cisalhamento.
3.2 Influência de fronteiras rígidas
Estudos experimentais comprovaram que fronteiras rígidas influenciam na
velocidade de sedimentação de partículas. O movimento de uma partícula isomérica ao
longo do eixo principal de um tubo cilíndrico de diâmetro d
t
foi avaliado por Francis,
(1933). A Equação (3.7) é utilizada para esfericidade entre 0,65 < ε < 1, relação entre
diâmetros partícula/tubo 0 <
β
< 0,5 e Re < 0,1.
36
0,4751
-1
k
4
−
=
β
β
β
(3.7)
Onde:
β
k
- fator de correlação da velocidade com fronteiras rígidas;
t
p
d
d
=
β
- relação entre diâmetro da partícula e do tubo.
Para Re > 1000, a correlação é apresentada pela Equação (3.8).
(
)
-1 k
3/2
β
β
=
(3.8)
Para uma região intermediária 0,1 < Re < 1000, Almeida, (1995) propôs a
seguinte correlação:
Re.1
01
k
+
=
∞
B
A
β
(3.9)
Onde:
A = 8,91.e
2,79β
;
B = 1,17x10
-3
– 0,281.β
Re
∞
- número de Reynolds referente à velocidade terminal da partícula isolada;
A velocidade corrigida para o efeito de fronteiras rígidas se relaciona com o
fator de correlação da velocidade com fronteiras rígidas através da Equação (3.10).
∞
=
v
v
k
β
β
(3.10)
Onde:
β
v - velocidade corrigida para o efeito de fronteiras rígidas.
Trabalhos desenvolvidos usando fluidos Newtonianos podem ser citados da
literatura, como por exemplo, o trabalho clássico de Newton e o estudo proposto por
37
Munroe (FIDLERIS E WHITMORE, 1961), que investigaram os efeitos de parede na
sedimentação de partículas esféricas no regime Newtoniano (Re > 1000).
Para fluidos não-Newtonianos, trabalhos relacionados ao movimento de
partículas foram apresentados por Massarani e Silva Teles, (1978) e Laruccia, (1990).
Utilizando outra metodologia, Chhabra et al., (1981) quantificou o efeito de fronteiras
rígidas na queda de partículas esféricas movendo-se lentamente, para 0 < β < 0.5.
Nos experimentos de Sá, (1990) os diâmetros de partículas não eram
desprezíveis com relação ao diâmetro hidráulico da região anular e, portanto, havia
manifestação do efeito de parede.
Uma forma de se expressar esta velocidade foi correlacionando-a com a
velocidade de queda da mesma partícula em um meio infinito:
∞
=
v
v
F
w
w
(3.11)
Onde:
F
w
- fator de correlação da velocidade com fronteiras rígidas;
v
w
– velocidade corrigida para o efeito de parede.
Através de análise dimensional, Sá, (1990) correlacionou o fator F
w
com os
seguintes números adimensionais relevantes:
h
p
1
d
d
=Π (3.12)
w
2
wf
w2
v
Re
τ
ρ
=≡Π
(3.13)
(
)
ioh
dd0,816d
−
=
(3.14)
Onde:
d
h
- diâmetro hidráulico do espaço anular;
di - diâmetro externo da coluna de perfuração;
d
o
- diâmetro do poço;
38
w
τ
- tensão líquido/sólido;
Re
w
- número de Reynolds referente ao efeito de parede;
1
Π
- relação entre diâmetro da partícula e diâmetro hidráulico;
2
Π
- número de Reynolds corrigido para o efeito de parede.
A equação descrita para o fator de correlação da velocidade com fronteiras
rígidas foi:
0,351
w
0,215
h
p
w
Re
d
d
0,264.1F
−=
, para 1 < Re
w
< 20 (3.15)
Teixeira e Frota, (2001) também observaram o efeito de parede para partículas
esféricas em fluidos Newtonianos e não Newtonianos.
Através da extrapolação da velocidade de queda de uma dada partícula com
efeito de parede e do cálculo da velocidade de queda da mesma partícula em um meio
infinito, isto é, sem efeitos de parede, Sá et al., (1996) determinaram uma correlação
entre o fator de correção para o efeito de parede e os números adimensionais relevantes.
0,042
w
0,690
h
p
w
w
Re
d
d
0,8001=
v
v
F
−=
∞
, para 1 < Re
w
< 3500 (3.16)
3.3 Influência da concentração de partículas
Estudos experimentais avaliaram que a concentração de partículas influenciam
na velocidade de sedimentação. Richardson e Zaki, (1954) realizaram vários
experimentos de fluidização com partículas esféricas, fluidos Newtonianos e geometria
cilíndrica. A relação entre a velocidade intersticial do fluido v
i
e a porosidade (fração
volumétrica de fluido na suspensão) do leito
φ
é apresentada pela Equação (3.17).
n
i
v
v
φ
=
∞
(3.17)
39
Como eles trabalharam com diâmetros de partículas bastante pequenos com
relação ao diâmetro do recipiente, os efeitos de parede foram desprezíveis e a
velocidade intersticial do fluido se iguala à velocidade de queda de uma partícula no
meio infinito. Eles desenvolveram correlações entre o expoente n da Equação (3.17),
obtido através do cálculo da tangente no gráfico log (v
i
) em função de log (
φ
), e
números adimensionais relevantes para diferentes faixas de número de Reynolds.
0,03-
t
p
Re
d
d
17,54,35=n
+ , para 0,2 < Re < 1 (3.18)
0,1-
t
p
Re
d
d
184,45=n
+ , para 1 < Re < 200 (3.19)
-0,1
4,45Re=n
, para 200 < Re < 500 (3.20)
A redução da velocidade terminal de uma partícula devido à presença de outras
partículas também foi estudada por Govier, (1972):
2,5C1
1
v
+
=
cv
k
(3.21)
e
k
v
v
cv
c
v
=
∞
(3.22)
Onde:
C
v
- fração volumétrica da fase sólida na suspensão;
k
cv
- fator de correlação da velocidade com a concentração de partículas;
v
c
v - velocidade corrigida para o efeito de outras partículas.
Segundo Massarani, 1997 o efeito da presença da fase particulada na
fluidodinâmica de suspensões é comumente expresso através de relações do tipo:
) ,(Re f
v
U
φ
∞
∞
=
(3.23)
40
Onde:
U - módulo da velocidade relativa fluido/partícula;
Re
∞
- número de Reynolds referente à velocidade terminal da partícula isolada;
φ
- porosidade (fração volumétrica de fluido na suspensão).
η
ρ
pf
dv ..
Re
∞
∞
=
(3.24)
φ
=1-C
v
(3.25)
De acordo com Barnea, 1973 as correlações referentes à Equação (3.23) podem
ser determinadas através de experimentação conduzida na sedimentação em batelada e
na fluidização homogênea. No primeiro caso
φ
v
U =
, e no segundo caso
A
Q
U
.
φ
=
.
Onde:
v - velocidade da frente de sedimentação;
Q - vazão de fluido;
A - área da seção transversal de fluidização.
Caso a faixa granulométrica das partículas seja extensa e a concentração de
sólidos reduzida (inferior a 5% em volume) a experimentação torna-se imprecisa,
resultando numa interface fluido/suspensão pouco nítida devido problemas de
segregação de partículas.
A influência de vários tamanhos e formas de partículas tem sido estudada
através da elaboração de gráficos de fator de fricção em função de Re.
Sá (1990), trabalhando com partículas esféricas, fluidos não-Newtonianos,
geometria anular e utilizando o conceito do diâmetro hidráulico advindo da
aproximação da fenda plana, também chegou à relação entre a velocidade intersticial do
fluido v
i
e a porosidade do leito
φ
, conforme Richardson e Zaki (1954).
s
i
v
v
φ
=
w
(3.26)
Onde:
41
s – expoente relativo à velocidade de um grupo de partículas.
A correlação para o expoente s obtida através de seus experimentos é
apresentada na Equação 3.27.
0,211-
w
h
p
Re
d
d
3,964,07=s
+ , para 1 < Re
w
< 20 (3.27)
Sá et al., (1996) em estudos posteriores chegaram a seguinte correlação para o
expoente s, abrangendo uma maior faixa do Re
w
:
0,082-
w
h
p
Re
d
d
66,244,3=s
+ , para 1 < Re
w
< 3500 (3.28)
3.4 Taxa de deformação característica do processo de sedimentação
A formulação clássica sobre a dinâmica da partícula sólida em fluidos
Newtonianos pode ser estendida para contemplar fluidos não-Newtonianos, fazendo uso
da viscosidade efetiva que pode ser relacionada com a tensão cisalhante (propriedade
material do fluido) e da taxa de deformação (propriedade cinemática do escoamento)
(MASSARANI, 1997).
A partir de resultados experimentais obtidos para dinâmica da partícula isolada e
considerações do efeito de parede e concentração foi possível determinar uma
correlação entre a taxa de deformação e a velocidade da partícula.
Massarani e Silva Telles, (1978) consideraram o efeito de concentração na
fluidodinâmica de partículas e a esfericidade e chegaram à seguinte correlação entre a
taxa de deformação e o módulo de velocidade relativa:
( )
p
v
v
d
U
C
C
.
1.
.9
2
−
=
ε
γ
(3.29)
Laruccia, (1990) considerando partículas esféricas e não esféricas isoladas
obteve a seguinte correlação:
42
(
)
p
s
d
v
.62,3.46,13.85,8.39,0
2
−+−=
εεγ
(3.30)
Almeida, (1995) considerou em seu estudo o deslocamento da partícula esférica
ao longo do eixo principal do tubo, obtendo a seguinte correlação que contempla
correção para efeito de fronteiras rígidas:
p
s
d
v
e
..81,6
.39,0
β
γ
= (3.31)
Para β < 0,5.
3.5 Correlações de velocidade
Diversas são as correlações propostas para determinação da velocidade de
sedimentação de partículas em fluidos. Nesta seção serão apresentadas as correlações de
Moore e Chien (Bourgoyne, 2005).
3.5.1 Correlação de Moore
A correlação para velocidade de sedimentação de uma partícula proposta por
Moore (Bourgoyne, 2005) leva em consideração a viscosidade aparente do fluido µ
a
,
conforme Equação 3.32.
(3.32)
Onde:
K e n - parâmetros reológicos para o modelo de potência;
d
1
e d
2
- diâmetros interno e externo do espaço anular respectivamente e
v
a
- velocidade do fluido no espaço anular.
43
A Equação 3.33 apresenta a velocidade de sedimentação para números de
Reynolds maior que 300. Para Reynolds menor ou igual a 3, a velocidade de
sedimentação a ser usada é apresentada pela Equação 3.34. E por fim, para Reynolds
entre 3 e 300, a velocidade de sedimentação é calculada pela Equação 3.35.
(3.33)
(3.34)
(3.35)
Onde:
v
sp
– velocidade de sedimentação de partículas;
ρ
s
– massa específica da partícula;
ρ
f
– massa específica do fluido.
3.5.2 Correlação de Chien
A correlação para a velocidade de sedimentação de uma partícula proposta por
Chien (Bourgoyne, 2005) é muito semelhante à proposta por Moore, porém a
viscosidade aparente é determinada pela Equação 3.36, usada para fluido do tipo
polímeros:
(3.36)
Onde:
µ
a –
viscosidade aparente;
µ
p
- viscosidade plástica;
τ
y
- tensão de cisalhamento;
44
d
s
- diâmetro da partícula e
v
a
- velocidade do fluido no espaço anular.
Quando o fluido usado for uma suspensão de bentonita em água, é recomendado
usar a viscosidade aparente como sendo apenas a viscosidade plástica. A Equação 3.37
representa a velocidade de sedimentação:
(3.37)
Onde:
v
sp
– velocidade de sedimentação de partículas;
ρ
f
e ρ
s
– massa específica do fluido e da partícula respectivamente.
3.6 Classificação dos fluidos de perfuração
A classificação dos fluidos utilizados na perfuração de poços de petróleo baseia-
se no constituinte principal da fase contínua ou dispersante, podendo ser à base água, à
base óleo ou à base ar, (THOMAS, 2001).
3.6.1 Fluidos à base água
Nesta classe leva-se em consideração a natureza da água e os aditivos químicos
empregados no preparo do fluido. As propriedades são afetadas pela proporção entre os
componentes e as interações entre eles. A fase contínua é a água que é o principal
componente, independente de ser doce, dura ou salgada.
A salinidade da água doce é inferior a 1000 ppm de NaCl equivalente, valor
relativamente baixo, o que faz com que não exija pré-tratamento para utilização em
fluidos de perfuração visto que não afeta o desempenho dos aditivos empregados no
preparo do fluido. Com relação à água dura, existe a presença de sais de cálcio e
magnésio dissolvidos em concentrações suficientes para afetar o desempenho dos
aditivos químicos. E a água salgada, é constituída por uma concentração superior a 1000
45
ppm de NaCl equivalente e pode ser natural, como a água do mar, ou pode ser salgada
por adição de sais como NaCl, KCl ou CaCl
2
.
A viscosidade, o limite de escoamento, as forças géis e o filtrado são controlados
pelas argilas e polímeros, os quais dependem da água para prover um meio de dispersão,
e consequentemente favorecerem uma boa taxa de remoção de sólidos e capacidade de
estabilização das paredes do poço.
Os sólidos ativos dispersos no meio aquoso controlam a viscosidade do fluido,
sendo os materiais argilosos mais usados a bentonita e a atapulgita. Já os sólidos inertes
podem ser materiais industrializados, tais como a baritina, calcita e hematita, ou os
próprios detritos finos das rochas perfuradas, composto por areia, silte ou calcáreo.
Dentre os produtos químicos adicionados ao fluido, destacam-se:
Polímeros para redução de filtrado, viscosificar ou desflocular;
Inibidores de formações ativas, como cloreto de sódio, cálcio e potássio;
Dispersantes, como o lignossulfonato, tanino, lignito e fosfatos;
Redutores de filtrado, como o amido;
Surfactantes para reduzir a tensão superficial e emulsificar;
Floculantes, como a soda cáustica, cloreto de sódio e cal;
Alcalinizantes e controladores de pH, como cal hidratada, potassa cáustica e soda
cáustica;
Removedores de cálcio e magnésio, como carbonato e bicarbonato de sódio;
Bactericidas, como paraformaldeído, compostos organoclorados, soda cáustica e cal.
Durante a perfuração das camadas rochosas superficiais utilizam-se fluidos não
inibidos e devido essas rochas serem praticamente inertes pouco tratamento é feito no
fluido. Já os fluidos inibidos, são utilizados para perfurar rochas que possuem elevada
atividade na presença de água doce. Quando a rocha é ativa, ou seja, reage
quimicamente com a água, tornando-se plástica, expansível, dispersível ou até mesmo
solúvel, é necessária a adição de eletrólitos ou polímeros, os quais retardam esses
efeitos.
No caso dos inibidores físicos, ocorre uma adsorção sobre a superfície dos
materiais das rochas, impedindo o contato direto com a água. Os inibidores químicos
reduzem a atividade química da água e reagem com a rocha, alterando a composição. Os
mais usados são a cal, cloretos de sódio, de potássio e de cálcio.
46
Em situações especiais são utilizados o baixo teor de sólidos em fluidos à base
água para aumentar a taxa de penetração da broca, reduzindo o custo da perfuração, e os
fluidos emulsionados com óleo, com o objetivo de reduzir a densidade do sistema para
evitar perda de circulação em zonas com baixa pressão de poros ou de fratura.
3.6.2 Fluidos à base óleo
Neste tipo de fluido, a fase contínua ou dispersante é constituída por uma fase
óleo, composta geralmente por hidrocarbonetos líquidos. A fase dispersa pode ser
constituída por alguns sólidos coloidais. Uma emulsão água/óleo (teor de água < 10%)
ou emulsão inversa (teor de água de 10 - 45%) podem ser usadas. Por possuírem maior
custo e grau de poluição, são menos usados que os fluidos à base água, entretanto
pesquisas têm aprimorado o desenvolvimento de óleos minerais e sintéticos, menos
poluentes que o óleo diesel.
Dentre as principais características, destacam-se:
Intervalo de variação de densidade amplo (0,89 a 2,4);
Controle das propriedades mesmo a elevadas temperaturas (500ºF);
Baixa taxa de corrosão;
Elevado grau de lubricidade;
Baixa solubilidade de sais inorgânicos;
Grau de inibição elevado com relação às rochas ativas;
Portanto, poços HPHT (alta pressão e alta temperatura); formações com baixa
pressão de poros ou fratura; formação salina; poços direcionais ou de longo
afastamento; formação de folhelhos argilosos ou plásticos e formação de arenitos
produtores danificáveis por fluidos à base água são fortes candidatos ao uso de fluidos à
base óleo.
Entretanto, existem algumas desvantagens frente aos fluidos à base óleo:
dificuldade de detecção de gás no poço devido sua solubilidade na fase contínua;
menores números de perfis que podem ser executados; menores taxas de penetração e
dificuldade no combate a perda de circulação.
47
3.6.3 Fluidos à base ar
Usados em zonas de elevada perda de circulação e formações com baixa pressão,
formações muito duras (basalto ou diabásico), regiões com escassez de água ou glaciais
com espessas camadas de gelo. A utilização de ar puro ou nitrogênio tem aplicação
limitada à formações que produzam pouca água e não contenham hidrocarbonetos.
Também se pode utilizar fluido aerado através de ar, nitrogênio ou gás natural no
escoamento contínuo do fluido de perfuração, reduzindo a densidade do sistema.
Pode-se fazer uma perfuração com névoa, constituída de água dispersa no ar, em
formações que produzam grande quantidade de água, o que poderia comprometer a
perfuração com ar puro.
A utilização de espuma é viabilizada quando é necessária elevada eficiência no
carreamento de sólidos. A dispersão de gás em líquido, onde um filme delgado de uma
fase líquida, estabilizada por um tensoativo (a espuma) forma a fase contínua, promove
um aumento da viscosidade, facilitando o carreamento.
3.7 Reologia
A descrição da reologia pode ser feita como o estudo da deformação e
escoamento da matéria. É a análise comportamental dos materiais frente à aplicação de
uma força ou à deformação (SOLUTIONS, 1996). Devido ao fato de diferentes
materiais apresentarem comportamento diferente quando submetidos às forças externas,
faz-se necessário o estudo de suas propriedades reológicas para uma adequada
classificação.
A reologia estuda o comportamento da deformação dos materiais ao longo do
tempo quando são submetidos a tensões. Para a determinação das propriedades
reológicas de um material, deve-se medir a deformação provocada por uma dada tensão
ou medir a tensão requerida com a finalidade de se produzir certa deformação em um
tempo determinado.
Existem dois desafios principais na reologia: o primeiro é o estabelecimento de
uma relação quantitativa entre deformação e tensão ao longo do tempo para o material
estudado. O segundo é o desenvolvimento de relações entre o comportamento reológico
de um material e sua estrutura, composição e condições ambientais como a temperatura
e a pressão (DEALY e WISSBRUM, 1990).
48
Quando a matéria está no estado sólido, diz-se que ocorre deformação, já quando
no estado líquido, escoamento. Uma das diferenças entre sólidos e líquidos quando
submetidos à tensão de cisalhamento é que em sólidos ela causa a deformação enquanto
que em líquidos ela causa uma taxa de deformação, ou simplesmente, que os sólidos são
elasticamente deformados, enquanto que os líquidos fluem (SCHRAMM, 2006).
Em materiais sólidos, a propriedade de maior interesse é a elasticidade e, em
líquidos, a viscosidade. No entanto, quando os materiais não podem ser diferenciados
em sólidos ou líquidos com clareza, a propriedade reológica de interesse nestes casos é
a viscoelasticidade (PASQUEL, 1999).
Portanto, a reologia estuda parâmetros que provocam mudanças no escoamento e
forma do material, tais como, a viscosidade, elasticidade, plasticidade e o escoamento
da matéria.
3.7.1 Comportamento reológico
O comportamento reológico dos materiais pode ser classificado através de dois
extremos idealizados:
Sólidos ideais (Lei de Hooke – hookeanos): Quando uma dada tensão aplicada
corresponde a uma deformação, independente do tempo. Deformam-se
elasticamente e a energia de deformação é totalmente recuperada quando termina o
estado de tensão, com o corpo voltando à sua forma original
Fluidos ideais (Lei de Newton – newtonianos): Para um fluido perfeitamente
viscoso, não há recuperação de energia, sendo esta dissipada com a deformação
permanente do material (STEFFE, 1996). Eles escoam, ou seja, deformam-se de
forma irreversível e a energia de deformação é dissipada na forma de calor. Assim,
em fluidos, a energia de deformação não é recuperada após a retirada da tensão
(SCHRAMM, 2006).
Apenas alguns líquidos aproximam-se dos líquidos com comportamento ideal. O
comportamento reológico da maioria dos líquidos os classifica entre os líquidos e os
sólidos, sendo elásticos e viscosos, portanto chamados de viscoelásticos.
49
A elasticidade é a característica de materiais que retornam ao seu formato de
origem assim que a carga é removida e cessam as tensões no material. A deformação é
diretamente proporcional a tensão associada e independente da taxa de deformação. Em
um material que apresenta comportamento puramente elástico, todo trabalho realizado
para deformá-lo é armazenado como energia elástica, a qual será devolvida quando lhe
for permitido retornar a sua forma original.
Para a viscosidade, diferentemente do que ocorre em sólidos elásticos, a tensão
não se relaciona com a quantidade de deformação e sim com a taxa de deformação.
(DEALY e WISSBRUM, 1990). A Figura 3 apresenta a classificação do
comportamento reológico.
Figura 3 - Classificação do comportamento reológico
Fonte: (Raguzzoni, 2007)
O comportamento reológico dos fluidos divide-se em Newtonianos e não-
Newtonianos. Os fluidos Newtonianos são caracterizados por uma relação linear entre
tensão de cisalhamento e a taxa de deformação aplicada, dependendo da temperatura e
da composição do fluido. Já os fluidos não-Newtonianos não possuem essa relação
linear e podem ser dependentes ou independentes do tempo de aplicação da tensão de
cisalhamento (GOMES et al.; 2001).
50
3.7.1.1 Fluidos Newtonianos
A classificação dos fluidos em relação ao comportamento reológico envolve a
determinação e análise da relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação
para uma determinada condição de pressão e temperatura (STEFFE, 1996). Os fluidos
Newtonianos ou líquidos ideais são aqueles que obedecem à lei de Newton, onde a
tensão de cisalhamento é diretamente proporcional à taxa de deformação e a viscosidade
é constante, para certas condições de temperatura e pressão.
Mudanças ocorridas na taxa de cisalhamento não são capazes de afetar a
viscosidade (SCHRAMM, 2006). A viscosidade não depende da taxa ou da quantidade
de deformação, mas é uma constante de proporcionalidade entre tensão e a taxa de
deformação, característica de cada material (DEALY e WISSBRUM, 1990). Como
exemplo de fluidos Newtonianos é possível citar: água, óleo mineral, melaço, entre
outros (SCHRAMM, 2006).
3.7.1.2 Fluidos não-Newtonianos
Nesse tipo de fluido, a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à
taxa de deformação (PENNA, 1997). Em um gráfico de tensão de cisalhamento em
função da taxa de deformação, eles não são lineares ou não passam pela origem
(SCHRAMM, 2006). Podem ser dependentes e independentes do tempo de aplicação da
tensão de cisalhamento.
Além destes existem ainda os viscoelásticos, os quais apresentam tanto
características de sólido como de liquido. O coeficiente de viscosidade para estes
fluidos não ideais perde seu sentido, a menos que seja especificada a tensão de
cisalhamento ou a taxa de deformação, por isto, nestes casos é denominada de
viscosidade aparente (η).
De acordo com Rao e Rizvi, 1986 a viscosidade aparente (η) é a viscosidade
dependente da taxa de deformação, como demonstra a Equação (3.38).
γ
τ
η
=
(3.38)
Onde:
η - viscosidade aparente
51
γ - taxa de deformação
τ
- tensão de cisalhamento
A viscosidade aparente pode ser utilizada como parâmetro de comparação
reológico entre diferentes comportamentos, separando-se em duas categorias: fluidos
que precisam de uma tensão de cisalhamento inicial
τ
0
para escoar e fluidos que não
precisam da referida tensão. Os fluidos que não necessitam de
0
τ
seguem a lei de
potência, sendo definidos como pseudoplásticos ou dilatantes.
Fluidos não-Newtonianos que apresentam comportamento reológico
independente do tempo, sob condições de temperatura e composição constantes,
apresentam a viscosidade aparente dependente somente da taxa de deformação ou da
tensão de cisalhamento. Já no caso dos fluidos cujo comportamento depende do tempo,
a viscosidade aparente também depende da duração desta taxa de deformação (STEFFE,
1996).
3.7.1.2.1 Fluidos pseudoplásticos
Os fluidos pseudoplásticos, cujo comportamento é apresentado pela Figura 5,
representam a maior parte dos fluidos que possuem comportamento não-Newtoniano.
Seu comportamento reológico é independente do tempo e sua curva não é linear e passa
pela origem. O aumento da taxa de deformação causa decréscimo da viscosidade
aparente. Seu comportamento pode ser explicado através da modificação da estrutura de
cadeias longas de moléculas com o aumento da taxa de deformação. Estas cadeias
tendem a alinharem-se paralelamente às linhas de corrente, diminuindo a resistência ao
escoamento.
3.7.1.2.2 Fluidos dilatantes
Apresentam comportamento reológico independente do tempo, sendo
caracterizados por um aumento na viscosidade aparente com o aumento da taxa de
deformação. Apresentam uma curva inversa à do fluido pseudoplástico, conforme
mostrado na Figura 5. Em alguns casos é possível observar a presença de uma tensão
inicial, a partir da qual o liquido começa a escoar (STEFFE, 1996). Suspensões
52
concentradas de partículas de PVC misturadas com líquidos plastificantes, dispersões de
polímeros ou resina e algumas pastas de cimento são exemplos típicos.
3.7.1.2.3 Fluidos plásticos ou de Bingham
Os fluidos plásticos ou de Bingham são fluidos que escoam após vencerem a
tensão de cisalhamento inicial
τ
0
, resultando em um comportamento linear entre a
tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, conforme apresentado na Figura 4,
(LEWIS, 1993).
Figura 4 - Curvas de escoamento. Pseudoplástico, Bingham, Dilatante e Newtoniano.
(Fonte: Gomes, 2001).
3.7.2 Modelos Reológicos
Os modelos reológicos são úteis para relacionar propriedades reológicas de um
fluido com grandezas práticas, como concentração, temperatura, pH, entre outros. Esses
modelos podem ser isotérmicos (descrevem o comportamento de um fluido a uma
temperatura fixa) ou não isotérmicos (incluem relações como funções da temperatura).
Dependendo do modelo utilizado, possuem ou não tensão inicial (VIDAL, 2000).
Alguns modelos não dependem de tensão inicial para escoar. Nesses modelos, o
escoamento é iniciado imediatamente após a tensão ser aplicada. Dentre eles existem o
53
Modelo de Newton e o Modelo de Ostwald de Waale (Lei da Potência). Neste trabalho
será tratado apenas este último visto que será o modelo utilizado no estudo de caso.
3.7.2.1 Modelo de Ostwald de Waale (Lei da Potência)
O modelo de Ostwald ou fluido de potência é definido pela Equação (3.39).
n
k
γτ
.=
(3.39)
Onde:
k - índice de consistência;
n - índice de comportamento;
γ - taxa de deformação;
τ
- tensão de cisalhamento
O índice de consistência k indica o grau de resistência do fluido diante do
escoamento, onde quanto maior mais consistente o fluido será. Já o índice de
comportamento n indica o grau de afastamento do fluido Newtoniano, ou seja, quanto
mais distante do valor unitário mais distante do comportamento Newtoniano.
A Figura 5 apresenta curvas de escoamento que seguem a lei de potência, cujos
fluidos I, II, e III são denominados pseudoplásticos quando 0 < n < 1 e para os fluidos a,
b, e c, denominados dilatantes quando n > 1. Quando n = 1 o fluido será Newtoniano.
Figura 5 - Curvas de escoamento como função do índice de comportamento – n.
Fonte: Machado, 2002
54
A variação da viscosidade aparente com a taxa de deformação é representada
por:
1
.
−
=
n
k
γη
(3.40)
Existem modelos que dependem da tensão inicial para escoar. São
representativos para fluidos que só iniciam o escoamento quando a tensão de
cisalhamento aplicada supera uma tensão inicial, que é característica de cada fluido
(VIDAL, 2000). Dentre os mais usuais destacam-se o Modelo de Bingham; Modelo de
Herschel-Bulkley; Modelo de Casson e Modelo de Robertson-Stiff.
3.7.3 Viscosimetria
A viscosimetria é considerada um segmento da mecânica dos fluidos que
consiste na prática experimental de medir a resposta reológica de fluidos considerados
puramente viscosos, onde a componente elástica possa ser desprezada. A medida de
certas grandezas físicas, tais como velocidade angular, torque, ângulo de deflexão,
tempo, etc., são transformadas em tensão de cisalhamento e taxa de deformação, as
quais por sua vez permitem uma correlação com viscosidade. O estudo é efetuado
considerando-se certo modelo para determinação da viscosidade ou de parâmetros
viscosos ou por meio da construção e interpretação de curvas de escoamento e de
viscosidade, (MACHADO, 2002).
Os viscosímetros são capazes de medir apenas parâmetros viscosos do fluido sob
cisalhamento contínuo. Seu projeto é fundamentado em princípios de escoamento
permanente laminar através de geometrias definidas. O escoamento pode ser em torno
de uma esfera; entre placas planas paralelas; entre cilindros coaxiais; através de tubo de
seção circular; entre cone e placa circular e entre placas circulares.
A seleção do modelo do viscosímetro deve levar em consideração uma série de
fatores, tais como a aplicação dos dados (se serão usados para especificação de
produtos, controle de processos, pesquisa, etc.); tipo de fluido a ser testado (corrosivo,
volátil, instável, etc.); comportamento reológico (Newtoniano ou não-Newtoniano);
variáveis a serem controladas (tensão cisalhante, taxa de cisalhamento, viscosidade,
temperatura e pressão) e o custo/benefício.
55
3.7.4 Reometria
O comportamento viscoelástico demandou o desenvolvimento de modelos mais
específicos para caracterizar esses materiais que possuem um comportamento híbrido.
Muitos fluidos empregados na indústria do petróleo, tais como fluidos de perfuração e
de fraturamento, apresentam componentes elásticos significativos. Um dos segmentos
que mais tem estudado esses efeitos elásticos dos fluidos é o da perfuração e
completação de poços de alta inclinação e afastamento, técnica amplamente empregada
na exploração em águas profundas.
Diversos fluidos de perfuração possuem aditivos que lhes conferem esse caráter
elástico. Dispersões argilosas e poliméricas e misturas de derivados de petróleo
contendo hidrocarbonetos de elevado peso molecular apresentam caráter viscoelástico.
Um estiramento das moléculas pode ser verificado quando aplicada uma deformação,
causando mudança nos ângulos entre as ligações na cadeia principal, aumentando o
estado energético das moléculas. Quando a força é retirada, as moléculas relaxam e
retornam a sua conformação inicial em um menor estado de energia.
Para a determinação dos parâmetros reológicos para os modelos viscoelásticos,
convém à aplicação de tensões oscilatórias ao invés de constantes, que conduzem a um
estado permanente de cisalhamento como ocorre nos viscosímetros.
A investigação do comportamento reológico sob condição de escoamento pleno
ou o comportamento viscoelástico de certo fluido é possível através do uso de
reômetros. O principio do projeto é basicamente o mesmo dos viscosímetros, porém
implementos mecânicos permitem o movimento oscilatório e o controle da tensão ou da
taxa de cisalhamento.
Informações sobre viscosidade e elasticidade em função do tempo de resposta
são obtidas pelos reômetros, os quais relacionam a velocidade angular ou freqüência
com a tensão oscilatória resultante. Os testes são realizados em um vasto intervalo de
velocidades ou freqüência, evitando a perturbação mecânica das amostras e o
rompimento das estruturas internas.
Os testes dinâmicos com reômetro rotativo implicam que, a parte giratória do
sensor, placa, cilindro ou cône, não gira continuamente em uma direção, mas
movimenta-se alternativamente, descrevendo uma função senoidal com o tempo,
alcançando pequenos ângulos de deflexão para esquerda e para direita. Os sistemas
56
capilares e rotacionais são os mais comuns, sendo este último o mais testado através de
pesquisas. (STEFFE, 1996).
Reômetro rotacional de cilindros concêntricos;
Reômetro rotacional de placas paralelas;
Reômetro rotacional de cone e placa
Os reômetros rotacionais permitem o uso de pequenas quantidades da amostra e
podem fornecer uma medida contínua da relação da taxa de deformação e tensão de
cisalhamento.
3.7.4.1 Reômetro rotacional de cilindros concêntricos
Nos reômetros de cilindros concêntricos, conforme mostrado na Figura 6 tem-se
o sistema Searle, no qual o cilindro interno gira, além de ser utilizado para a medida do
torque e o sistema Couette, onde o corpo externo gira e o torque é medido no cilindro
interno (STEFFE, 1996). É utilizado para análise de materiais com baixa viscosidade
contendo partículas.
Figura 6 - Geometria de cilindros concêntricos
Fonte: Gozzo, 2003.
3.7.4.2 Reômetro rotacional de placas paralelas
O reômetro de placas paralelas é constituído por duas placas formando um disco
e apresentando uma distância “gap” uma da outra, conforme mostra a Figura 7. Esta
57
distância entre as placas pode ser variada, obtendo-se, assim, diferentes faixas de taxa
de deformação. Qualquer uma das partes pode girar para medir o torque necessário.
Utilizado em materiais não-homogêneos, contendo fibras e partículas. Geralmente este
sistema é usado em medidas dinâmicas (oscilação).
Figura 7 - Geometria de placas paralelas.
Fonte: Gozzo, 2003.
3.7.4.3 Reômetro rotacional de cone e placa
O reômetro de cone e placa consiste em uma placa horizontal e um cone
invertido que apresenta o vértice muito próximo ao prato (Figura 8). O ângulo formado
entre a superfície do cone e o prato é bastante pequeno e a amostra do fluido localiza-se
neste pequeno espaço. Como no reômetro de placas paralelas, qualquer uma das partes
pode girar para medir o torque necessário. Aplicado em materiais com alta viscosidade
sem partículas. Este sistema é indicado para a aplicação de altas taxas de cisalhamento.
Figura 8 - Geometria de cone e placa.
Fonte: Gozzo, 2003.
58
3.8 Influência da Temperatura no comportamento reológico de fluidos.
Aranha et al., (2008) desenvolveram correlações que ajustam o comportamento
reológico de fluidos como função da temperatura. Além da temperatura, outros
parâmetros importantes investigados foram peso específico e razão água / óleo (para
fluidos de base oleosa). Eles concluíram que a metodologia proposta com base em
correlações ajustadas para os fluidos, consegue satisfatoriamente obter valores de
leituras reológicas corrigidas para determinada temperatura sendo assim possível
determinar os parâmetros reológicos ao longo do poço em função da temperatura e
aplicá-los em equações de cálculo de perda de carga.
Os resultados servirão para alimentar modelos de correção de viscosidade com
temperatura a serem implementados na nova versão do SIMCARR – Simulador de
Hidráulica de Perfuração e Carreamento de Cascalhos e no software PWDa,
interpretador de dados de pressão de fundo em tempo real durante a perfuração.
3.9 Coeficiente de atrito ou resistência
Conforme apresentado no capítulo 2, a força resistiva pode ser expressa em
função do coeficiente de resistência, que depende do tamanho, geometria, rugosidade e
regime de queda da partícula.
O coeficiente de resistência foi estudado por Dedegil, (1987) que desenvolveu
uma correlação que se ajusta a qualquer modelo reológico, inclusive o modelo
Newtoniano, considerando vários intervalos de Re*.
*
Re
24
C
D
=
, para Re* < 8 (3.41)
0,25
*
Re
22
C
D
+= , para 8 < Re* < 150 (3.42)
0,4C
D
=
, para Re* > 150 (3.43)
Redefinindo o C
D
e o número de Reynolds para:
59
( )
=
∞
opfp
f
2
D
gd
3
2
v
2
C
πτρρ
ρ
-- (3.44)
τ
ρ
f
2
v
=Re*
∞
(3.45)
Onde:
)(=
γ
τ
τ
(3.46)
e
p
d
v
=
∞
γ
(3.47)
As Tabelas 1 e 2 apresentam outras correlações para o coeficiente de resistência
para fluidos Newtonianos e não Newtonianos.
60
Tabela 1- Correlações para determinação do coeficiente de resistência das partículas para fluidos
Newtonianos.
Fonte: PUC-Rio Certificação Digital 0115570/CA
61
Tabela 2 - Correlações para determinação do coeficiente de resistência das partículas para fluidos não-
Newtonianos (Modelo de Potência).
Fonte: PUC-Rio Certificação Digital 0115570/CA
________________________________
Capítulo 4
Estudo Experimental
________________________________
63
4.1 Materiais e métodos
O objetivo deste capítulo é a caracterização reológica dos fluidos para avaliar o
modelo reológico e o comportamento da viscosidade com o tempo, além da realização
dos ensaios experimentais de sedimentação para validação das equações que serão
utilizadas para velocidade de sedimentação de partículas.
4.1.1 Fluidos utilizados
Os fluidos utilizados nesse experimento foram: Fluido A (emulsão inversa),
Fluido B (à base de goma xantana), e Fluido C (à base de carbopol).
4.1.2 Ensaios reológicos FANN 35 A
A determinação dos parâmetros reológicos e do modelo reológico dos fluidos em
estudo foi feita através de uma análise em um viscosímetro Fann, modelo 35 A,
conforme a Figura 9.
Figura 9 - Viscosímetro Fann, modelo 35 A
64
O procedimento para utilização do viscosímetro Fann foi conforme descrito
abaixo:
Agitar o fluido a ser testado no misturador durante 5 minutos em velocidade alta;
Colocar o fluido no copo do viscosímetro até a sua marca e este na base do
equipamento. Elevar o copo até que o nível do fluido coincida com a marca no rotor
e fixá-lo com o parafuso;
Fazer as leituras no viscosímetro nas rotações de 600; 300; 200; 100; 6 e 3 rpm.
Para determinação da taxa de deformação deve-se converter as velocidades
rotacionais do viscosímetro, expressas em rpm, para taxa de deformação, expressa em
s
-1
, de acordo com a Equação (4.1). Essa conversão depende da combinação rotor - bob.
Nesse caso foi utilizado o conjunto R1-B1, cuja taxa de deformação nominal em 1 rpm
TXD(1) é igual a 1,7034.
γ = TXD (1) x (rpm) (4.1)
Onde:
γ - taxa de deformação obtida da conversão de dada rpm do viscosímetro, expressa em
s
-1
;
TXD (1) - taxa de deformação nominal de 1 rpm do viscosímetro para uma dada
combinação rotor - bob;
RPM: Número de rotações por minuto.
Para determinação da tensão de cisalhamento
τ
deve-se converter as leituras de
deformação da mola para tensões de cisalhamento, através da Equação (4.2).
τ
= C x f x L (4.2)
Onde:
τ
- tensão de cisalhamento para uma dada rpm, expresso em lbf /100 pé
2
ou em Pascal;
C - Fator de conversão da tensão de cisalhamento para um dado bob – Neste caso, B1,
C = 1,068 ( lbf / 100 pé
2
) ou C = 0,511 (Pascal);
f - fator de mola de acordo com o fabricante (neste caso = 0,998);
L - leitura da deformação da mola obtida para dada rpm do viscosímetro.
65
Para cada rotação, faz-se a leitura L e obtém-se o respectivo
τ
. De posse dos
dados de tensão de cisalhamento e taxa de deformação é possível verificar qual o
modelo reológico melhor representa o comportamento do fluido.
Com o SIMCARR - Simulador de Hidráulica de Perfuração e Carreamento de
Cascalhos, é possível realizar a determinação da taxa de deformação e da tensão de
cisalhamento automaticamente, fornecendo como dados de entrada a leitura da
deformação da mola obtida para dada rpm e a respectiva rpm, obtidas no viscosímetro
Fann.
4.1.3 Ensaios reológicos no reômetro ARES
A determinação dos parâmetros reológicos relativos ao comportamento da
viscosidade como função do tempo para os fluidos em estudo foi feita através de uma
análise da variação da tensão de cisalhamento em função do tempo para uma taxa de
deformação fixa, pequena o suficiente para não interferir na formação do gel.
Os ensaios reológicos em estado estacionário foram realizados em reômetro de
taxa controlada, da marca Rheometric ScientificTM, modelo ARES, conforme Figura
10.
Figura 10 - Reômetro - modelo ARES
66
As análises foram realizadas na temperatura de 25ºC, mantida através do banho
termostático, marca Thermo Electron Corporation, modelo NESLAB RTE 17, conforme
Figura 11.
Figura 11 - Banho termostático - NESLAB RTE 17
A geometria utilizada foi a Grooved Couette, com ranhuras para reduzir o
possível escorregamento entre a amostra e às paredes da referida geometria durante a
medida, sem afetar significativamente a cinemática do escoamento (Figura 12). As
dimensões desta geometria foram: diâmetro do bob: 32 mm e diâmetro do copo: 34 mm.
Figura 12 - Geometria Grooved Couette
67
A seguinte seqüência operacional foi utilizada:
Aumentou-se gradativamente a taxa de deformação de 0 a 100 s
-1
durante 5 s;
Manteve-se a taxa constante de 100 s
-1
durante 5 minutos (para promover a agitação
da amostra);
Reduziu-se a taxa de 100 s
-1
para 0,001 s
-1
durante 5s;
Manteve-se a taxa de 0,001 s
-1
durante 120 minutos (para permitir o crescimento do
gel sem quebrá-lo);
4.1.4 Ensaios de sedimentação
Com o objetivo de avaliar a consistência das equações teóricas propostas para o
modelo, foram realizados ensaios de sedimentação de esferas nos fluidos B e C. Devido
a indisponibilidade de amostra, este ensaio não foi possível para o fluido A. O
procedimento se baseia na medida do tempo que a esfera leva para atravessar um
determinado comprimento da proveta, o que permite a determinação da velocidade
terminal da esfera.
O procedimento foi realizado utilizando-se uma proveta de 2L, com
comprimento de 50,0 cm e diâmetro de 8,1cm, grande o suficiente para reduzir os
efeitos de fronteiras rígidas durante o deslocamento da esfera. As esferas, cujas
dimensões são dadas na Tabela 3, foram medidas com paquímetro digital da
MITUTUYO Corporation (0,01 - 200 mm). A Figura 13 apresenta as esferas utilizadas.
Tabela 3 - Dados das esferas utilizadas
Esfera 1 2 3 4 5
Diâmetro (mm)
3,95 6,33 7,92 10,49 17,45
Massa (g)
0,25 1,04 2,04 4,72 21,71
Volume (cm
3
)
0,032 0,132 0,260 0,604 2,782
ρ
s
(Kg/m
3
)
7747,30 7831,12 7842,53 7809,39 7803,25
68
Figura 13- Esferas utilizadas
Foram testadas esferas de material plástico, porém devido à reduzida massa
específica apresentaram velocidade relativa ao fluido nula. Portanto os experimentos
realizados somente com as esferas de aço. Para reduzir interferência externa no
lançamento das esferas, foram utilizados centralizadores nas tampas das provetas,
conforme Figura 14, para garantir que as esferas iniciariam a descida a partir de uma
posição estática e na parte central da proveta, longe das paredes. As esferas foram
lançadas, uma a uma, em cada fluido e foram medidos os tempos e as respectivas
distâncias percorridas para se obter a velocidade média terminal.
Figura 14 - Centralizador para lançamento de esferas
69
4.1.5 Procedimento iterativo
A determinação da viscosidade em função da taxa de deformação e do tempo é
baseada no seguinte procedimento iterativo:
No instante t
0
:
1. A partir das análises reológicas da tensão de cisalhamento em função da taxa de
deformação, determinam-se o modelo e seus parâmetros reológicos.
2. Através de uma correlação de viscosidade com a taxa de deformação, estima-se a taxa
e determina-se a viscosidade;
(
)
γη
f=
3. A partir de uma correlação de velocidade com a viscosidade determina-se a
velocidade;
(
)
η
fv
p
=
4. Através de uma correlação de taxa de deformação com a velocidade determina-se a
nova taxa de deformação;
(
)
p
vf=
γ
5. Compara-se a taxa inicialmente estimada com a determinada no item 4 e caso
diferente substituir a nova taxa no item 2 e repetir o ciclo. O processo é iterativo até
convergência da taxa de deformação, viscosidade e velocidade.
Evolução no tempo
Quando ocorre a parada no bombeio, o fluido inicia o processo de gelificação e
os parâmetros reológicos são modificados. Para determiná-los, deve-se realizar ensaios
reológicos de tensão em função do tempo utilizando-se uma taxa de deformação fixa,
pequena o suficiente para não interferir na formação do gel. Essa tensão pode ser
convertida em viscosidade e avaliar sua evolução em função do tempo.
(
)
tf=
η
para
γ
constante.
A determinação dos parâmetros reológicos será função da nova viscosidade e o
processo iterativo é retomado a partir do item 2 para convergência da nova taxa de
deformação, viscosidade e velocidade.
70
Obtida a viscosidade para o novo tempo i, determina-se a velocidade em função
da viscosidade
(
)
η
fv
p
=
e o deslocamento a partir da correlação de velocidade
t . s
∆
=
∆
p
v , onde:
i
t
−
=
∆
+1i
tt .
O fluxograma do procedimento iterativo é apresentado na Figura 15.
Figura 15 - Fluxograma para determinação do deslocamento das partículas dentro do poço.
________________________________
Capítulo 5
Resultados e discussão
________________________________
72
5.1 Sedimentação de esferas
Devido ao pequeno comprimento da proveta (com relação ao comprimento de
um poço de petróleo) e à elevada massa específica da partícula (com relação à massa
específica de cascalhos), o que afeta diretamente à velocidade relativa da partícula, as
esferas percorreram toda extensão da proveta antes do processo de gelificação do fluido,
ou seja, com viscosidade constante e consequentemente velocidade constante.
Fluido B (à base de goma xantana)
Para o fluido B, utilizaram-se as esferas 1, 2, 3, 4 e 5, entretanto, à medida que a
massa específica das esferas aumenta, a velocidade de sedimentação também aumenta,
reduzindo a precisão na medida do tempo (centésimos de segundo). Portanto, os
resultados foram validados para as esferas 1, 2, 3 e 4.
A partir de uma correlação de velocidade com a viscosidade determinou-se a
velocidade de sedimentação conforme descrito no capítulo 2 (Equação (2.15)),
ponderada com o efeito de fronteiras rígidas (Equação (3.7)), resultando na Equação
(5.1). Não foram considerados os efeitos de concentração de partículas nem de forma
devido o experimento ter sido realizado com uma única partícula e a mesma ser uma
esfera.
(5.1)
Para avaliar a consistência de equações propostas por outros autores, também foi
analisada a Equação 3.37 proposta por Chien (Bourgoyne, 2005). O resultado
comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades teóricas calculadas a
partir da Equação 5.1 e 3.37 com as esferas 1, 2, 3 e 4 é mostrado na Figura 16.
(
)
η
ρρ
β
kd
v
pfp
p
.)..(545,0
2
−
=
73
FLUIDO B
0
10
20
30
40
3,0 6,0 9,0 12,0
Diâmetro das esferas (mm)
Velocidade (cm/s)
V exp
eq. 5.1
eq. 3.37
Figura 16 - Resultado comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades teóricas para o
fluido B com relação ao diâmetro das esferas.
Verifica-se que o resultado obtido utilizando-se as equações 3.37 e 5.1 é bem
próximo ao obtido experimentalmente, especialmente para o caso das esferas de menor
diâmetro. Um fator limitante para realização dos ensaios experimentais com o fluido B é
a dificuldade de visualização do movimento da esfera ao longo da proveta devido o
fluido não ser translúcido. Neste caso, a verificação para medida do tempo foi feita na
parte inferior da proveta, quando a esfera alcançava a mesma. Apesar de existirem
metodologias que utilizam sensores para monitoramento da movimentação de
partículas, neste estudo não foi possível devido indisponibilidade do mesmo. Para
superar essa dificuldade, foi utilizado o fluido C que é translúcido, permitindo a
visualização de todo o trajeto das esferas dentro das provetas.
Fluido C ( à base de carbopol)
Para o fluido C, a visualização de toda a trajetória da esfera ao longo da proveta
foi bem acompanhada devido esse fluido ser translúcido, permitindo a divisão do
comprimento da proveta em seções, que por sua vez possibilitou a avaliação da
velocidade em vários trechos, comprovando que a velocidade terminal (constante) havia
sido atingida logo após o início do lançamento da esfera.
O experimento de sedimentação foi realizado com as esferas 1, 2, 3, 4 e 5.
Devido à esfera 1 possuir massa específica muito pequena, ela ficou estática na
74
superfície do fluido, apresentando velocidade relativa nula. Já com relação à esfera 5,
devido sua elevada massa específica, apresentou uma rápida velocidade de
sedimentação, gerando imprecisão na medida do tempo. Portanto, a validação foi feita
para as esferas 2, 3 e 4.
O resultado comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades
teóricas calculadas pelas Equações 3.37 e 5.1 para as esferas 2, 3 e 4 é mostrado na
Figura 17.
FLUIDO C
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
6,0 8,0 10,0 12,0
Diâmetro das esferas (mm)
Velocidade (cm/s)
V exp
Eq. 5.1
Eq. 3.37
Figura 17 - Resultado comparativo entre as velocidades experimentais e as velocidades teóricas para o
fluido C com relação ao diâmetro das esferas.
Através da comparação entre os dados experimentais e teóricos, verificou-se que
as correlações propostas para representar o comportamento da velocidade de
sedimentação de partículas apresentam boa reprodutibilidade, especialmente para as
esferas de menor diâmetro, o que permite utilizá-las no estudo de caso.
Para determinação da velocidade teórica também se levou em consideração o
efeito de fronteiras rígidas, conforme Equação (5.1). Não foram considerados os efeitos
de concentração de partículas nem de forma devido o experimento ter sido realizado
com uma única partícula e a mesma ser uma esfera.
75
5.2 Determinação do modelo reológico para os fluidos utilizados.
Os parâmetros reológicos obtidos na análise do viscosímetro Fann foram
utilizados no SIMCARR - Simulador de Hidráulica de Perfuração e Carreamento de
Cascalhos, da Petrobras, para determinação do modelo reológico mais representativo de
cada fluido. A Figura 18 apresenta como exemplo, a alimentação dos dados de entrada
referentes às leituras do viscosímetro. Primeiramente escolhe-se o modelo (Newtoniano
ou não-Newtoniano); preenchem-se as leituras obtidas no viscosímetro para cada
rotação e os parâmetros reológicos são gerados para cada modelo reológico.
Figura 18 - Dados de entrada para o SIMCARR
Os parâmetros reológicos calculados são apresentados em uma tela conforme
Figura 19. Nela são apresentadas: a rotação (N), o ângulo de deflexão (T), a taxa de
deformação (SRb), as tensões cisalhantes (SSb lido) para cada uma das leituras do
reômetro, a tensão cisalhante prevista pelo modelo reológico escolhido, neste caso,
Power Law (SSb Calc) e o desvio padrão (SD) para a correlação proposta.
76
Figura 19 - Resultados gerados pelo SIMCARR
Através de uma avaliação do desvio padrão relativo, determina-se o modelo que
melhor se ajusta aos dados experimentais.
A Figura 20 apresenta o comportamento da tensão em função da taxa de
cisalhamento para o fluido A.
Fluido A
y = 0,0798x + 28,871
R
2
= 0,9958
0
20
40
60
80
100
120
0 200 400 600 800 1000 1200
Taxa de cisalhamento (s^ -1)
Tensão (lbf/100ft^2)
Figura 20-Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido A.
77
A equação e a correlação são obtidas automaticamente ao traçar a linha de
tendência (recurso computacional). O comportamento do fluido A é representativo do
modelo de Bingham, ou seja, comportamento linear da tensão em função da taxa de
cisalhamento apresentando limite de escoamento.
A Figura 21 apresenta o comportamento da tensão em função da taxa de
cisalhamento para o fluido B.
Fluido B
y = 5,6014x
0,4277
R
2
= 0,9971
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000 1200
Taxa de cisalhamento (s^-1)
Tensão (lbf/100 ft 2)
Figura 21 - Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido B.
O comportamento do fluido B por sua vez, é representativo do modelo de
potência.
A figura 22 apresenta o comportamento da tensão em função da taxa de
cisalhamento para o fluido C.
78
Fluido C
y = 72,229x
0,2332
R
2
= 0,9528
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
0 20 40 60 80
Taxa (s^ -1)
Tensão (lbf / 100 ft^2)
Figura 22 - Comportamento da tensão em função da taxa de cisalhamento para o fluido C.
O comportamento do fluido C também é representativo do modelo de potência.
5.3 Determinação da função viscosidade com o tempo
As amostras foram submetidas à elevada taxa de deformação antes do teste para
assegurar que qualquer crescimento de gel antes da análise seria destruído. Em seguida,
a utilização de uma taxa baixa de modo a não afetar à formação do gel foi aplicada e
avaliada durante certo tempo, até a viscosidade tornar-se constante, momento no qual o
gel estaria completamente formado.
A partir dos resultados obtidos dos ensaios reológicos no ARES foi possível
determinar como a viscosidade se comporta com o tempo e propor uma função que
representasse esse modelo.
A Figura 23 representa o resultado da análise reológica do Fluido A.
79
FLUIDO A
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Taxa constante 0,001 s-1
Figura 23 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido A.
A Figura 24 representa o resultado da análise reológica do Fluido B.
FLUIDO B
0
500
1000
1500
2000
2500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Taxa constante 0,001 s-1
Figura 24 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido B.
A Figura 25 representa o resultado da análise reológica do Fluido C.
80
FLUIDO C
1000
2000
3000
4000
5000
6000
10 110 210 310 410 510 610
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Taxa fixa 0,001 s-1
Figura 25 - Comportamento da viscosidade com o tempo para o Fluido C.
Uma linha de tendência foi traçada sobre os gráficos dos ensaios reológicos dos
fluidos A, B e C para propor qual o modelo seria representativo para avaliar o
comportamento da viscosidade com o tempo. Após avaliação do melhor coeficiente de
correlação, escolheu-se a função de potência, conforme a Equação (5.2).
b
0
a.t +=
ηη
(5.2)
Onde
η
- viscosidade aparente do fluido para um determinado tempo;
0
η
- viscosidade aparente do fluido imediatamente antes da gelificação;
a e b – parâmetros obtidos do ensaio reológico da viscosidade em função do tempo.
________________________________
Capítulo 6
Estudo de caso
________________________________
82
6.1 Sedimentação durante conexões e manobras
Durante as operações de perfuração de um poço algumas paradas fazem parte do
processo normal, tais como as conexões das seções de tubos e as manobras que são
necessárias para trocar uma broca que já se desgastou, por exemplo. Outras paradas
indesejáveis podem ocorrer devido a problemas operacionais e causar perdas
irreparáveis caso não haja um bom controle de certos parâmetros, dentre os quais, as
propriedades reológicas do fluido utilizado durante a perfuração.
Operacionalmente, quando o topo do kelly ou do motor (no caso do top drive)
atinge a mesa rotativa, é necessário acrescentar um novo tubo à coluna de perfuração.
Esta “conexão” se procede da seguinte maneira:
Coloca-se o tubo a ser acrescentado junto à mesa rotativa;
Eleva-se o kelly até o primeiro tubo de perfuração aparecer e coloca-se a cunha na
coluna para sustentar o peso na mesa rotativa;
Desconecta-se o kelly da coluna e conecta-se ao tubo de perfuração a ser adicionado;
Eleva-se o conjunto kelly/tubo de perfuração e conecta novamente à coluna;
Retira-se a cunha e desce a coluna até o kelly encaixar na mesa rotativa e continua a
perfuração.
Uma manobra se completa quando ocorre a retirada e descida de toda a coluna
de perfuração para substituição da broca, por exemplo. A retirada da coluna se faz
elevando-a e colocando a cunha para sustentar o peso da coluna na mesa rotativa. Em
seguida, desconecta-se a seção, composta por geralmente três tubos, e faz-se o
estaleiramento no mastro. A seqüência inversa é aplicada para descida.
Devido ao caráter gelificante de alguns fluidos de perfuração, suas propriedades
quando estão sob movimento são diferentes de quando estão parados. A necessidade do
conhecimento de como a viscosidade do fluido evolui com o tempo quando ocorre uma
parada no bombeio do fluido é importante para prever como as partículas que estavam
sendo carreadas para fora do poço se comportarão e se poderão causar problemas no
prosseguimento da operação de perfuração.
Para fazer essa avaliação, esse estudo de caso contempla a simulação do
comportamento da velocidade de sedimentação e do deslocamento das partículas com o
tempo durante as paradas operacionais. Será considerado que numa perfuração
83
convencional o tempo de parada para a conexão de uma seção de tubos é de em média 5
minutos. A concentração de partículas será considerada 4% (valor médio de campo). Os
parâmetros referentes à partícula, fluido e poço estão dispostos na Tabela 4.
Tabela 4- Parâmetros referentes à partícula, fluido e poço
Dados da partícula, do fluido e do poço
Parâmetros
Unidades de campo Unidade S.I.
d
p
0,31 in 7,92E-03
m
ρ
p
20,86 lb/gal 2500 Kg/m
3
ρ
ƒ
ƒƒ
ƒ
7,99 lb/gal 958 Kg/m
3
D
p
8,5 in 2,16E-01
m
d
t
4,5 in 1,14E-01
m
d
a
4 in 1,02E-01
m
Onde:
d
p
– diâmetro da partícula;
ρ
p
– massa específica da partícula;
ρ
ƒ
- massa específica do fluido;
D
p
– diâmetro do poço;
d
t
– diâmetro do tubo de perfuração;
d
a
– diâmetro do espaço anular (D
p
– d
t
).
6.2 Procedimento de cálculo
As equações constitutivas que regem o comportamento do fluido com a taxa de
cisalhamento e com o tempo são conhecidas e podem ser descritas respectivamente pela
Equação (3.39) que se refere ao modelo reológico de potência que relaciona a
viscosidade com a taxa de cisalhamento e a Equação (5.2) referente à função potência
que relaciona a viscosidade com o tempo, conforme apresentadas no procedimento a
seguir. Os efeitos de fronteiras rígidas, concentração de partículas e forma das partículas
serão considerados e ponderados na equação de velocidade de sedimentação, de modo à
84
melhor representar o comportamento das partículas no anular do poço durante a
perfuração.
Portanto, o procedimento iterativo descrito no capítulo 4 de forma generalizada,
pode ser avaliado para este caso particular, adotando-se o modelo proposto, conforme
seqüência abaixo. Neste trabalho utilizou-se um procedimento computacional para
resolução dos cálculos.
No instante t
0
:
1. A partir das análises reológicas verifica-se o modelo que melhor representa o fluido e
determina-se os parâmetros reológicos (SIMCARR), neste caso, k e n para o modelo de
Potência (Equação 3.39);
2. Através de uma correlação de viscosidade com a taxa de deformação, estima-se a taxa
e determina-se a viscosidade, conforme descrito no capítulo 3 pela Equação (3.40) para
o caso do modelo de Potência;
3. A partir de uma correlação de velocidade com a viscosidade determina-se a
velocidade de sedimentação conforme descrito no capítulo 2, ponderando com os
parâmetros relativos à forma das partículas, fronteiras rígidas e concentração de
partículas, mediante apresentado no capítulo 3. Ao combinar as Equações (2.15), (3.2),
(3.7) e (3.21) obtém-se:
(6.1)
4. Através de uma correlação de taxa de deformação com a velocidade determina-se a
nova taxa de deformação. Para este estudo utilizou-se a Equação (3.31) proposta por
Almeida (1995);
5. Compara-se a taxa inicialmente estimada com a determinada no item 4 e caso
diferente substituir a nova taxa no item 2. O processo é iterativo até convergência da
taxa de deformação, viscosidade e velocidade.
(
)
(
)
(
)
η
ρρ
βε
cvpfp
p
kkkd
v
...)..(545,0
2
−
=
85
Evolução no tempo
Ao cessar o bombeio, o fluido inicia o processo de gelificação e sua viscosidade
começa a aumentar. Os novos parâmetros reológicos referentes à nova viscosidade são
obtidos a partir dos ensaios da tensão em função do tempo utilizando-se uma taxa de
deformação fixa, pequena o suficiente para não interferir na formação do gel, e os
valores de tensão são relacionados com esta taxa para obtenção da viscosidade em
função do tempo (Equação 5.2).
Considerando o mesmo índice de comportamento n (devido utilizar o mesmo
fluido), deve-se determinar o novo parâmetro reológico k representativo da viscosidade
depois de determinado tempo de formação do gel.
Na determinação do parâmetro
i
k para o tempo t
i
, relaciona-se a viscosidade
i
η
após determinado t
i
, com a viscosidade inicial
0
η
, imediatamente antes da parada do
bombeio, ponderando-se com o parâmetro k
0
. As Equações (6.2) e (6.3) representam as
viscosidades para cada tempo:
(
)
1
00
.
−
=
n
k
γη
p/ t
0
(6.2)
(
)
1
.
−
=
n
ii
k
γη
p/ t
i
(6.3)
Dividindo a Equação (6.3) pela (6.2) obtém-se:
=
0
0
.
η
η
i
i
kk
(6.4)
O procedimento iterativo é retomado a partir do item 2 até a convergência da
nova taxa de deformação, viscosidade e velocidade para esse novo tempo.
Obtida a viscosidade para o novo tempo i, determina-se a velocidade em função
da viscosidade conforme Equação (6.1) e o deslocamento (s) a partir da correlação de
velocidade:
t . s ∆=∆
p
v
(6.5)
Onde:
i
t
−
=
∆
+1i
tt
86
O fluxograma que representa este procedimento iterativo é descrito pela Figura
26.
Figura 26 - Fluxograma para determinação do deslocamento das partículas dentro do poço.
Este procedimento é convergente para certas funções. Caso sejam utilizadas
outras funções diferentes das obtidas neste estudo deve-se avaliar a garantia de
convergência através de uma análise detalhada dos cálculos.
6.3 Análise de sensibilidade
Considerando que na composição da coluna de perfuração existe equipamentos
que reduzem o espaço anular poço-coluna de perfuração, tornando ainda mais crítico o
aprisionamento da coluna, deve-se avaliar uma mudança nos parâmetros reológicos dos
fluidos para que melhorem suas características gelificantes, de modo rápido e não
progressivo caso não sejam satisfeitas as propriedades de sustentação das partículas.
87
Para apresentar como os parâmetros reológicos referentes ao processo de
gelificação influenciam no comportamento do fluido, esta análise de sensibilidade
considerou variação nos seguintes parâmetros:
a – parâmetro multiplicativo do tempo presente na equação da viscosidade em
função do tempo;
b - expoente do tempo presente na equação da viscosidade em função do tempo;
Para obtenção de dados quantitativos reais, neste estudo utilizou-se como exemplo
os parâmetros reológicos referentes ao fluido B.
6.3.1 Análise referente ao parâmetro multiplicativo do tempo presente na equação
da viscosidade em função do tempo (a)
Considerando o valor obtido experimentalmente de a = 595,0 Pa.s
b
(Fluido B),
avaliou-se o comportamento da viscosidade em função da taxa e do tempo para valores
de 1000.a
e 0,001.a. Esses fatores são apenas para avaliar a consistência das equações
para valores bem maiores e bem menores que o experimental que porventura seja
característico de outros fluidos. A Figura 27 apresenta os resultados:
Viscosidade em função do tempo
1,0E+00
1,0E+03
1,0E+06
1,0E+09
1,0E+12
1,0E+15
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
1000 a
0,001 a
a
Figura 27 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para a viscosidade do fluido.
88
Observando o comportamento da viscosidade com tempo para o parâmetro
multiplicativo do tempo presente na equação da viscosidade em função do tempo (a)
verifica-se que a viscosidade aumenta com o referido parâmetro e diminui com sua
redução. A explicação para este comportamento diretamente proporcional é baseado nas
equações constitutivas do modelo:
Mantendo-se os parâmetros reológicos k e n inalterados verifica-se que a
viscosidade para o tempo inicial é constante, pois depende apenas desses
parâmetros:
(
)
1
00
.
−
=
n
k
γη
;
O valor de
i
η
obtido através da função proposta para evolução no tempo:
b
i
ta.
0
+=
ηη
, aumenta com o tempo e será tanto maior quanto for o valor de (a)
(mantido b constante).
Para evolução no tempo, a determinação de k
i
é feita a partir da relação:
=
0
0
.
η
η
i
i
kk
, onde a razão
0
η
η
i
é maior para quão maior for o valor de (a).
Portanto, maiores valores de (a)
implicam em maiores k
i
e conseqüentemente ao
retomar o procedimento para o cálculo da viscosidade evoluindo no tempo e na taxa:
(
)
1
.
−
=
n
ii
k
γη
a viscosidade será maior.
Com relação à velocidade das partículas em função do tempo, o comportamento é
representado pela Figura 28.
Velocidade em função do tempo
1,0E-12
1,0E-09
1,0E-06
1,0E-03
1,0E+00
1,0E+03
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Velocidade (mm/s)
1000 a
0,001 a
a
Figura 28 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para a velocidade das partículas.
89
Verifica-se que a velocidade das partículas diminui com o tempo,
comportamento característico devido ao aumento da viscosidade. Para a comparação de
cada (a),
a velocidade é menor para o maior valor de (a), o qual representa maior
viscosidade.
Com relação ao deslocamento das partículas com o tempo, o comportamento é
representado pela Figura 29:
Deslocamento em função do tempo
1,0E-10
1,0E-07
1,0E-04
1,0E-01
1,0E+02
1,0E+05
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Deslocamento (mm)
1000 a
0,001 a
a
Figura 29 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (a) para o deslocamento das partículas.
O reduzido deslocamento das partículas para maiores valores do parâmetro (a) é
reflexo da baixíssima velocidade ocasionada pela altíssima viscosidade do fluido. Para a
comparação de cada (a), as partículas percorrerão uma menor distância no caso em que
o fluido apresentar maior evolução da viscosidade com o tempo, ou seja, para maiores
valores de (a).
6.3.2 Análise referente ao expoente do tempo presente na equação da viscosidade
em função do tempo (b)
Considerando o valor obtido experimentalmente de b = 0,13 (Fluido B), avaliou-
se o comportamento da viscosidade em função da taxa e do tempo para valores de 3,0 b
e 0,3 b. Novamente, esses fatores são apenas para avaliar a tendência da viscosidade
para valores maiores e menores que o experimental. A Figura 30 representa os
resultados:
90
Viscosidade em função do tempo
1,0E+00
1,0E+02
1,0E+04
1,0E+06
1,0E+08
1,0E+10
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
3,0 b
0,3 b
b
Figura 30 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para a viscosidade do fluido.
Observando o comportamento da viscosidade com tempo para o parâmetro (b)
verifica-se que a viscosidade aumenta com o referido parâmetro de forma progressiva.
Mesmo utilizando valores relativamente reduzidos de (b) a viscosidade permanece
elevada (da ordem de 10
6
) visto que o valor experimental de (a) é predominante,
entretanto esse aumento não se dá de forma progressiva. A explicação para este
comportamento diretamente proporcional é baseado nas equações constitutivas do
modelo:
Mantendo-se os parâmetros reológicos k e n inalterados verifica-se que a
viscosidade para o tempo inicial é constante, pois depende apenas desses
parâmetros:
(
)
1
00
.
−
=
n
k
γη
;
O valor de
i
η
obtido através da função proposta para evolução no tempo:
b
i
ta.
0
+=
ηη
, aumenta com o tempo e será tanto maior quanto for o valor de (b)
(mantido a constante), crescendo de forma potencial;
Para evolução no tempo, a determinação de k
i
é feita a partir da relação:
=
0
0
.
η
η
i
i
kk
, onde a razão
0
η
η
i
é maior para quão maior for o valor de (b).
91
Portanto, maiores valores de (b)
implicam em maiores k
i
e conseqüentemente ao
retomar o procedimento para o cálculo da viscosidade evoluindo no tempo e na taxa:
(
)
1
.
−
=
n
ii
k
γη
a viscosidade será maior.
Com relação à velocidade das partículas em função do tempo, o comportamento
pode ser apresentado pela Figura 31:
Velocidade em função do tempo
0,0E+00
1,0E-05
2,0E-05
3,0E-05
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Velocidade (mm/s)
3,0 b
0,3 b
b
Figura 31 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para a velocidade das partículas.
Para a comparação de cada (b),
a velocidade é menor para o maior valor de (b) o
qual representa maior viscosidade.
Com relação ao deslocamento das partículas com o tempo, o comportamento é
representado pela Figura 32:
Deslocamento em função do tempo
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Deslocamento (mm)
3,0 b
0,3 b
b
Figura 32 - Análise de sensibilidade referente ao parâmetro (b) para o deslocamento das partículas.
92
Para a comparação de cada (b), as partículas percorrerão uma menor distância no
caso em que o fluido apresentar maior evolução da viscosidade com o tempo, ou seja,
para maiores valores de (b).
Portanto, para os parâmetros (a) e (b) a atuação na viscosidade é diretamente
proporcional. Para pequenos valores de tempo o parâmetro (a) possui maior influência e
à medida que o tempo aumenta o parâmetro (b) que se comporta como expoente do
tempo se manifesta de maneira mais pronunciada. Esse comportamento é esperado
exatamente devido ao aumento potencial gerado pelo parâmetro (b).
Para o caso de um aumento rápido e não progressivo da viscosidade é necessário
que o valor de (a) seja relativamente elevado e o valor de (b) reduzido visto que a
evolução no tempo vai ser mais dependente de (b) e quanto maior esse valor maior será
a tendência ao crescimento de forma progressiva.
6.3.3 Análise de sensibilidade para avaliar o deslocamento das partículas e o grau
de gelificação do fluido B.
Para esta análise, primeiramente será apresentado o comportamento da
viscosidade, velocidade e deslocamento das partículas com o tempo para os dados
obtidos para o fluido B experimentalmente. Em seguida será realizada uma análise do
grau de gelificação do fluido, ou seja, de quanto o valor da viscosidade aumenta devido
às características gelificantes do fluido, que por sua vez está diretamente relacionada
com os parâmetros (a) e (b). Será avaliado também o comportamento do deslocamento
das partículas para um determinado tempo com diferentes valores do parâmetro (a) e
(b). Por fim, será avaliado o comportamento da viscosidade, deslocamento e velocidade
das partículas quando água é utilizada como fluido.
Através de testes comparativos durante o estudo experimental de sedimentação,
conforme já apresentado no capítulo 5 e durante avaliação da viscosidade do fluido B
com o tempo, conforme Figura 33, a equação 3.37 proposta por Chien (Bourgoyne,
2005) e a equação 6.1 desenvolvida nesse estudo apresentam resultados relativamente
consistentes, portanto a equação 3.37 será utilizada nas análises seguintes e
especialmente na determinação da velocidade das partículas na análise de sensibilidade
utilizando água, fluido não viscoso onde a equação 6.1 não se aplica, conforme
explicado no capítulo 2 durante sua dedução.
93
0,0E+00
8,0E+06
1,6E+07
2,4E+07
3,2E+07
4,0E+07
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Eq. 3.37
Eq. 6.1
Figura 33 - Avaliação da viscosidade do fluido B com o tempo utilizando as eq. 3.37 e 6.1.
6.3.3.1 Análise de sensibilidade para avaliar a viscosidade do fluido, velocidade e
deslocamento das partículas utilizando os dados experimentais.
A figura 34 apresenta o comportamento da viscosidade em função do tempo para
o fluido B. Os parâmetros obtidos experimentalmente foram a = 595 Pa.s
b
e b = 0,13.
Viscosidade em função do tempo
0,E+00
1,E+06
2,E+06
3,E+06
4,E+06
5,E+06
6,E+06
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Figura 34 - Viscosidade em função do tempo para o fluido B com (a) e (b) obtidos experimentalmente.
Antes do processo de gelificação, a viscosidade inicial é de 1,8 Pa.s. Durante a
gelificação verifica-se no intervalo de 10 a 300 segundos o crescimento de 2,54x10
6
para 6,82 x10
6
Pa.s.
94
Com relação ao comportamento da velocidade das partículas em função do
tempo, a representação é feita pela Figura 35.
Velocidade em função do tempo
1,0E-06
1,0E-03
1,0E+00
1,0E+03
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Velocidade (mm/s)
Figura 35 - Velocidade em função do tempo para o fluido B com (a) e (b) obtidos experimentalmente.
A velocidade das partículas de aproximadamente 22 mm/s é reduzida para
aproximadamente 6,6x10
-6
mm/s devido à elevação significativa da viscosidade.
Para o comportamento do deslocamento das partículas em função do tempo, a
representação é feita pela Figura 36.
Deslocamento em função do tempo
0,0E+00
6,0E-04
1,2E-03
1,8E-03
2,4E-03
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Deslocamento (mm)
Figura 36 – Deslocamento das partículas em função do tempo para o fluido B com (a) e (b) obtidos
experimentalmente.
95
De acordo com a análise, o deslocamento após os 300 s é de aproximadamente
1,9x10
-3
mm, em conformidade com a baixíssima velocidade.
6.3.3.2 Análise de sensibilidade para avaliar o grau de gelificação do fluido em
função dos parâmetros (a) e (b).
O grau de gelificação é resultado da relação entre o termo
(
)
b
ta.
, que é o
responsável pelo aumento da viscosidade com o passar do tempo e a viscosidade total
(η), que é a soma da viscosidade inicial (η
0
) com o termo
(
)
b
ta.
conforme apresentado
na equação 5.2. Devido o valor experimental de (η
0
) ser relativamente reduzido (1,8
Pa.s) a análise foi realizada para valores relativamente pequenos do parâmetro (a) para
que seja possível avaliar a relação
η
b
ta.
caso contrário devido ao elevado valor de (a)
obtido experimentalmente o termo
(
)
b
ta.
seria praticamente igual a (η) e a relação
tenderia imediatamente para 100%.
Os valores utilizados para o parâmetro (a) foram 1,0; 2,0; 3,0; e 4,0. Os valores
de (b) foram 0,2 e 0,4. Os valores experimentais também foram apresentados (a = 595,0
e b = 0,13). As Figuras 37 e 38 apresentam os resultados.
Grau de gelificação
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
0 100 200 300 400
Tempo (s)
(at^b)/η
a = 595,0
a = 1,0
a = 2,0
a = 3,0
a = 4,0
Figura 37 - Grau de gelificação em função do parâmetro (a) para (b) = 0,2.
96
Grau de gelificação
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
0 100 200 300 400
Tempo (s)
(at^b)/η
a = 595,0
a = 1,0
a = 2,0
a = 3,0
a = 4,0
Figura 38 - Grau de gelificação em função do parâmetro (a) para (b) = 0,4.
Através das figuras 37 e 38 é possível constatar que o grau de gelificação é nulo
para o tempo zero devido não ter iniciado o processo de gelificação, com menores
valores no início, para menores valores de tempo, e tendência a um patamar para tempos
elevados devido o termo
(
)
b
ta.
se tornar significativo quando comparado ao valor total
(η). Ao avaliar cada valor do parâmetro (a) para um mesmo tempo constata-se que à
medida que este parâmetro cresce o termo
(
)
b
ta.
se torna mais pronunciado e
conseqüentemente o grau de gelificação aumenta. Por fim, à medida que o parâmetro
(b) aumenta verifica-se também o mesmo comportamento, ou seja, avaliando certo valor
de tempo para o mesmo (a) o termo
(
)
b
ta.
cresce e conseqüentemente o grau de
gelificação aumenta.
Para o valor experimental verifica-se que o grau de gelificação imediatamente
atinge o valor 100%. Isto é devido o reduzido valor de (η
0
) e o elevado valor do
parâmetro (a), tornando o termo
(
)
b
ta.
praticamente igual ao (η).
A análise para os valores do parâmetro (b) como sendo 0,1; 0,2; 0,3 e 0,4 e de
(a) igual a 2,0 e 6,0 também foi realizada. Os valores experimentais também foram
apresentados (a = 595,0 e b = 0,13). As Figuras 39 e 40 apresentam os resultados.
97
Grau de gelificação
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 100 200 300 400
Tempo (s)
(at^b)/η
b = 0,13
b = 0,1
b = 0,2
b = 0,3
b = 0,4
Figura 39 - Grau de gelificação em função do parâmetro (b) para (a) =2,0.
Grau de gelificação
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 100 200 300 400
Tempo (s)
(at^b)/η
b = 0,13
b = 0,1
b = 0,2
b = 0,3
b = 0,4
Figura 40 - Grau de gelificação em função do parâmetro (b) para (a) = 6,0.
Através das figuras 39 e 40 é possível constatar que o grau de gelificação é nulo
para o tempo zero devido não ter iniciado o processo de gelificação, com menores
valores no início, para menores valores de tempo, e tendência a um patamar para tempos
elevados devido o termo
(
)
b
ta.
se tornar significativo quando comparado ao valor total
(η). Ao avaliar cada valor do parâmetro (b) para um mesmo tempo constata-se que à
medida que este parâmetro cresce o termo
(
)
b
ta.
se torna mais pronunciado e
conseqüentemente o grau de gelificação aumenta. Por fim, à medida que o parâmetro
(a) aumenta verifica-se também o mesmo comportamento, ou seja, avaliando certo valor
de tempo para o mesmo (b) o termo
(
)
b
ta.
se torna mais pronunciado e
conseqüentemente o grau de gelificação aumenta.
98
Para o valor experimental verifica-se que o grau de gelificação imediatamente
atinge o valor 100%. Isto é devido o reduzido valor de (η
0
) e o elevado valor do
parâmetro (a), tornando o termo
(
)
b
ta.
praticamente igual ao (η).
6.3.3.3 Análise de sensibilidade para avaliar o grau de gelificação do fluido em
função da viscosidade inicial do fluido (η
0
).
Quando o valor da viscosidade inicial (η
0
) for mais pronunciado quando
comparado com os parâmetros (a) e (b), estes não afetarão de forma tão significativa
como ocorreu na análise anterior onde (η
0
) era relativamente reduzido. Para esta análise
serão atribuídos valores maiores à (η
0
), os quais podem ser característicos de outros
fluidos, para avaliar o comportamento do grau de gelificação. A Figura 41 apresenta os
resultados para valores de (η
0
) = 378; 970; 1894 além do valor obtido
experimentalmente de 1,8 Pa.s.
Grau de gelificação
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
0 100 200 300 400
Tempo (s)
(at^b)/η
η0 = 1,8 (exp)
η0 = 378
η0 = 970
η0 = 1894
Figura 41 - Grau de gelificação em função de (η
0
).
Verifica-se que à medida que o valor de (η
0
) aumenta o grau de gelificação é
reduzido. Isto está de acordo com as equações constitutivas visto que o termo
(
)
b
ta.
será
menos expressivo para a composição do valor da viscosidade total (η). Nestes casos, os
parâmetros (a) e (b) só seriam significativos quando apresentassem valores mais
elevados para sobressaíssem com relação a (η
0
).
99
6.3.3.4 Análise de sensibilidade para avaliar o deslocamento das partículas em
função dos parâmetros (a) e (b).
Foi avaliado como o deslocamento das partículas se comporta quando os
parâmetros (a) e (b) são modificados para o tempo de 300s. A Figura 42 apresenta os
resultados para os valores de (a) = 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 e (b) = 0,2; 0,3 e 0,4.
Deslocamento em função de (
a
) para t = 300s
1
10
100
1000
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
a
(Pa.s^b)
Deslocamento (mm)
b = 0,2
b = 0,3
b = 0,4
Figura 42 - Deslocamento das partículas em função do parâmetro (a), para (b) = 0,2; 0,3 e 0,4.
Avaliando individualmente cada curva, à medida que o valor do parâmetro (a)
aumenta o deslocamento das partículas diminui. Isto ocorre devido ao aumento da
viscosidade do fluido e conseqüente redução da velocidade das partículas conforme
apresentado anteriormente. Para o caso do aumento do parâmetro (b) também se verifica
que quanto maior este parâmetro maior será a viscosidade e conseqüentemente menor o
deslocamento.
A Figura 43 apresenta o mesmo estudo utilizando os valores de (b) = 0,1; 0,2;
0,3 e 0,4 e (a) = 2,0; 4,0 e 6,0. A explicação é a mesma dada acima.
100
Deslocamento em função de (
b
) para t = 300s
1
10
100
1000
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
b
Deslocamento (mm)
a = 2
a = 4
a = 6
Figura 43 - Deslocamento das partículas em função do parâmetro (b), para (a) = 2; 4 e 6.
6.3.4 Análise de sensibilidade utilizando água como fluido.
Quando o fluido em análise se tratar da água, ou seja, fluido newtoniano que não
apresenta características gelificantes (a e b = 0), a viscosidade é constante (0,001
Pa.s) e
bem reduzida quando comparada aos demais fluidos estudados. A Figura 44 apresenta o
comportamento da viscosidade da água como função do tempo.
Viscosidade em função do tempo
0,000
0,001
0,002
0,003
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Viscosidade (Pa.s)
Água
Figura 44 - Comportamento da viscosidade da água como função do tempo.
Com relação à velocidade das partículas, devido à viscosidade ser constante, a
velocidade também será. A figura 45 apresenta o comportamento da velocidade das
partículas com o tempo.
101
Velocidade em função do tempo
0
100
200
300
400
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Velocidade (mm/s)
Água
Figura 45 - Comportamento da velocidade das partículas como função do tempo para água.
Devido à viscosidade ser relativamente reduzida quando comparada com a dos
fluidos em estudo, as partículas possuem maior velocidade.
E para o comportamento do deslocamento das partículas, a Figura 46 apresenta
um aumento da profundidade de 291 mm para cada segundo.
Deslocamento em função do tempo
0,0E+00
3,0E+04
6,0E+04
9,0E+04
1,2E+05
0 100 200 300 400
Tempo (s)
Deslocamento (mm)
Água
Figura 46 - Comportamento do deslocamento das partículas como função do tempo utilizando água.
Portanto, a tabela 5 apresenta uma síntese de como os parâmetros (a) e (b)
influenciam no grau de gelificação, viscosidade, velocidade e deslocamento das
partículas.
102
Tabela 5 – Influência dos parâmetros (a) e (b) no grau de gelificação, viscosidade, velocidade e
deslocamento das partículas.
Parâmetro
Grau de
gelificação Viscosidade
Velocidade
Deslocamento
a aumenta aumenta diminui diminui
b
aumenta
aumenta aumenta diminui diminui
________________________________
Capítulo 7
Conclusões
________________________________
104
7. CONCLUSÕES
Com este trabalho, foi possível desenvolver uma equação representativa para
velocidade de sedimentação de partículas em fluidos de viscosidade variável com o
tempo, levando-se em considerações o efeito de fronteiras rígidas, que apresentou
resultados coerentes com o estudo experimental, e também o efeito de concentração e
forma de partículas para o caso da análise de sensibilidade com dados reais obtidos no
campo. Desenvolveu-se também uma metodologia para avaliar o comportamento da
viscosidade dos fluidos como função do tempo durante o processo de gelificação sem
afetar a formação da estrutura. A metodologia implantada permite aplicação em estudos
de construção de poços de petróleo para avaliar o comportamento dos cascalhos durante
paradas operacionais. Para o projeto dos fluidos de perfuração, a mudança dos
parâmetros reológicos interfere significativamente na viscosidade do fluido e
conseqüentemente na velocidade de sedimentação e deslocamento dos cascalhos. Caso
o fluido não apresente boa capacidade de sustentação dos cascalhos, ocasionando
acúmulo no espaço anular ou até mesmo no fundo do poço durante as paradas
operacionais, deve-se fazer uma avaliação para modificação dos parâmetros reológicos
através da variação na composição ou nos aditivos a serem acrescentados ao fluido de
maneira a modificar suas características gelificantes através dos parâmetros (a) e (b).
Foi constatado que o aumento desses parâmetros ocasiona aumento do grau de
gelificação e da viscosidade além da redução da velocidade e do deslocamento das
partículas. É desejável um processo de gelificação rápido e não progressivo para evitar
que a pressão necessária para retomada da circulação exceda a pressão de fratura das
formações sendo isto atingido com valores de (a) relativamente significativos, visto que
ele é responsável pela rapidez do aumento da viscosidade em tempos curtos e para
valores de (b) relativamente reduzidos visto que este último atua como expoente do
tempo e é o responsável pelo controle da progressão da viscosidade no tempo.
________________________________
Capítulo 8
Recomendações
________________________________
106
8. RECOMENDAÇÕES
Estudar os efeitos de temperatura no comportamento reológico dos fluidos
utilizados na perfuração de poços de petróleo;
Avaliar a cinemática de partículas gasosas em fluidos, tais como a migração de gás
em pastas de cimento durante as operações com cimento;
Estudar fluidos de composições diferentes das propostas neste estudo e os aditivos
que influenciam nas propriedades reológicas e no processo de gelificação;
Estudar outros modelos reológicos para representação do comportamento dos
fluidos.
Estudar outras equações de velocidade de sedimentação de partículas para outros
fluidos, também realizando estudo experimental para verificar compatibilidade com
a teoria.
Estudar o transporte de partículas em poços inclinados e horizontais.
Utilizar amostras de cascalhos reais no procedimento experimental.
Estudar outras metodologias de cálculo para garantia da convergência do
procedimento iterativo quando utilizar funções diferentes das propostas neste
estudo.
107
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, O. P. Estudo do efeito de fronteiras rígidas sobre a velocidade terminal
de partículas isoméricas. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa
de Engenharia Química. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 1995.
ARANHA, P. E. Avaliação do efeito de temperatura nos parâmetros reológicos dos
fluidos Petrobras. III Seminário de fluidos de perfuração e completação. 1 a 3 de
set., 2008. Macaé-RJ
ATAÍDE, C. H. et al., Wall effects on the terminal velocity of spherical particles in
newtonian and non-newtonian fluids. Braz. J. Chem. Eng., São Paulo, v. 16 n. 4, Dec.,
1999.
BARNEA, E.; MIZRAHI, J. A generalized approach to the fluid dynamics of
particulate systems. Part I. General correlation for fluidization and sedimentation in
solid multiparticle systems. Chem. Engineering J., v.5, p.1-189. 1973.
BEZERRA, J. R. M. V. Comportamento reológico da polpa de manga. Tese
(Doutorado em Engenharia de Alimentos) - Faculdade de Engenharia de Alimentos,
Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2000.
BOURGOYNE, A.T. et al., Applied Drilling Engineering. SPE Text Book Series, v. 2.
2005.
CHHABRA, R. P.; TIU, C.; UHLHERR, P. H. T. A Study of wall effects on the motion
of a sphere in viscoelastic fluids. The Canadian Journal of Chemical Engineering, v.
59, p. 771-775, 1981.
CHIEN, S. F. Settling velocity of irregularly shaped particles. SPE Drilling &
Completion, p. 281, Dec. 1994.
108
CHURCHILL, S.W. The Development of theoretically based correlations for heat and
mass transfer. First Latin American. In: Congress on Heat and Mass Tranfer, La
Plata, Argentina, p. 207, nov. 1983.
DEALY, J. M. and WISSBRUM, K. F. Melt rheology and its role in plastics
processing: theory and applications. New York: Van Nostrand Reinhold; 1990.
DEDEGIL, M. Y. Drag coefficient and settling velocity of particles in non-newtonian
suspensions, Journal of Fluids Engineering, v.187, p. 319. set. 1987.
FIDLERIS, V. and WHITMORE, R. L. Experimental determination of wall effect for
spheres falling axially in cylindrical vessels. British Journal of Applied Physics, v. 12,
p. 490-494.1961.
FRANCIS, A. W. Wall effect in falling ball method for viscosity. Physics, v. 4, p.
403-406, 1933.
GOMES, J. E.; PERCIN, D.; MARTINS, A. B. G.; FONTES, S. R. Comportamento de
propriedades físicas, químicas e reológicas do suco de acerola armazenado a baixas
temperaturas. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina
Grande, v.5, n. 2, 2001.
GOVIER, G. W.; AZIZ, K. The flow of complex mixtures in pipes. N. York: Van
Nostrand, 1972.
GOZZO, A. M. Comportamento reológico de chocolates ao leite sem fibras e
enriquecido com fibras solúveis. Dissertação (Mestrado) - Universidade estadual de
Campinas ,UNICAMP, Campinas, 2003.
HOPKIN, E. A. Factors affecting cuttings removal during rotary drilling. Shell
Development Co. Petroleum Trans., p.807, Houston, Texas, 1967.
HOTTOVY, J. D. E SYLVESTER, N. D. Drag coefficients for irregularly shaped
particles. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., v. 18, n. 3, p.433. 1979.
109
LARUCCIA, M B. Velocidade de sedimentação em fluidos não-newtonianos: efeito
da forma e da concentração de partículas. Dissertação (Mestrado)- Universidade
Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, p.143. 1990.
LEWIS, M. J. Propriedades físicas de los alimentos y de los sistemas de procesado.
España: Acribia, 1993.
MACHADO, J. C. V. Reologia e escoamento de fluidos – ênfase na indústria de
petróleo. Rio de Janeiro; Editora Interciência, 2002.
MASSARANI, G.; TELLES, S. A. Escoamento de fluidos não newtonianos na
vizinhança das partículas sólidas. Revista Brasileira de Física, v. 8, p. 550-562, 1978.
MASSARANI, G. Fluidodinâmica em sistemas particulados. Rio de Janeiro:
Universidade Federal do Rio de Janeiro, 1997.
PASQUEL, A. G. Utilização e aspectos reológicos. Boletim da Sociedade Brasileira
de Ciência e Tecnologia de Alimentos, Campinas, v. 33, p. 86-97, 1999.
PENNA, A. L. B. Parâmetros reológicos de gomas para fabricação de bebidas
lácteas à base de soro. Monografia (especialização) - Faculdade de Ciências
Farmacêuticas, Universidade de São Paulo, 1997.
PETTYJOHN, E. S, CHRISTIANSEN, E. B. Effect of particle shapes on free-settling
rates of isomeric particles. Chem. Eng. Progress. v. 44, n.2, p.157-172, 1948.
PINTO, G. H. V. P., et al. Particle sedimentation in a time dependent viscosity fluid. In:
IV Brazilian Conference on Rheology, Rio de Janeiro, Jul. 2-4, 2008.
PUC-RIO. Certificação Digital 0115570/CA. Revisão bibliográfica. Disponível em:
http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/cgi-
bin/PRG_0599.EXE/8883_2.PDF?NrOcoSis=26695&CdLinPrg=pt. Acesso em: 15
Maio 2008.
110
RAO, M. A., RIZVI, S. S. H. Engineering properties of foods. New York: Marcel
Dekker, 1986.
RICHARDSON, J. F. E ZAKI, W. N. Sedimentation and fluidization: Trans. Inst.
Chem. Eng., n.1, vol. 32, p. 35. 1954.
RAGUZZONI, J. C. Efeito da adição de L-cisteína nas proteínas do glúten: análises
reológica, térmica e microscópica. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de
Santa Catarina, Florianópolis, 2007.
SÁ, C. H. M., et al., Efeitos de parede e população na velocidade de queda de partículas
irregulares em fluidos não-Newtonianos. ENCIT - Encontro Nacional de Ciências
Térmicas. Santa Catarina, 1996.
SCHRAMM, S. Reologia e reometria: fundamentos teóricos e práticos. Artliber
editora, p. 232, São Paulo, 2006.
SOLUTIONS, T. I. R. TA Instruments Thermal Analysis & Rheology: Rheology
Solutions (AR 1000) – Flow, Oscillation. p.1-3. New Castle, DE, 1996.
STEFFE, J. F. Rheological methods in food process engineering. 2. ed. USA:
Freeman press, p. 418. 1996.
VALENTIK, L.; WHITMORE, R. L. The terminal velocity of spheres in bingham
plastics. Brit. J. Appl. Phys, v. 116, p.1197, 1965.
TEIXEIRA, M. A. O. M; FROTA, M. N. Wall effects for a sphere falling in a non-
newtonian fluid. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, ABCM, Rio de
Janeiro, 2001.
THOMAS, J. E. Fundamentos de engenharia de petróleo. 2°. ed. Paraíba:
Interciência, 2001.
111
VASQUES, C. T. Reologia do suco de goiaba: efeito da diluição e do tamanho de
partícula. Dissertação (Mestrado). - Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, 2003.
VIDAL, J. R. M. B. Comportamento reológico da polpa de manga. Tese
(Doutorado). - Universidade Estadual de Campinas - UNCAMP, Campinas, 2000.
WADDEL, H. The coefficient of resistance as a function of Reynolds number for
solids of carious shapes. J. Franklin Inst., 1934.
WALKER, R. E. and MAYES, T. M. Design of muds for carrying capacity, Journal of
Petroleum Technology, p. 893. Jul., 1975.
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