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Universidade de Braslia - UnB Faculdade UnB Gama - FGA

Curso de Engenharia de Energia

SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO DE

FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA

Autor: Bruno Batista Suehara Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo Falla

Gama, DF 2013

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BRUNO BATISTA SUEHARA

SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO

DE FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA

Monografia submetida ao curso de graduao em Engenharia de Energia da Universidade de Braslia, como requisito parcial para obteno do Ttulo de Bacharel em Engenharia de Energia.

Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo

Falla

Gama, DF 2013

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FICHA CATALOGRFICA

Suehara, Bruno Batista

Sntese de Nanoaditivo de Argila Bentontica para Formulao de

Fluidos de Perfurao Base de gua Gama-DF, 2013.

xv, 72p., 210 x 297 mm (ENERGIA/FGA/UnB, Engenheiro de

Energia, Engenharia de Energia, UnB, 2013)

Monografia de Projeto de Graduao Universidade de Braslia, Campus Gama. Faculdade do Gama (FGA). Engenharia de Energia.

Professora Orientadora: Mara del Pilar Hidalgo Falla

Referncias Bibliogrficas: p. 70-72.

1. Fluidos de Perfurao 3. Mtodo de Pechini

2. Argila Bentontica 4. Nanopartculas

I. ENERGIA/FGA/UnB II. Ttulo

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SNTESE DE NANOADITIVO DE ARGILA BENTONTICA PARA FORMULAO DE FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA

Bruno Batista Suehara

Monografia submetida como requisito parcial para obteno do Ttulo de Bacharel em Engenharia de Energia da Faculdade UnB Gama - FGA, da Universidade de Braslia, em 18 de julho de 2013 apresentada e aprovada pela banca examinadora abaixo assinada:

Prof. Mara del Pilar Hidalgo Falla, UnB / FGA

Orientadora

Prof. Taygoara Felamingo de Oliveira, UnB / ENM

Membro Convidado

Prof. Eugnio Liborio Feitosa Fortaleza, Mecatrnica / FT / UnB

Membro Convidado

Gama, DF

2013

v

Agradecimentos

Primeiramente, gostaria de agradecer minha famlia pelo imenso amparo dado em todos os

anos do curso. Agradeo aos meus pais, Osvaldo Tadashi Suehara e Rosana da Abadia Batista,

aos meus avs Nilton Batista e Rose Mary Atti, ao meu irmo Marcelo Batista Suehara, aos

meus tios Lucimara Batista e Humberto Morais, Romildo Batista, Elisabete Batista e Clodoaldo

Rodrigues da Costa Jnior, Doraci Batista e Vilson Ronchi. Agradeo aos meus amigos da

Engenharia de Energia, Cludia Sampaio Rezende, Glayson Quintiliano de Souza, Joo Pedro

Carvalho Silveira, Jssica Santoro Gonalves, Luiz Eduardo Nunes Albuquerque, Natlia

Seyko Inocncio Aoyama, Tlio Henrique Pedra Pereira e William Macedo Pereira pelas

inmeras ajudas recebidas e pela troca de conhecimento nos momentos de estudo. Em especial,

agradeo minha professora orientadora Mara del Pilar Hidalgo Falla pelo profundo auxlio

neste projeto e pelos ensinamentos que fortificaram minha formao de engenheiro.

Bruno Batista Suehara

vi

RESUMO

As otimistas estimativas de produo de petrleo com a descoberta do pr-sal tornam o Brasil

um pas com posio estratgica favorvel frente demanda mundial de energia. A maior

disponibilidade energtica brasileira provm do petrleo, o que faz deste o recurso energtico

mais utilizado no pas. Porm, nos ltimos anos, as questes ambientais vm ganhando

destaque, o que exige maiores cuidados inclusive no processo de perfurao de poos de

petrleo. Neste contexto, este projeto visa produo de fluidos de perfurao no poluentes,

base dgua, que possam auxiliar de forma mais eficiente perfurao de poos. Para tanto,

realizar-se- a sntese de nanopartculas de argila bentontica via de mtodo de Pechini. Estas

nanopartculas sero empregadas como aditivos para a formulao de fluidos de perfurao, e

ser efetuada a anlise do desempenho da nova lama por meio do estudo do efeito das

nanopartculas nas propriedades reolgicas dos fluidos de perfurao.

Palavras-chave: fluidos de perfurao, argila bentontica, mtodo de Pechini,

nanopartculas.

ABSTRACT

The optimist estimates of oil production with the discovery of pre-salt become Brazil a

country with favorable strategic position regarding the world energy demand. The greater

Brazilian availability energetic comes from oil, making this the most used energy resource in

the country. However, in recent years, environmental issues have been getting importance,

requiring even greater care in the oil well drilling process. In this context, this project aims to

produce clean water based drilling fluids that can help more efficiently oil well drilling. For this

purpose, it will perform the synthesis of bentonite clay nanoparticles by way of Pechini method.

These nanoparticles will be used as additives for the formulation of drilling fluids, and will be

accomplished an analysis of the performance of the new mud through study of the effect of the

nanoparticles in the rheological properties of drilling fluids.

Key-words: drilling fluids, bentonite clay, Pechini method, nanoparticles.

vii

SUMRIO

1 INTRODUO ......................................................................................... 1

1.1 MOTIVAO ENERGIA E PETRLEO ....................................................... 1

1.2 OBJETIVOS ............................................................................................ 3

1.2.1 Objetivos Especficos ........................................................................ 3

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 3

2 REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................... 5

2.1 FLUIDOS DE PERFURAO ...................................................................... 5

2.1.1 Definio de Fluido de Perfurao ....................................................... 5

2.1.2 Percurso Realizado pelo Fluido de Perfurao ....................................... 6

2.1.3 Funo dos Fluidos de Perfurao ....................................................... 7

2.1.4 Classificao dos Fluidos de Perfurao ............................................... 7

2.2 ADITIVOS PARA FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA .....................10

2.3 ARGILAS BENTONTICAS ........................................................................13

2.3.1 Estrutura das Argilas Bentonticas .....................................................14

2.3.2 Hidratao das Argilas Bentonticas ...................................................15

2.4 ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA .......................................................17

2.4.1 Importncia da Ativao ..................................................................17

2.5 NANOPARTCULAS COMO ADITIVOS EM FLUIDOS DE PERFURAO .............18

2.6 MTODO DE PECHINI.............................................................................19

2.6.1 Seleo do Mtodo de Pechini para a Realizao do Projeto ..................20

2.6.2 xidos Produzidos pelo Mtodo de Pechini ..........................................20

2.7 CARACTERIZAO DOS NANO ADITIVOS .................................................21

2.8 FORMULAO DOS FLUIDOS DE PERFURAO..........................................21

2.9 REOLOGIA ............................................................................................22

2.9.1 Modelo Matemtico para Fluidos de Perfurao ...................................23

2.9.2 Propriedades Reolgicas dos Fluidos de Perfurao ..............................25

2.9.3 Valores das Propriedades Reolgicas .................................................26

viii

3 METODOLOGIA ..................................................................................... 28

3.1 MATERIAIS ...........................................................................................28

3.1.1 Materiais e Reagentes para Ativao da Argila Bentontica ....................28

3.1.2 Materiais e Reagentes para a Sntese do Nano Aditivo .........................28

3.1.3 Materiais para a Caracterizao dos Nano xidos e da Bentonita ...........29

3.1.4 Materiais e Aditivos para a Formulao dos Fluidos de Perfurao .........29

3.1.5 Materiais para o Ensaio Reolgico dos Fluidos de Perfurao .................29

3.2 PROCESSO DE ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA .................................29

3.3 COMPOSIO QUMICA DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA ..........32

3.4 SNTESE DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA POR MEIO DO MTODO

DE PECHINI ......................................................................................................33

3.4.1 Formao do Nano xido de Silcio ....................................................36

3.4.2 Formao do Nano xido de Alumnio ................................................37

3.4.3 Formao do Nano xido de Ferro .....................................................38

3.4.4 Formao do Nano xido de Sdio ....................................................39

3.4.5 Rendimento dos Nano xidos ...........................................................40

3.4.6 Formao da Nanopartcula de Argila Bentontica ................................40

3.5 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS DE NANO ADITIVOS ............................43

3.5.1 Espectrometria por Fluorescncia de Raios X (FRX) .............................43

3.5.2 Espectroscopia por Disperso em Energia (EDS) .................................43

3.5.3 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) .........................................44

3.6 FORMULAO DAS LAMAS......................................................................44

3.7 DETERMINAO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES REOLGICAS ............48

3.7.1 Parmetros Reolgicos para Fluidos de Perfurao Base dgua ..........50

3.8 DETERMINAO DAS CURVAS DE FLUXO .................................................52

3.9 DETERMINAO DO NDICE DE CONSISTNCIA E DO NDICE DE

COMPORTAMENTO DE FLUXO ..............................................................................53

4 RESULTADOS E ANLISES .................................................................... 54

4.1 FLUORESCNCIA DE RAIO-X ...................................................................54

4.2 ESPECTROSCOPIA POR DISPERSO EM ENERGIA ......................................55

ix

4.3 MICROSCOPIA ELETRNICA DE VARREDURA ............................................58

4.4 ENSAIO REOLGICO DOS FLUIDOS DE PERFURAO ................................63

4.4.1 Curvas de Fluxo ..............................................................................65

5 CONCLUSES ........................................................................................ 67

5.1 CONCLUSES FINAIS ............................................................................67

5.2 PROPOSTAS PARA FUTUROS PROJETOS ...................................................68

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS...............................................................70

ANEXOS....................................................................................................73

ANEXO I Leituras dos Ensaios reolgicos....................................................74

ANEXO II Leituras das Provetas para a Determinao do Volume de

Filtrado......................................................................................................75

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Consumo Nacional de Energia. ............................................................. 2

Figura 2 - Fluido de Perfurao Base de leo. .................................................... 5

Figura 3 - Carreamento dos Detritos pelo Fluido de Perfurao. .............................. 6

Figura 4 - Processo da Lama durante a Perfurao de um Poo de Petrleo. ............. 6

Figura 5 - Classificao dos Fluidos de Perfurao. ...............................................10

Figura 6 - Folha Tetradrica de Silicato. ..............................................................14

Figura 7 - Folha Octadrica de Alumina. .............................................................15

Figura 8 - Estrutura da Montmorilonita. ..............................................................15

Figura 9 - Separao das Estruturas de Montmorilonita quando Hidratadas. ............16

Figura 10 - Ativao do Argilomineral Montmorilontico com Clcio e Sdio. ............17

Figura 11 - Esquematizao do Preparo do Nanoaditivo Bentontico. ......................20

Figura 12 - Curvas de Fluxo para Fluidos de Potncia. ..........................................24

Figura 13 - Curvas de Fluxo para o modelo de Herschell-Bukley. ...........................24

Figura 14 - Fluxograma do Processo de Ativao da Argila Bentontica....................30

Figura 15 Amostra de bentonita fornecida pela empresa Bentonisa. .....................31

Figura 16 Sobrenadantes Presentes na Soluo aps Agitao Magntica. ............31

Figura 17 Fase Lquida Lmpida. ......................................................................32

Figura 18 Bentonita Ativada. ..........................................................................32

Figura 19 - Esquematizao da Sntese de Citrato. ...............................................34

Figura 20 - Esquematizao da Reao de Esterificao. .......................................34

Figura 21 - Fluxograma da Sntese dos Nano xidos pelo Mtodo de Pechini. ..........35

Figura 22 Resina Polimrica de Silcio. .............................................................36

Figura 23 Nano xido de Silcio.......................................................................36

Figura 24 Resina Polimrica de Alumnio. .........................................................37

Figura 25 Nano xido de Alumnio...................................................................37

Figura 26 Resina Polimrica de Ferro. ..............................................................38

xi

Figura 27 Nano xido de Ferro. ......................................................................38

Figura 28 Resina Polimrica de Sdio. ..............................................................39

Figura 29 Nano xido de Sdio. ......................................................................39

Figura 30 Nanobentonita formada a partir da mistura dos nano xidos. ...............41

Figura 31 Bentonita formada a partir da mistura dos nano xidos. ......................42

Figura 32 Bentonita formada a partir da mistura das resinas. .............................42

Figura 33 Misturador Mecnico Hamilton Beach. ................................................44

Figura 34 Aditivos fornecidos pela empresa System Mud. ...................................45

Figura 35 Fluido de Perfurao do Tipo A. ........................................................46

Figura 36 Fluido de Perfurao do Tipo B. ........................................................47

Figura 37 Fluido de Perfurao do Tipo C. ........................................................47

Figura 38 Fluido de Perfurao do Tipo D. ........................................................48

Figura 39 Viscosmetro Fann modelo 35 A. .......................................................48

Figura 40 Esquema geral do viscosmetro Fann 35 A. ........................................49

Figura 41 Filtro Prensa Fann n 300. ...............................................................49

Figura 42 Ensaio do volume de filtrado dos fluidos de perfurao. .......................52

Figura 43 Curva de Fluxo para Fluidos de Perfurao. ........................................53

Figura 44 Espectrograma por absoro em energia do xido de silcio..................55

Figura 45 Espectrograma por absoro em energia do xido de alumnio. ............56

Figura 46 Espectrograma por absoro em energia do xido de ferro. .................56

Figura 47 Espectrograma por absoro em energia do xido de sdio. .................57

Figura 48 Espectrograma por absoro em energia da amostra Nano-1. ..............57

Figura 49 Espectrograma por absoro em energia da amostra Nano-2. ..............58

Figura 50 Micrografias das amostras de (a) xido de silcio, (b) xido de alumnio, (c)

xido de ferro, (d) xido de sdio, (e) Nano-1 e (f) Nano-2. ......................................59

Figura 51 Dimenses da partcula de xido de silcio. .........................................60

Figura 52 Dimenses da partcula de xido de alumnio. ....................................61

Figura 53 Dimenses da partcula de xido de ferro. ..........................................61

Figura 54 Dimenses da partcula de xido de sdio. .........................................62

Figura 55 Amostras (a) Nano-1 e (b) Nano-2. ...................................................62

xii

Figura 56 Curvas de fluxo para os quatro tipos de fluidos produzidos. ..................65

Figura 57 - Volume de filtrado para as lamas dos tipos A, B, C e D, respectivamente

da esquerda para a direita. ....................................................................................75

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Oferta Interna Nacional de Energia. ..................................................... 1

Tabela 2 - Requisitos para Fluidos de Perfurao. ................................................26

Tabela 3 - Requisitos para Fluidos de Perfurao Padro. ......................................27

Tabela 4 Composio Qumica das Argilas de Fort Benton. .................................33

Tabela 5 - Composio Qumica do Nanoaditivo. ..................................................33

Tabela 6 Rendimento da Sntese dos Nano xidos. ............................................40

Tabela 7 Quantidade de resina necessria para a produo da nanobentonita a partir

do segundo mtodo. .............................................................................................41

Tabela 8 Aditivos empregados na Formulao das Lamas. ..................................46

Tabela 9 Constituintes da amostra Nano-1. ......................................................54

Tabela 10 - Constituintes da amostra Nano-2. .....................................................54

Tabela 11 Resultados dos ensaios reolgicos. ...................................................63

Tabela 12 Parmetros dos Fluidos de Perfurao. ..............................................66

Tabela 13 Leituras do ensaio reolgico para a determinao da viscosidade plstica,

viscosidade aparente e limite de escoamento dos fluidos de perfurao. ......................74

Tabela 14 Leituras do ensaio reolgico para a determinao da fora gel dos fluidos

de perfurao. .....................................................................................................74

xiv

LISTA DE SMBOLOS

Smbolos Latinos

b Coeficiente Linear da Reta de Mnimos Quadrados

cP Centipoise

FG Fora Gel

FGI Fora Gel Inicial

FGF Fora Gel Final

ndice de Consistncia

LE Limite de Escoamento

Leitura indicada no Viscosmetro

600 Leitura do Viscosmetro a 600 rpm

300 Leitura do Viscosmetro a 300 rpm

mL Mililitro

ndice de Comportamento de Fluxo

nm Nanmetro

Pa Pascal

pH Concentrao Hidrogeninica

psi Pound Force per Square Inch

rpm Rotaes por Minuto

Velocidade de agitao do Fluido

VA Viscosidade Aparente

VF Volume de Filtrado

VP Viscosidade Plstica

Angstrom

C Graus Centgrados

Smbolos Gregos

Tenso de Cisalhamento [Pa]

0 Limite de Escoamento [Pa]

Taxa de Cisalhamento [s-1]

Viscosidade Dinmica [Pa.s]

xv

Siglas

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

API American Petroleum Institute

ASME American Society of Mechanical Engineers Shale Shaker Committee

BEN Balano Energtico Nacional

CTC Capacidade de Troca de Ctions

DNPD Departamento Nacional de Produo Mineral

EDS Espectroscopia por Disperso em Energia

FRX Fluorescncia de Raios X

IEA Internacional Energy Agency

MEV Microscopia Eletrnica de Varredura

PPDM Professional Petroleum Data Management

1

1 INTRODUO

1.1 MOTIVAO ENERGIA E PETRLEO

Considerado a principal fonte de energia do mundo moderno, o petrleo est sempre presente no dia

a dia da populao, tendo os combustveis como os seus produtos mais importantes. Asfalto,

fertilizantes, polmeros e tintas so outros derivados do petrleo bastante utilizados mundialmente. A

queima de derivados de petrleo para a gerao de energia eltrica tambm merece destaque. Apesar da

competitividade com as fontes alternativas de energia, a gerao de energia eltrica por meio das

termoeltricas estrategicamente importante, sobretudo para o suprimento de cargas de pico e para o

fornecimento de energia em sistemas isolados, afirma a Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL

(2010).

Apesar do apelo mundial para a utilizao de fontes energticas alternativas, empresas de

energia, especialmente aps a descoberta do pr-sal, no trabalham com a hiptese de substituio das

fontes no renovveis de energia, mas sim com a complementao da matriz energtica brasileira por

fontes renovveis, buscando aperfeioar o processo de eficincia energtica.

O petrleo, junto aos seus derivados, a fonte de energia de maior disponibilidade no mundo, alm

de ser a mais utilizada. Segundo a Internacional Energy Agency IEA (2012), 33,1% do fornecimento

mundial de energia proveniente do petrleo e seus derivados. Em relao ao Brasil, a situao no

diferente, j que o petrleo e seus derivados correspondem a 38% do suprimento interno de toda a

energia utilizada no pas, sem considerar o gs natural. A Tabela 1 apresenta os valores por fonte da

oferta de energia nacional.

Tabela 1 - Oferta Interna Nacional de Energia.

IEA (2009).

Fonte %

Petrleo e Derivados 38

Gs Natural 10,2

Carvo Mineral e Derivados 5,1

Urnio e Derivados 1,3

Energia Hidrulica e

Eletricidade 14,2

Lenha e Carvo Vegetal 9,6

Produtos da Cana de Acar 17,7

Outras Fontes Renovveis 3,9

2

Fazendo jus a grande disponibilidade internacional de petrleo existente, a fonte de energia de maior

consumo no mundo provm do petrleo. No Brasil, o recurso energtico mais utilizado representado

pelo petrleo e seus derivados, com 42,4% do consumo final de energia, de acordo com o Balano

Energtico Nacional BEN (2012). A Figura 1 mostra a matriz energtica brasileira em termos de

consumo de energia.

Figura 1 - Consumo Nacional de Energia.

BEN (2012).

Hoje em dia, o crescimento da indstria nacional e internacional de automveis gera uma demanda

sustentada pelos produtos petrolferos, conferindo significativa relevncia econmica desta fonte

energtica para o mundo. O consumo do petrleo e seus derivados destina-se, principalmente, ao setor

de transporte. Devido ao crescimento deste setor, a tendncia o fortalecimento da indstria petrolfera

nos prximos anos. No Brasil, a descoberta do pr-sal torna ainda mais evidente a importncia do recurso

energtico do petrleo para o pas.

Desde a descoberta do pr-sal, de acordo com dados divulgados pela Petrobras (2012), o Brasil j

superou a marca de 100 milhes de barris de petrleo produzidos. Atualmente o pas produz mais de

200 mil barris de petrleo por dia nas bacias de Santos e de Campos. A Petrobras estima que em 2017

sejam produzidos um milho de barris de petrleo por dia. Desta forma, nas prximas dcadas, o pas

ocupar uma posio estratgica frente demanda mundial de energia. Em virtude desta situao, o

desenvolvimento de um fluido de perfurao que torne o processo de produo do petrleo mais prtico,

rpido e eficiente se mostrar bastante relevante em meio ao cenrio atual.

neste cenrio que este projeto se enquadra. A imprescindibilidade de se elaborar fluidos de

perfurao no poluentes devido s restries ambientais cada vez mais severas e a necessidade de

19%

9%

3%

2%

2%

7%7%18%

12%

5%

2%

14%

Consumo Nacional de Energia por Fonte

leo Diesel

Gasolina

GLP

leo Combustvel

Querosene

Gs Natural

Lenha

Eletricidade

Bagao de Cana

Etanol

Lixvia

Outras Fontes

3

explorar os profundos poos do pr-sal tornam o desenvolvimento deste projeto de suma importncia,

visto que os fluidos base dgua, alm de garantir uma perfurao eficiente quando preparados de

forma adequada, so os que melhor atendem s exigncias ambientais.

O estudo do comportamento e da formulao de fluidos de perfurao utilizando-se nanoaditivo

tambm se mostrar bastante til, j que o fluido poder apresentar melhores propriedades reolgicas e,

consequentemente, maiores eficincias nas atividades nas quais ele deve realizar durante o processo de

perfurao.

1.2 OBJETIVOS

Este projeto tem como objetivo a sntese de nanopartculas de argila bentontica, as quais sero

empregadas como aditivos para a formulao de fluidos de perfurao base dgua juntamente com os

principais aditivos qumicos utilizados na indstria petrolfera. Os fluidos produzidos sero analisados

para averiguao de suas eficincias por meio do estudo do comportamento das propriedades reolgicas

dos mesmos, conforme estabelecido pelas normas da Petrobras.

Sero desenvolvidos quatro tipos de fluidos de perfurao, sendo que o primeiro fluido ser

aditivado com nanopartculas de argila bentontica sintetizadas a partir da mistura dos nano xidos

produzidos, o segundo fluido ser aditivado com nanopartculas de bentonita criadas a partir da mistura

das resinas polimricas (Fluido tipo B), o terceiro fluido ser formulado com argila bentontica ativada

(Fluido Tipo C) e o quarto fluido conter apenas aditivos industriais (Fluido Tipo D).

1.2.1 Objetivos Especficos

Ativao da argila bentontica para o aprimoramento das propriedades reolgicas do fluido de

perfurao Tipo C;

Caracterizao das partculas de argila bentontica sintetizadas;

Realizao do estudo reolgico das diferentes variedades de fluidos de perfurao produzidos,

bem como a comparao do comportamento dos mesmos.

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

O projeto foi organizado em captulos para melhor compreenso dos contedos abordados e maior

facilidade de visualizao dos mesmos. O texto comea com o Captulo 1, o qual apresenta a motivao

para a realizao deste trabalho, relacionando o tema energia ao setor petrolfero tanto no Brasil quanto

no mundo, alm de introduzir os objetivos do projeto.

4

O Captulo 2 apresenta a reviso bibliogrfica dos contedos do projeto. Neste captulo, so exibidos

o conceito e as funes dos fluidos de perfurao, os aditivos utilizados para a preparao dos mesmos

bem como o tipo de fluido adequado para cada categoria de poo, a estrutura da argila bentontica, o

processo de ativao do argilomineral, a relevncia do uso de nanopartculas como aditivos em fluidos

de perfurao e o mtodo aplicado para a preparao das nanopartculas (mtodo de Pechini), alm da

caracterizao das mesmas. Por ltimo, realizada a reviso das propriedades reolgicas dos fluidos de

perfurao, j que tais propriedades so parmetros fundamentais para a determinao da eficincia das

lamas.

A metodologia aplicada na realizao do projeto est apresentada no Captulo 3, que rene os

seguintes tpicos: a tcnica de ativao da argila bentontica, a sntese das nanopartculas que

representam o mineral argiloso (mtodo de Pechini), o processo de formulao dos fluidos de

perfurao, as prticas adotadas para a caracterizao das nanopartculas e os procedimentos de medio

das propriedades reolgicas dos fluidos de perfurao.

O Captulo 4 apresenta os resultados obtidos da caracterizao e medio das propriedades

reolgicas dos fluidos de perfurao, alm das anlises a cerca destes resultados.

As concluses, incluindo os comentrios e os aspectos mais relevantes ocorridos durante a execuo

do projeto esto descritas no Captulo 5.

Por ltimo, todas as referncias utilizadas para o desenvolvimento do projeto e os anexos relevantes

para a compreenso do mesmo esto listados no final do trabalho.

5

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 FLUIDOS DE PERFURAO

2.1.1 Definio de Fluido de Perfurao

Fluidos de perfurao so misturas formadas a partir de uma soluo base de gua ou leo

juntamente com elementos qumicos slidos, lquidos e at mesmo gasosos, de acordo com Assis (2011).

Tais fluidos, tambm conhecidos como lamas, so utilizados na indstria de petrleo para perfurao de

poos, sejam eles terrestres ou martimos.

Segundo Thomas (2001), fluido de perfurao uma mistura complexa usada durante a perfurao

de poos de petrleo, a qual bombeada a partir da superfcie para baixo da coluna de perfurao,

satisfazendo as principais necessidades do poo. Devido ao estado fsico dos seus componentes, podem

se apresentar nos aspectos de suspenso, disperso coloidal ou emulso, garantindo que a perfurao do

poo ocorra de maneira rpida e segura.

Fluidos de perfurao, de acordo com Amorim (2003), so composies geralmente lquidas

destinadas a desempenhar as mais variadas funes no mbito de auxiliar o processo de perfurao de

poos de petrleo. O tipo de fluido de perfurao a ser utilizado depende da estrutura de cada poo.

De fato, o termo fluido de perfurao refere-se a um lquido, gs ou substncia contnua utlizada no

processo de perfurao de poos de petrleo com o intuito de realizar qualquer uma ou todas as

atividades necessrias para que a perfurao do poo seja bem sucedida com um baixo custo. Desta

forma, caso o fluido de perfurao seja selecionado adequadamente, notveis benefcios so alcanados

ao processo de perfurao, tais como a reduo da corroso nos equipamentos de perfurao, a

diminuio das perdas de presso por atrito, a minimizao dos impactos ambientais e at mesmo o

incremento da segurana durante a perfurao. Um exemplo de fluido de perfurao mostrado pela

Figura 2.

Figura 2 - Fluido de Perfurao Base de leo.

Baker Hughes (http://www.bakerhughes.com/).

6

2.1.2 Percurso Realizado pelo Fluido de Perfurao

O caminho realizado pela lama durante a perfurao de um poo de petrleo est representado pelos

passos a seguir. Primeiramente, o fluido de perfurao preparado e armazenado em tanques. Dos

tanques de lama, o fluido de perfurao bombeado e injetado por meio de um duto para o interior da

coluna de perfurao, que constituda por um conjunto de componentes responsveis por transmitir a

energia necessria para a broca cortar as fomares rochosas. Durante a perfurao do poo de petrleo,

os dentes da broca moem a rocha em fragmentos pequenos. O fluido, j no interior da coluna de

perfurao, sai da broca em forma de jatos, percorrendo o espao anular compreendido entre a coluna

de perfurao e a parede do poo. Ao deixar a broca, a lama suspende os fragmentos formados pela

perfurao, circulando-os de volta superfcie. O procedimento de retirada dos resduos slidos gerados

durante a perfurao pode ser visualisado na Figura 3.

Figura 3 - Carreamento dos Detritos pelo Fluido de Perfurao.

Petroleum Support (https://www.petroleumsupport.com/).

A lama juntamente com os resduos da perfurao se encaminha para peneiras, de onde os

fragmentos so removidos. Das peneiras, o fluido reciclado volta aos tanques de lama, reiniciando sua

circulao. Este processo est representado pela Figura 4.

Figura 4 - Processo da Lama durante a Perfurao de um Poo de Petrleo.

Schlumberguer (https://www.slb.com/).

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2.1.3 Funo dos Fluidos de Perfurao

As funes que os fluidos de perfurao precisam executar variam de acordo com o tipo de fluido.

Comumente, os fluidos de perfurao realizam o papel de suspender e remover slidos indesejados ao

longo da coluna de perfurao, conter a presso na superfcie de formao do fluido, alm da executar

a limpeza, lubrificao e refrigerao da broca.

Os fluidos de perfurao podem realizar diversas tarefas durante o processo de extrao de petrleo.

Segundo o Drilling Fluids Engineering Manual (1998), as principais funes dos fluidos de perfurao

so:

i. Resfriamento e lubrificao da broca;

ii. Manuteno da estabilidade do poo;

iii. Remoo dos resduos formados durante a perfurao e o transporte destes para a superfcie;

iv. Garantia de uma adequada avaliao da formao geolgica;

v. Controle das presses de formao;

vi. Controle da corroso;

vii. Minimizao dos danos no reservatrio;

viii. Minimizao dos impactos ambientais.

O desenvolvimento de fluidos de perfurao deve buscar a otimizao entre a eficincia do fluido e

o seu custo, atendendo os aspectos tcnicos exigidos durante a perfurao do poo, alm de estar em

consonncia com as questes ambientais. Em sintonia com as funes descritas pelos autores

anteriormente, os fluidos de perfurao, segundo Gray e Darley (1998), devem respeitar os critrios de

no interferir a produtividade normal do poo, no exigir mtodos incomuns ou muito onerosos de

perfurao, no provocar corroses ou desgastes excessivos aos equipamentos de perfurao, no causar

danos s pessoas envolvidas durante o processo de perfurao e tambm no prejudicar o meio ambiente.

2.1.4 Classificao dos Fluidos de Perfurao

Para Thomas (2011), o fluido de perfurao classificado conforme a sua composio, utilizando

como critrio o principal constituinte da fase contnua do fluido, ou seja, o componente de maior

relevncia que forma a fase dispersante do fluido de perfurao. Seguindo este critrio, os fluidos de

perfurao so classificados em fluido base de gua, fluidos base de leo e fluidos base de ar.

A classificao dos fluidos de perfurao realizada de acordo com o fluido base da mistura

juntamente com os seus principais componentes, segundo o Drilling Fluids Engineering Manual (1998).

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Gray e Darley (1998) classificam como fluido de perfurao base de gua aquele que contm gua

como principal constituinte, como fluido de perfurao base de leo aquele cuja fase lquida contnua

formada por leo e, por ltimo, como fluido de perfurao base de ar aquele no qual um fluxo de ar

injetado a alta velocidade no poo de petrleo.

Alm da gua, do leo e do ar, tambm existe um fluido de perfurao base sinttica. O fluido de

perfurao sinttico preparado a partir de substncias qumicas sintticas com o intuito de aperfeioar

suas propriedades reolgicas.

2.1.4.1 Fluidos Base de gua

Nos fluidos de perfurao base de gua, o principal constituinte a gua. A gua tem como funo

ser o meio dispersante dos aditivos qumicos presentes no fluido. Dependendo de sua natureza, a gua

pode ser doce, dura ou salgada. De acordo com Thomas (2001), a composio e a interao de cada

componente na gua so responsveis pelas propriedades qumicas e fsicas do fluido. Desta forma, so

considerados a natureza da gua e os aditivos a serem empregados para a correta formulao do fluido

de perfurao.

A salinidade apresentada na gua doce menor do que 1000 ppm de cloreto de sdio equivalente.

A vantagem de se utilizar gua doce no fluido de perfurao que ela no interfere no desempenho dos

aditivos a serem empregados no fluido, no havendo necessidade de pr-tratamento desta. J a gua dura

contm sais de clcio e magnsio dissolvidos, o que implica na alterao do desempenho dos aditivos

empregados na formulao do fluido de perfurao. Por fim, quando a salinidade da gua for superior a

1000 ppm de cloreto de sdio equivalente, diz-se que ela salgada.

Os fluidos de perfurao base de gua ainda podem ser classificados de acordo com a funo dos

aditivos presentes. Desta forma, existem os fluidos inibidos e os fluidos no inibidos. Segundo Thomas

(2001), os fluidos inibidos so recomendados para perfurao de rochas ativas, ou seja, rochas que

provocam interao qumica com a gua doce. Neste caso, devem-se empregar aditivos que retardem o

efeito de interao entre a gua do fluido e a rocha. Tais aditivos so chamados de inibidores, e so

representados por eletrlitos ou polmeros. Quando a interao entre a rocha e gua doce mnima, diz-

se que ambos so inertes, dispensando a presena de inibidores na preparao dos fluidos de perfurao.

Neste caso, os fluidos so chamados de no inibidos, e geralmente so aplicados na perfurao de rochas

superficiais e inconsolidadas.

Lamas base de gua so as mais utilizadas nas operaes de perfurao de todo o mundo. Os

principais quesitos que estimularam o desenvolvimento dos fluidos de perfurao base de gua foram

proporcionar adequadamente as condies de estabilidade e presso do poo de petrleo, como tambm

a auxiliar o processo de remoo dos fragmentos oriundos da perfurao.

9

2.1.4.2 Fluidos Base de leo

Os fluidos base de leo possuem a fase contnua constituda por hidrocarbonetos lquidos. A fase

descontnua formada por gotculas de gua. Segundo Thomas (2011), se o teor de gua no fluido for

menor do que 10% trata-se de uma emulso de gua e leo. Quando o teor de gua est compreendido

entre 10 e 45%, o fluido denominado de emulso inversa.

Tais fluidos podem ser utilizados em operaes a altas temperaturas e presses, alm de possuir

elevado grau de lubricidade e mnima taxa de corroso. So indicados para formaes salinas, formaes

geolgicas hidratveis, formaes de folhelhos argilosos e para poos de grande profundidade.

Devido ao elevado grau de poluio e ao fato de haver dificuldades quanto ao seu descarte no meio

ambiente, os fluidos base de leo vm sendo empregados com menor frequncia se comparados aos

fluidos base de gua. Outro problema o elevado custo para a implantao deste tipo de lama.

2.1.4.3 Fluidos Base de Ar

Quando o fluido circulante utilizado durante a perfurao consiste totalmente ou em sua maior parte

por ar ou gs, diz-se que a perfurao base de ar. De acordo com Thomas (2001), recomendam-se

diferentes formulaes para fluidos base de ar para cada situao em que se encontra um poo de

petrleo.

Em zonas com drsticas perdas de circulao, formaes produtoras com baixssimas presses,

formaes muito duras e regies com escassez de gua ou cobertas por grossas camadas de gelo,

recomendam-se o uso de um fluido base de ar com baixa densidade. Para formaes duras ou fissuradas

que no produzem grande quantidade de gua e no contenham hidrocarbonetos, utiliza-se a perfurao

a ar puro, com ar comprimido ou hidrognio, aumentando a taxa de penetrao da broca. Se a formao

produz gua em grandes quantidades que comprometam a perfurao a ar puro, deve ser empregada a

perfurao com nvoa, que consiste em uma mistura de gua dispersa no ar. utilizada espuma como

lquido circulante quando se precisa conduzir de forma bastante eficiente os fragmentos formados

durante a perfurao. O gs disperso em lquido, formando a espuma, que apresenta elevada

viscosidade, facilitando o processo de carreamento dos detritos.

2.1.4.4 Fluidos Sintticos

Os fluidos sintticos so considerados produtos da nova gerao na indstria petrolfera, e

apresentam a fase contnua formada por um lquido sinttico. Segundo Burke e Veil (1995), tais lamas

podem desempenhar as diversas funes tanto dos fluidos base de leo como tambm dos fluidos

base de gua. A grande vantagem do fluido sinttico que este pode ser desenvolvido de maneira a

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atender situaes nas quais os fluidos base de gua apresentam limitaes. O elevado custo a

principal desvantagem deste tipo de fluido. Com o intuito de superar as limitaes dos fluidos de

perfurao base de gua e em resposta s restries ambientais impostas aos fluidos base de leo, o

fluido sinttico foi desenvolvido. O fluido sinttico apresenta menores nveis de toxidade e auxiliam a

formao de fragmentos de menores volumes durante a perfurao. Por meio da Figura 5 pode ser

observado o esquema da classificao dos fluidos de perfurao.

Figura 5 - Classificao dos Fluidos de Perfurao.

Thomas (2001).

2.2 ADITIVOS PARA FLUIDOS DE PERFURAO BASE DE GUA

Durante a preparao dos fluidos de perfurao, so usados aditivos com o intuito de conferir as

propriedades necessrias para uma perfurao eficiente para cada tipo de poo.

Segundo Amorim (2003), existe uma perfurao especfica para cada tipo de poo, deste modo, as

condies geolgicas de cada poo determinaro a composio do fluido. Por exemplo, fluidos base

de gua contendo somente argila em baixa concentrao como aditivo, so apropriados para perfuraes

simples e no muito profundas. Porm, para perfuraes complexas e profundas torna-se necessrio a

utilizao de fluidos mais completos, com aplicao de vrios aditivos que despenhem as funes para

auxiliar o processo de perfurao.

Os aditivos desempenham as mais diversas funes nos fluidos de perfurao. Dentre elas, pode-se

destacar que as principais so o controle da viscosidade, do limite de escoamento, das foras gis e do

filtrado. Se adicionados nas pores adequadas, os aditivos daro ao fluido elevada aptido para remoo

Fluidos de Perfurao

Fuidos Base de gua

Alto Teor de Slidos

Baixo teor de Slidos

Fluidos Inibidos

Fluidos no Inibidos

Fluidos Base de

leo

EmulsoEmulso Inversa

Fluidos Base de Ar

Fluidos Sintticos

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dos resduos gerados pela perfurao e boa capacidade de estabilizao das paredes do poo (Thomas,

2001).

Como o escopo deste projeto se refere a fluidos de perfurao base de gua, os aditivos descritos

e estudados ao longo do projeto sero referentes base aquosa.

Os aditivos utilizados para a preparao dos fluidos de perfurao podem ser slidos ou lquidos.

Dentre os aditivos slidos, existem os ativos e os inertes. Thomas (2001), diz que os aditivos slidos

ativos tm a funo de tornar o fluido viscoso. As argilas, com destaque para as bentonitas, so os

principais materiais utilizados. J os slidos inertes so oriundos do incremento de materiais

industrializados, como a baritina e a calcita, ou provenientes de delgados resduos das rochas perfuradas,

como a areia e o calcrio fino.

Segundo Gray e Darley (1998), desde 1921 utilizam-se aditivos para melhorar as propriedades

reolgicas dos fluidos de perfurao. Os principais aditivos utilizados na preparao de fluidos de

perfurao base de gua so os viscosificantes, os lubrificantes, os redutores de filtrado, os

controladores de pH, os bactericidas, os fixadores de reboco, os inibidores de argila expansiva, os

afinantes de bentonita, os defloculantes, os dispersantes, os densificantes e os selantes.

Todos estes aditivos esto descritos a seguir juntamente com suas respectivas funes e alguns

exemplos dos mesmos.

Viscosificantes

Os viscosificantes so os aditivos usados com o objetivo de elevar viscosidade ao fluido, garantindo

o carreamento dos detritos gerados pela perfurao, alm de conferir uma melhor limpeza do poo.

Argilas e polmeros naturais ou sintticos so os viscosificantes mais utilizados.

Lubrificantes

Os lubrificantes, compostos formados por steres ou por polipropilenoglicol, so os aditivos

responsveis pela reduo do atrito da lama ao fluir entre as paredes do poo e coluna de perfurao.

Redutores de Filtrado

Ao se perfurar um poo de petrleo, ocorrem perdas de fluido, sobretudo em formaes fraturadas.

Para evitar tais perdas, utilizam-se redutores de filtrado, os quais promovem a melhoria do reboco nas

paredes dos poos. O amido o componente mais utilizado como redutor de filtrado.

Controladores de pH

Estes aditivos realizam o controle do teor de dureza nos fluidos de perfurao como principal

atividade. Outras funes dos controladores de pH so a reduo dos ndices de corroso e a

estabilizao das emulses. So representados pelos hidrxidos de sdio ou de potssio, cido actico e

carbonato de sdio.

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Bactericidas

Os agentes responsveis pelo controle da deteriorao dos fluidos de perfurao causado pela

presena de micro-organismos so chamados de bactericidas. Os principais bactericidas so os

compostos organoclorados, a soda custica e a cal.

Fixadores de Reboco

Fixadores agem sobre as paredes do poo recobrindo-o com uma camada flexvel e plastificada.

recomendado o uso destes aditivos para a perfurao de rochas inconsolidadas e quebradias. So vrios

os aditivos que vem sendo usados para este fim, incluindo amidos, polmeros base de celulose,

lignosulfonatos, lignitos, taninos, polifosfatos e dispersantes polimricos.

Inibidores de Argila Expansiva

Os inibidores so sais inorgnicos sem a presena de cloretos, cuja funo coibir a expanso das

argilas oriundas das formaes perfuradas quando hidratadas. Tais aditivos aumentam a velocidade de

penetrao em formaes com argilas plsticas.

Afinantes de Bentonita

Os afinantes, representados por polmeros de baixo peso molecular, apresentam tima disperso das

argilas no fluido de perfurao por meio de ao qumica. Estes aditivos tambm protegem a broca

contra aprisionamentos e entupimentos.

Selantes

O selante um aditivo, geralmente polimrico, utilizado para preencher e fechar fendas em um poo,

prevenindo o desmoronamento do mesmo. bastante utilizado em formaes geolgicas bastante

permeveis e em aquferos fraturados, onde existem perdas de circulao do fluido de perfurao.

Dispersantes

Como o prprio nome sugere, os dispersantes so responsveis por executar a disperso dos slidos

contidos no fluido de perfurao, reduzindo a atrao das partculas de bentonitas. Os lignosulfonatos,

os lignitos e os fosfatos so os representantes dos agentes dispersantes.

Floculantes

Os agentes floculantes, representados pela soda custica, pela cal e pelo cloreto de sdio, so

encarregados de elevar a viscosidade do fluido, promovendo a limpeza do poo.

Defloculantes

Os aditivos defloculantes so aplicados com a finalidade de impedir que os slidos ativos presentes

no fluido de perfurao fiquem em suspenso. Poliacrilatos de sdio, clcio e potssio so exemplos de

defloculantes.

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Densificantes

So os agentes cuja funo elevar a densidade do fluido de perfurao. A barita o densificante

mais empregado na formulao de lamas.

Espumantes

Os agentes espumantes tm a funo de criar uma espuma estvel em fluidos de perfurao base

de gua. Os surfactantes so exemplos de espumantes.

Antiespumantes

Estes produtos promovem a reduo da ao espumante nos fluidos de perfurao, especialmente

naqueles base de gua saturada com sal.

2.3 ARGILAS BENTONTICAS

O termo bentonita origina-se dos primeiros depsitos comerciais de um mineral argiloso na regio

de Fort Benton, no Estado de Wyoming, nos Estados Unidos da Amrica no final do sculo dezenove.

O gelogo norte americano Knight sugeriu o nome de bentonita para a argila encontrada. Percebia-se

um alto grau de expanso do argilomineral quando este estava em contato com a gua ou umidade. Em

meados do sculo dezenove, a bentonita foi estudada na cidade francesa de Montmorillon, onde foi

observado que seu principal constituinte fazia parte do grupo das esmectitas, sendo chamado de

montmorilonita. (Gray e Darley, 1988).

As bentonitas podem ser definidas como a gama de argilas formadas atravs da decomposio de

cinzas vulcnicas, na maioria das vezes constitudas pelo argilomineral montmorilontico e por pequenas

quantidades de outros minerais, como o quartzo, o feldspato e a calcita.

Argila bentontica definida por Souza Santos (1976) apud Farias (2005) como a rocha formada

pela montmorilonita, que a argila proveniente da desvitrificao seguida da transformao qumica de

um material vtreo de origem gnea, como por exemplo, as cinzas vulcnicas.

De acordo com o Departamento Nacional de Produo Mineral DNPD (2010), as argilas

bentonticas so rochas caracterizadas por terem partculas bastante finas, elevada carga superficial,

grande capacidade de permutao entre ctions, ampla superfcie de contato e pela expanso do seu

volume na presena de gua.

Alguns autores, como Grim e Nven (1978) apud Melo (2008), definem a bentonita como qualquer

argila cuja composio formada basicamente pela esmectita, sendo este o argilomoinral responsvel

pelas propriedades fsicas da bentonita. Para estes autores, independentemente de sua origem ou

ocorrncia, o porcentual do argilomineral montmorilontico nas argilas bentonticas est compreendido

entre 55 e 70%, sendo que seu grau de expanso na presena de gua bastante elevado, correspondendo

14

at 20 vezes o seu volume inicial. Outras caractersticas conferidas ao argilomineral pelos autores so a

capacidade de troca catinica e a elevada rea superficial.

A argila bentontica amplamente utilizada na indstria pelos mais variados setores, que vo desde

o petrolfero, para perfurao de poos, at os setores agrcola, alimentcio, farmacutico, mdico e de

cosmtico, dentre outros.

Para a formulao de fluidos de perfurao base de gua, a argila mais utilizada comercialmente

a bentonita, que adicionada ao fluido a fim de exercer suas diversas funes durante a perfurao. As

propriedades reolgicas da bentonita permitem que ela seja um aditivo capaz de realizar diferentes

funes, dentre as quais podem-se destacar o aumento da limpeza do e da estabilidade do poo, a reduo

das infiltraes nas formaes permeveis, a produo do reboco e o impedimento da perda de

circulao (Gray e Darley, 1988).

Todas as caractersticas citadas pelos autores proporcionam s argilas bentonticas as pertinentes

propriedades especficas que tornam a utilizao da bentonita apropriada como aditivo para a

formulao de fluido de perfurao.

2.3.1 Estrutura das Argilas Bentonticas

O argilomineral montmorilonita, principal constituinte da bentonita, possui em sua composio,

segundo Amorim (2003), duas folhas tetradricas de silicato e uma folha octadrica de alumina. tomos

de oxignio ligam as camadas de folhas tetradricas s camadas de folhas octadricas.

A Figura 6 mostra a esquematizao da folha tetradrica de silicato presente no argilomineral

montmorilontico, composta por um tomo de silcio fazendo quatro ligaes com tomos de oxignio.

Figura 6 - Folha Tetradrica de Silicato.

J a outra camada que compe o argilomineral, a folha octadrica de alumina, pode ser visualizada

por meio da Figura 7. Nesta folha, o tomo de alumnio rodeado por seis tomos de oxignio.

15

Figura 7 - Folha Octadrica de Alumina.

A Figura 8 mostra a estrutura do argilomineral montmorilontico em maior abundncia na bentonita.

Pode-se observar a camada de folha octadrica de alumina localizada centralmente s duas folhas

tetradricas de silicato, unidas entre si por molculas de hidroxila.

Figura 8 - Estrutura da Montmorilonita.

Costa Filho (2005).

2.3.2 Hidratao das Argilas Bentonticas

Na folha tetradrica de silicato, o tomo de silcio pode ser trocado por ctions trivalentes de

alumnio ou de ferro, ao passo que na folha octadrica de alumina, o alumnio pode ser substitudo por

ctions divalentes de ferro. Com estas alteraes, produzido um potencial negativo na superfcie da

bentonita, o qual reparado por meio da adsoro de ctions nos espaos entre as camadas das folhas.

Os ons responsveis pelo balanceamento das cargas negativas so os alcalinos terrosos ou os metais

alcalinos, representados pelo clcio ou magnsio e pelo sdio, respectivamente.

A capacidade de troca de ctions (CTC) definida pela quantia de ctions que so adsorvidos

argila durante a permutao de ons. Se o ction utilizado para o balanceamento das cargas for o clcio,

16

d-se o nome de argila bentonita clcica. Quando o ction utilizado para este fim for a sdio, a argila

denominada de bentonita sdica.

Na estrutura na bentonita, camadas consecutivas de montmorilonita se encontram unidas fracamente

entre si. Quando a estrutura de bentonita hidratada, as molculas de gua so adsorvidas na superfcie

das camadas tetradricas de slica, separando uma estrutura da outra. Este o processo de expanso, ou

tambm denominado de inchamento, ocorrido nas bentonitas na presena de gua, podendo ser

verificado por meio da Figura 9.

Figura 9 - Separao das Estruturas de Montmorilonita quando Hidratadas.

Sipag Bisalta (http://www.bentonite.it/bentonite-structure.php/).

A distncia das camadas entre as lamelas (espessura da camada de gua entre as folhas tetradricas)

est associada com o tipo de ction adsorvido e com o volume de gua disponvel. A expanso das

argilas montmorilonticas, quando se utiliza o sdio como ction a ser adsorvido, pode alcanar um valor

de 9,8 para argilas expostas ao ar, e valores at 40 para argilas em soluo aquosa. Utilizando-se o

clcio como ction, o grau de inchamento da argila a seco de 11,8 , enquanto que na presena de

gua este valor pode chegar a 18 (Amorim, 2003).

Segundo Lumus e Azar (1986), a argila sdica sofre expanses mais elevadas do que a argila clcica

devido a menor fora atrativa que o ction de sdio oferece s camadas tetradricas de silcio se

comparada ao ction de clcio. Sendo assim, oferecendo uma fora atrativa menos intensa, maiores

volumes de gua penetram entre as folhas da argila sdica, o que provoca uma expanso superior da

argila clcica. A diferena da distncia entre as camadas da argila sdica e da argila clcica est

apresentada na Figura 10.

17

Figura 10 - Ativao do Argilomineral Montmorilontico com Clcio e Sdio.

Amorim (2007).

Segundo Souza Santos (1976) apud Amorim (2003), foras de Van Der Walls so responsveis pela

atrao das folhas lamelares de cargas eltricas opostas para expanso com espessura de at 40 . Se a

expanso ultrapassar o valor de 40 no haver mais fora de atrao entre as camadas devido ao

movimento browniano das partculas. Desta forma, as camadas se separam e se dispersam na gua.

2.4 ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA

2.4.1 Importncia da Ativao

O uso tecnolgico da argila bentontica para a aplicao em fluidos de perfurao propiciado em

funo de sua importante caracterstica de inchamento na presena de gua. Nas bentonitas sdicas, a

gua continuamente adsorvida pelas folhas de slica, o que resulta em um elevado grau de expanso

do argilomineral. Em relao s argilas clcicas, a esfoliao das folhas de slica na presena de gua

no to intensa e, desta forma, o grau de inchamento do argilomineral clcico bastante inferior ao

grau de inchamento da bentonita sdica.

A expanso das argilas bentonticas possibilita a melhoria das propriedades reolgicas do fluido de

perfurao, elevando o poder de viscosidade e comportamento de tixotropia do mesmo. Neste nterim,

observa-se a enorme relevncia do emprego da argila bentontica sdica ao se formular os fluidos de

perfurao.

18

As reservas de bentonitas existentes no Brasil so fundamentalmente clcicas, o que significa que

elas devem passar por um processo de modificao estrutural a fim de conferi-las as propriedades

apropriadas para o uso como aditivos em fluidos de perfurao. No processo de beneficiamento, utiliza-

se carbonato de sdio para a obteno da bentonita sdica a partir da bentonita clcica. Os ons de clcio

(Ca+2) presentes na bentonita so substitudos por ons de sdio (Na+) provenientes da soluo de

carbonato de sdio (Na2CO3), provocando a expanso das distncias entre as lamelas da argila, j que o

sdio possui maior capacidade de hidratao (Souza Santos, 1976).

Este processo de beneficiamento da argila clcica tambm chamado de ativao. A ativao da

bentonita acarreta o aumento do rendimento dos fluidos de perfurao.

O processo de ativao da bentonita utilizando-se soluo cida, segundo Souza Santos (1976) apud

Amorim (2003), ocasiona tanto no aumento da rea especfica quanto no aumento da porosidade

aparente das argilas.

As modificaes estruturais realizadas na argila bentontica so de suma importncia para o aumento

de sua eficincia quando usadas para preparao de fluidos de perfurao. A ativao cida o processo

mais utilizado para a alterao da estrutura do argilominral montmorilontico.

2.5 NANOPARTCULAS COMO ADITIVOS EM FLUIDOS DE PERFURAO

A nanotecnologia consiste basicamente na criao de materiais em escala nanomtrica por meio do

controle de suas estruturas e do tamanho das partculas. O processo que sucede a etapa de criao da

nanopartcula a aplicao desta para o desenvolvimento de pesquisas e produtos industriais, conferindo

ao produto final maiores qualidade e eficincia (Medeiros, 2007).

As nanopartculas so definidas de acordo com suas dimenses geomtricas. A estrutura de um

material nanomtrico deve apresentar ao menos uma de suas dimenses abaixo de 100 nm. No processo

de produo de nanopartculas, tomos e molculas so arranjados de modo a obter estruturas adequadas

para uma aplicao especfica. O controle da forma e do tamanho dos materiais nanomtricos cria um

sistema com propriedades fsicas e qumicas modificadas de acordo com o interesse de sua aplicao.

O estudo de materiais nanomtricos tem gerado uma grande revoluo em diversas reas da cincia,

sobretudo nos ramos da engenharia, qumica, fsica, biologia e medicina, dentre outros. De acordo com

Carreo (2002), as nanopartculas, por possurem maior superfcie especfica quando comparadas s

outras partculas, se apresentam distribudas e dispersas de forma mais eficaz em suas aplicaes,

otimizando o desempenho do trabalho realizado. Para que esta otimizao seja alcanada, as

nanopartculas devem ser desenvolvidas com baixo grau de aglomerao e estreita faixa de distribuio

de tamanho. Os contornos de gros dos materiais nanomtricos so caracterizados por grande frao

volumtrica. As propriedades fsicas e qumicas das partculas em escala nanomtrica expressam

19

significativas diferenas estruturais se comparadas s propriedades dos materiais cristalinos

convencionais.

Embora no existam muitas referncias tampouco trabalhos especficos realizados sobre

nanotecnologia no contexto de fluidos de perfurao, a aplicao de nanopartculas pode contribuir com

vantagens ao processo de perfurao de poos.

A nanotecnologia apresenta uma oportunidade de elevar o desempenho dos fluidos de perfurao.

Segundo o National Energy Technology Laboratory (2007), as propriedades reolgicas, mecnicas,

trmicas e pticas dos fluidos de perfurao podem ser melhoradas com a aplicao de nanopartculas.

O aumento da estabilidade dos poos uma consequncia direta conferida s lamas com a aplicao da

nanotecnologia.

Para Barbosa et al. (2012), a utilizao de partculas nanomtricas como aditivos em fluidos de

perfurao uma alternativa interessante de superar as limitaes das lamas convencionais, ocasionando

a melhoria de suas propriedades reolgicas. Para tanto, as nanopartculas necessitam de uma preparao

com rgido controle da composio qumica e estequiomtrica.

2.6 MTODO DE PECHINI

O mtodo de Pechini apresenta enorme relevncia no contexto de produo de partculas em escala

nanomtrica, j que se trata de uma tcnica que pode ser usada para a sntese de mltiplos xidos

policatinicos (Medeiros, 2007).

O cientista norte americano Maggio Pechini desenvolveu, em 1967, xidos de titnio e xidos de

nibio a partir de um material polimrico, utilizando para isso uma reao de um cido policarboxlico

com um polilcool. Por esta razo, este mtodo tambm chamado de mtodo dos precursores

polimricos.

O mtodo dos precursores polimricos permite a criao de materiais nanomtricos com elevado

grau de pureza, controle do tamanho da partcula e homogeneidade qumica. Como a metodologia para

o preparo das nanopartculas relativamente simples e no requer instrumentao sofisticada, o custo

para a execuo do mtodo de Pechini baixo, o que torna o processo de obteno de ps nanomtricos

bastante vivel.

De acordo com Galvo (2010), a produo de materiais nanomtricos com baixa contaminao e a

temperaturas no muito elevadas e a possibilidade de variaes de xidos que podem ser produzidos so

as principais vantagens que tornam o mtodo vivel e cada vez mais difundido em pesquisas. Contudo,

este mtodo produz ps aglomerados, os quais devem ser modos para continuao do processo.

20

2.6.1 Seleo do Mtodo de Pechini para a Realizao do Projeto

O mtodo de Pechini foi selecionado para o desenvolvimento das nanopartculas utilizadas neste

projeto em funo da enorme viabilidade de se produzir diferentes xidos em escala manomtrica de

forma a garantir homogeneidade do material e a gerao eficiente de precursores polimricos. Alm

disso, a praticidade neste mtodo para a produo de materiais nanomtricos evidente devido no

apenas simplicidade das etapas a serem executadas como tambm ao uso de aparelhagem no

sofisticada.

2.6.2 xidos Produzidos pelo Mtodo de Pechini

Os materiais nanomtricos produzidos neste projeto pelo mtodo dos precursores polimricos

constituiro os principais componentes da argila bentontica, representados pelos xidos de silcio

(SiO2), de alumnio (Al2O3) e de ferro (Fe2O3). Tambm ser sintetizado xido de sdio (Na2O) para o

processo de expanso do nanoaditivo.

Neste projeto, sero produzidas amostras de nanobentonitas por duas vias diferentes, sendo que uma

amostra ser gerada pela mistura dos quatro nano xidos, e a outra amostra ser elaborada pela mistura

dos precursores polimricos. Com a produo das duas amostras do nanobentonita, verificar-se- quais

destas amostras apresentar melhores resultados como aditivos de fluidos de perfurao. O esquema de

preparao do nanoaditivo bentontico atravs das duas vias pode ser visualizado pela Figura 11.

Figura 11 - Esquematizao do Preparo do Nanoaditivo Bentontico.

21

2.7 CARACTERIZAO DOS NANO ADITIVOS

de suma importncia o estudo da estrutura e das fases que compem um material, pois a anlise

morfolgica permite no s a compreenso mais adequada das propriedades qumicas e fsicas de uma

amostra como tambm a possibilidade de que se realizem melhorias no material estudado. Os mtodos

experimentais utilizados neste projeto para a caracterizao dos nanoaditivos so: anlise de

fluorescncia de raios X (FRX), espectroscopia por disperso em energia (EDS) e microscopia eletrnica

de varredura (MEV). Os processos de caracterizao realizados neste projeto tm como objetivo

averiguar se os procedimentos de sntese dos aditivos se demonstraram apropriados, alm de verificar

se a proporo e a estrutura dos elementos das amostras produzidas esto de acordo com os produtos

esperados.

2.8 FORMULAO DOS FLUIDOS DE PERFURAO

Os fluidos de perfurao so responsveis pelas mais diversas funes ao longo da perfurao, e

devem ser preparados de modo a atender as especificaes necessrias durante o processo de abertura

de um poo de petrleo. Desta forma, os produtos que constituem os fluidos so selecionados a fim de

que correspondam s especificaes do poo. A preparao das lamas consiste basicamente na adio

dos aditivos em um fluido base, que pode ser a gua, o leo ou o gs. Como a proposta deste projeto

o desenvolvimento de fluidos de perfurao base dgua utilizando-se nanopartculas de argila

bentontica como um dos aditivos, sero elaborados fluidos em base aquosa para execuo do projeto.

De acordo com Guimares (2012), alguns fatores devem ser considerados durante a preparao do

fluido, de modo que os seus constituintes respeitem os seguintes critrios:

Garantir a segurana dos profissionais que trabalham no processo de perfurao;

No danificar o meio ambiente;

No resultar em mtodos onerosos de perfurao;

No interferir na produtividade da perfurao;

No corroer ou degastar excessivamente os equipamentos de perfurao.

Com a preocupao cada vez maior por parte das empresas em desenvolver fluidos que garantam a

eficincia da perfurao, os aditivos passaram a ser estudados mais profundamente, sendo utilizados

para propiciar o controle adequado das propriedades dos fluidos de perfurao.

Guimares e Rossi (2008) afirmam que a seleo do fluido de perfurao adequado tambm est

relacionada a fatores externos, como os descritos a seguir.

Formaes Rochosas Salinas: Os elevados teores salinos das rochas formadas pela evaporao

da gua do mar podem intervir no processo de perfurao devido ao gradiente de presso

22

osmtica da regio. Gray e Darley (1988) propem como soluo para perfuraes nestas

condies, que os fluidos de perfurao precisam ser acrescidos de aditivos como argilas,

redutores de filtrado e materiais celulsicos.

Formaes Argilosas: Tais formaes so capazes de modificar as propriedades reolgicas das

lamas. Para estes casos, recomenda-se a utilizao de aditivos conhecidos como inibidores para

impedir a expanso das argilas presentes na formao rochosa.

Zonas de Alta presso e Temperatura: O principal dano causado pela perfurao em zonas de

alta presso e temperatura a alterao das propriedades fsico-qumicas dos fluidos de

perfurao, sendo necessria a adio de aditivos argilosos, surfactantes, dispersantes e

controladores de pH (Gray e Darley, 1988).

Trajetria do Poo: O desempenho das lamas prejudicado em perfuraes horizontais devido

dificuldade do carreamento dos fragmentos formados durante a perfurao. Aditivos

lubrificantes devem ser usados para elevar o grau de lubricidade do fluido.

2.9 REOLOGIA

Segundo Bird (1987) apud Ancey (2005), entende-se como reologia a anlise do comportamento

mecnico de materiais por meio de tcnicas experimentais. A reologia relaciona equaes com variveis

e parmetros adequados de forma a representar os estados de deformao do material. Para Machado

(2002), a reologia a cincia que estuda a deformao e o fluxo da matria quando submetida aplicao

de uma tenso. Desta forma, verifica-se que a reologia est associada com a mecnica dos corpos

deformveis. O estudo do comportamento reolgico dos fluidos de perfurao possui enorme

importncia no processo de perfurao de poos de petrleo, pois permite o controle da qualidade do

fluido, garantindo a eficincia do mesmo durante a perfurao. Para Melo (2008), o controle das

propriedades reolgicas do fluido interfere nos processos de limpeza e eroso do poo, influencia a taxa

de penetrao da broca e a progresso da suspenso e do carreamento dos detritos formados pela

perfurao.

Para o estudo das propriedades reolgicas dos fluidos de perfurao, primeiramente faz-se

necessrio realizar a definio de fluidos newtonianos e fluidos no newtonianos. Segundo Livi (2004),

os fluidos so classificados de acordo com a relao existente entre a tenso cisalhante aplicada e a taxa

de deformao sofrida por um elemento de fluido. Em um fluido newtoniano, a tenso cisalhante

proporcional taxa de deformao sofrida por um elemento de fluido (a viscosidade do fluido

constante a uma dada temperatura), enquanto que em um fluido no newtoniano no existe a relao de

proporcionalidade entre a tenso cisalhante e a taxa de deformao (a viscosidade do fluido varia com

a taxa de cisalhamento aplicada).

23

2.9.1 Modelo Matemtico para Fluidos de Perfurao

Os modelos matemticos so ferramentas que possibilitam a anlise do escoamento de fluidos. O

modelo matemtico que descreve o comportamento dos fluidos newtonianos est representado por meio

da Equao (1).

= (1)

Onde a tenso de cisalhamento (Pa), viscosidade dinmica (Pa.s) e a taxa de cisalhamento

(s-1).

Amorim (2003) afirma que os fluidos de perfurao base de gua ou base de leo possuem

comportamento pseudoplstico, sendo que o incremento da taxa de deformao aplicada faz com que o

valor da viscosidade do fluido diminua. Sendo assim, os fluidos de perfurao so classificados como

no newtonianos. O fenmeno da pseudoplasticidade pode ser explicado devido s partculas do

material, quando em repouso, apresentarem-se bem prximas umas das outras e pelo fato destas estarem

orientadas aleatoriamente. Desta forma, quando tais partculas sofrem um tenso em uma determinada

direo, elas assumem a orientao na direo do escoamento, fazendo com que a resistncia das

partculas diminuam ao fluir.

Um dos modelos mais utilizados na anlise reolgica de fluidos de perfurao, segundo Amorim

(2003), o modelo de Ostwald de Waale, denominado Lei de Potncia, que descrito pela Equao (2),

atravs da qual pode-se observar que a tenso de cisalhamento e a taxa de cisalhamento apresentam uma

relao no linear.

= K (2)

Onde a tenso de cisalhamento (Pa), K o ndice de consistncia (Pa.sn), taxa de cisalhamento

(s-1) e o ndice de comportamento de fluxo (adimensional). A taxa de cisalhameento pode ser

entendida como o gradiente de velocidade do fluido, o ndice de consistncia indica o grau de resistncia

do fluido durante o escoamento e o ndice de comportamento de fluxo inidica a relao de proximidade

do fluido com o modelo newtoniano, ou seja, somente quando este ndice for igual a uma unidade, o

fluido dito como newtoniano e, em contrapartida, o afastamento deste parmetro de uma unidade

indica que o fluido no newtoniano. De acordo com Bird (1987), quando o valor do ndice de

comportamento for menor do que uma unidade ( < 1) o fluido dito como pseudoplstico. J quando

o ndice de comportamento for maior do que uma unidade ( > 1), o fluido considerado dilatante. Um

fluido dilatante, ao contrrio dos pseudoplsticos, aquele que apresenta a elevao da viscosidade com

o aumento da taxa de cisalhamento, pois na condio de deformao ocorre a aproximao das partculas

do fluido, resultando no incremento da resistncia ao escoamento.

24

As curvas de fluxo para fluidos que obedecem a Lei de Potncia podem ser visualizadas por meio

da Figura 12.

Figura 12 - Curvas de Fluxo para Fluidos de Potncia.

Outro modelo reolgico utilizado nos estudos de fluidos de perfurao o de Herschell-Bukley, pois

trata-se de um modelo que representa os principais parmetros reolgicos necessrios para o estudo das

lamas. De acordo com Machado (2002), o modelo de Herschell-Bukley o ideal para fluidos que

contenham argilas e polmeros. O modelo de Herschell-Bukley, tambm conhecido como modelo de

potncia com limite de escoamento ou modelo de potncia modificado, descrito pela Equao (3).

= K + 0 (3)

Onde a tenso de cisalhamento (Pa), K o ndice de consistncia (Pa.sn), taxa de cisalhamento

(s-1), o ndice de comportamento de fluxo (adimensional) e 0 o limite de escoamento (Pa). O limite

de escoamento revela que necessria a aplicao de uma tenso mnima para que o fluido comece a

escoar. As mesmas condies descritas anteriormente para o ndice de comportamento de fluxo da Lei

de Potncia so vlidas para o modelo de Herschell-Bukley. Para fluidos pseudoplsticos, < 1, para

fluidos dilatantes > 1 e, por fim, = 1 para fluido newtonianos, como apresentado na Figura 13.

Figura 13 - Curvas de Fluxo para o modelo de Herschell-Bukley.

25

2.9.2 Propriedades Reolgicas dos Fluidos de Perfurao

As propriedades reolgicas para fluidos so representadas pela viscosidade aparente, viscosidade

plstica, limite de escoamento e foras gis. O estudo destas propriedades permite o controle do

comportamento dos fluidos de perfurao.

2.9.2.1 Viscosidade Aparente

A viscosidade aparente definida por Rao e Rizvi (1986) apud Pinto (2008) como a viscosidade

dependente da taxa de deformao. Ao contrrio do que acontece nos fluidos newtonianos, a viscosidade

em fluidos no newtonianos varia com a magnitude da taxa de cisalhamento. Esta viscosidade chamada

de viscosidade aparente.

2.9.2.2 Viscosidade Plstica

A viscosidade plstica uma propriedade de destaque para anlise do comportamento de fluidos.

Tal propriedade relacionada com a resistncia que o fluido ao oferece ao se escoar. Em outras palavras,

a viscosidade representa o atrito interno nos fluidos causado pelas interaes intermoleculares (Livi,

2004).

De acordo com Amorim (2003), nos fluidos de perfurao aditivados com bentonitas, as partculas

do argilomineral possuem foras atrativas e repulsivas devido reao destas partculas com a

quantidade de gua associada s mesmas, gerando um aspecto estrutural randmico, o que acarreta em

uma resistncia ao escoamento do fluido.

2.9.2.3 Limite de Escoamento

O limite de escoamento, propriedade decorrente das foras eletrolticas das partculas do fluido,

definido como a mnima tenso de cisalhamento que deve ser submetida ao fluido para se iniciar o

processo de escoamento. (Amorim, 2003).

2.9.2.4 Fora Gel

A fora gel de um fluido uma propriedade reolgica associada ao fenmeno conhecido como

tixotropia. Este fenmeno apresenta comportamentos distintos para o fluido em repouso e em

movimento. Em condies estticas, ocorre a elevao da viscosidade do fluido. Tal situao

denominada estado gel. Em contrapartida, quando o fluido submetido a condies de cisalhamento,

verifica-se a recuperao de sua fluidez, etapa chamada de estado sol.

26

Nos fluidos de perfurao, a tixotropia possui a funo de conter a deposio dos fragmentos

formados durante a perfurao de poos. Durante as paradas de circulao, o fenmeno de tixotropia

tambm deve manter os slidos gerados suspensos. Porm, o efeito tixotrpico deve ser controlado para

que no ocorra de forma excessiva, pois nesta situao, o fluido apresenta alta capacidade de

carreamento de detritos, o que pode causar eroso nas paredes do poo (Amorim, 2003).

A capacidade do fluido de se apresentar em diferentes estados (gel e sol) quando em repouso ou em

movimento uma caracterstica chama de fora gel. De acordo com Machado (2002), existem as foras

gis inicial e final. A fora gel inicial a mnima resistncia necessria para que o fluido comece a

escoar, ao passo que a fora gel final a resistncia que o fluido precisa para reiniciar seu escoamento

aps o perodo de repouso. O grau de tixotropia do fluido aferido pela diferena entre a fora gel final

e a inicial.

2.9.2.5 Volume de Filtrado

Alm das propriedades reolgicas, existe um quesito denominado volume de filtrado, que possui

grande relevncia para as lamas pois est relacionado com perda de fluido durante o processo de

perfurao. A determinao do volume de filtrado permite a anlise da qualidade coloidal da argila no

fluido de perfurao. De acordo com Amorim (2003), a perda de filtrado em fluidos de perfurao est

relacionada com as partculas coloidais e com a quantidade de gua no sistema. Maiores propores de

partculas coloidais indicam menores porcentagens de gua e uma menor perda de filtrado.

2.9.3 Valores das Propriedades Reolgicas

As normas N-2604 e N-2605 da Petrobras (1998) especificam os valores mnimos e mximos das

propriedades reolgicas e do volume de filtrado dos fluidos de perfurao base dgua contendo argila

como aditivo. Estes valores esto dispostos na Tabela 2.

Tabela 2 - Requisitos para Fluidos de Perfurao.

Petrobras (1998).

Propriedades Valor Mnimo Valor Mximo

Viscosidade Plstica (cP) 15 -

Viscosidade Aparente (cP) 4 -

Volume de Filtrado (ml) - 18

ndice de Consistncia (Pa.sn) 0,8 -

ndice de Comportamento de Fluxo (mPa) - 0,6

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Com o intuito de verificar o desempenho das lamas produzidas no projeto com fluidos considerados

como padro na indstria petrolfera, realizar-se- a comparao dos valores das propriedades reolgicas

dos fluidos formulados com uma faixa de valores estabelecida para um fluido contendo aditivos

polimricos, de acordo com Farias et al. (2009). A Tabela 3 mostra os valores das propriedades

reolgicas estabelecidos como padro.

Tabela 3 - Requisitos para Fluidos de Perfurao Padro.

Farias (2009).

Propriedades Valor Mnimo Valor Mximo

Viscosidade Plstica (cP) 23,5 35

Viscosidade Aparente (cP) 44,5 60

Limite de Escoamento (N/m) 39 48

Fora Gel (lbf/100ft) 2 3,5

Volume de Filtrado (mL) 6 7,2

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3 METODOLOGIA

3.1 MATERIAIS

Este tpico apresenta os materiais que foram utilizados para a execuo do projeto. A relao de

materiais inclui os aparelhos, os reagentes e os aditivos necessrios para a realizao dos processos de

ativao da argila bentontica, sntese dos xidos, caracterizao do aditivo bentontico, formulao e

ensaio reolgico dos fluidos de perfurao.

3.1.1 Materiais e Reagentes para Ativao da Argila Bentontica

Agitador magntico com aquecimento da marca Fisatom, modelo 752 A.

Carbonato de sdio anidro P.A. [Na2Co3], teor 99,5%, massa molar 105,99 g/mol, da marca

Vetec.

Bentonita cedida pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S. A., proveniente de Joo

Pessoa-PB.

3.1.2 Materiais e Reagentes para a Sntese do Nano Aditivo

Agitador magntico com aquecimento da marca Fisatom, modelo 752 A.

Forno mufla da marca Marconi, modelo MA 385.

Almofariz e pistilo de 72 mm, da marca Chiarotti.

Peneira de lato 3 x 2, ANBT 170 mesh, da marca Granutest.

Etilenoglicol mono P.A., [C2H6O2], teor 99,5%, massa molar 62,07 g/mol, da marca Vetec.

cido ctrico monohidratado [(C6H8O7)H2O], teor 99,5%, massa molar 210,14 g/mol, da marca

Vetec.

Tetraortosilicato de etila, [Si(OC2H5)4], teor 98%, 208,33 g/mol, da marca Vetec.

Nitrato de alumnio nonohidratado, P.A. ACS, [Al(NO3)39H2O], teor 98%, massa molar 375,13

g/mol, da marca Vetec.

Cloreto de ferro III (ICO) hexahidratado, P.A. ACS, [(FeCl3)6H2O], teor 97%, massa molar

270,33 g/mol, da marca Vetec.

Carbonato de sdio anidro P.A. [Na2Co3], teor 99,5%, massa molar 105,99 g/mol, da marca

Vetec.

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3.1.3 Materiais para a Caracterizao dos Nano xidos e da Bentonita

Espectrmetro de fluorescncia de raios x, da marca Shimadzu, modelo EDX-720.

Microscpio eletrnico de varredura, da marca JEOL, modelo JSM-700F.

3.1.4 Materiais e Aditivos para a Formulao dos Fluidos de Perfurao

Misturador mecnico da marca Hamilton Beach, modelo N936.

Bentonita cedida pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S. A., proveniente de Joo

Pessoa-PB.

Aditivo antiespumante, silicone da marca Nazca;

Aditivo viscosificante, SM 2000, da marca System Mud.

Aditivo redutor de filtrado, Celutrol ADS, da marca System Mud.

Aditivo controlador de pH, Barrilha Leve, da marca System Mud.

Aditivo inibidor de argila expansiva, SM HIB, da marca System Mud.

Aditivo bactericida, SM BAC GREEN, da marca System Mud.

Aditivo lubrificante (glicerina), produzida pela no Laboratrio de Biodiesel da Universidade de

Braslia, Campus Gama.

Aditivo selante, SM SEAL, da marca System Mud.

3.1.5 Materiais para o Ensaio Reolgico dos Fluidos de Perfurao

Viscosmetro da marca Fann, modelo 35 A.

Filtro prensa, n 300, a ar comprimido, da marca Fann.

Compressor de ar da marca Motomil, modelo CMI-7,6/24L-2HP 120lbf/pol.

3.2 PROCESSO DE ATIVAO DA ARGILA BENTONTICA

O processo de modificao estrutural da bentonita executado ao longo do projeto foi baseado na

metodologia adotada por Neumann et al. (2002), que consiste nas seguintes etapas:

1. Preparo da soluo saturada de carbonato de sdio;

2. Disperso da bentonita na soluo de carbonato de sdio;

30

3. Agitao magntica da soluo formada por 24 horas;

4. Repouso da soluo durante 24 horas;

5. Aspirao dos sobrenadantes;

6. Adio de gua destilada para completar o volume perdido com a aspirao dos sobrenadantes;

7. Repouso da soluo novamente por 24 horas;

8. Repetio dos procedimentos 5 e 6 at que no haja mais sobrenadantes;

9. Aspirao do material lquido;

10. Coleta da argila depositada no bquer (bentonita ativada).

A Figura 14 apresenta o fluxograma da preparao da bentonita ativada.

Figura 14 - Fluxograma do Processo de Ativao da Argila Bentontica.

Fonte: Neumann (2002).

A amostra de bentonita utilizada para a execuo do projeto, mostrada pela Figura 15, foi cedida

pela empresa Bentonisa Bentonita do Nordeste S. A., localizada no bairro de Boa Vista na cidade de

Joo Pessoa no Estado da Paraba.

31

Figura 15 Amostra de bentonita fornecida pela empresa Bentonisa.

A ativao da argila bentontica foi efetuada no Laboratrio de Nanoclulas Solares e Nanosensores

da Universidade de Braslia do campus Gama.

Para a realizao da ativao da bentonita, primeiramente, foi preparada uma soluo saturada de

carbonato de sdio (Na2CO3). Em um bquer, 150 gramas de carbonato de sdio foi dispersada em 500

ml de gua destilada, visto que a solubilidade do carbonato de sdio de 30 gramas por 100 ml de gua.

Em seguida, 10 gramas de bentonita foram dispersas na soluo de carbonato de sdio, deixando-a sob

agitao magntica durante 24 horas temperatura ambiente.

Decorridas 24 horas de agitao, a soluo foi deixada em repouso durante 24 horas a temperatura

ambiente. Aps este perodo, pde-se observar a formao de uma fase precipitada e outra fase de

suspenses na soluo, como pode ser observado na Figura 16.

Figura 16 Sobrenadantes Presentes na Soluo aps Agitao Magntica.

Os sobrenadantes presentes na soluo foram aspirados por meio de uma pipeta. O novo volume da

soluo foi verificado. Com adio de gua destilada, completou-se o volume de gua que fora aspirado.

Por mais uma vez, a soluo foi deixada em repouso por 24 horas. Este procedimento repetiu-se at o

momento em que no se verificasse mais sobrenadantes na soluo. Foram necessrias duas aspiraes

de sobrenadantes at se obter uma soluo lmpida, como pode ser observado na Figura 17.

32

Figura 17 Fase Lquida Lmpida.

A soluo lmpida ento aspirada, restando apenas o material argiloso depositado do fundo do

bquer, como apresentado na Figura 18. Aps estes procedimentos, a argila bentontica torna-se ativada,

recebendo o nome de bentonita sdica. A argila ativada est pronta para ser utilizada como aditivo para

a formulao do fluido de perfurao do Tipo C.

Figura 18 Bentonita Ativada.

3.3 COMPOSIO QUMICA DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA

Como o objetivo deste projeto produzir nanoaditivos para fluidos de perfurao base de argila

bentontica, ser necessrio o desenvolvimento, em escala nanomtrica, dos principais componentes

existentes na bentonita. A amostra de nanoaditovo produzida seguir as mesmas propores da bentonita

norte americana de Fort Benton (Estado de Wyoming), a qual considera referncia devido ao seu maior

poder de expanso na presena de gua em relao s outras bentonitas conhecidas.

Os constituintes da argila de Wyoming foram obtidos atravs da caracterizao qumica realizada

por Silva (2012), no laboratrio de Caracterizao Mineral do Instituto de Geocincias da Universidade

Federal do Par. O resultado da caracterizao da argila norte americana est representado na Tabela 4.

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Tabela 4 Composio Qumica das Argilas de Fort Benton.

Fonte: Silva (2012).

Constituintes Composio (%)

SiO2 66,77

Al2O3 18,53

Fe2O3 3,89

MgO 2,46

CaO 1,50

K2O 0,48

Na2O 2,66

MnO -

TiO2 0,15

P2O5 < 0,10

Pela anlise dos constituintes das duas amostras de bentonita, observa-se que ambas so formadas

basicamente por xido de silcio (SiO2), xido de alumnio (Al2O3) e xido de ferro (Fe2O3). Por esta

razo, os nanoaditivos base de argila bentontica sero produzidos pela sntese destes trs xidos, alm

do xido de sdio (Na2O), que ter como funo promover maior expanso na bentonita produzida.

Para a produo do nanoaditivo de argila bentontica, selecionaram-se as porcentagens dos quatro

principais componentes da argila de Fort Benton, e efetuou-se os clculos proporcionalmente destes

componentes para a nova argila. A Tabela 5 apresenta a porcentagem dos xidos utilizados para a sntese

do nanoaditivo.

Tabela 5 - Composio Qumica do Nanoaditivo.

Constituintes Composio (%)

SiO2 72,69

Al2O3 20,17

Fe2O3 4,24

Na2O 2,90

3.4 SNTESE DO NANOADITIVO DA ARGILA BENTONTICA POR MEIO DO

MTODO DE PECHINI

O mtodo dos precursores polimricos consiste basicamente na formao de nanopartculas a partir

de uma reao de esterificao. Os produtos originados atravs dest