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Departamento de Engenharia Mecânica
CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE UM FLUIDO DE 1
PERFURAÇÃO IDEAL: GOMA XANTANA 2
3
4
Aluno: Guilherme Cunha Maia Nobre 5
Orientador: Paulo Roberto de Souza Mendes 6 7 8 9 Resumo 10
11
Nos últimos anos, houve um aumento contínuo na demanda de goma xantana, sendo 12
estimado um crescimento anual de 5 a 10%. As finalidades da produção de goma xantana são 13
encontradas em 65% sendo utilizada na indústria de alimentos, 15% na indústria de petróleo e 14
aproximadamente 20% em aplicações diversas. 15
Na indústria petrolífera é empregada como fluido de perfuração de poços e na 16
recuperação secundária e terciária do petróleo, além de ser utilizado como lubrificação das 17
brocas de perfuração, para recuperação de óleo. Esses processos já são utilizados na Arábia 18
Saudita e na China e são adotados também pela Petrobras (SILVEIRA, 2009). 19
Em virtude desses aspectos, a caracterização de fluidos como a goma xantana se 20
tornou essencial, principalmente sua necessidade e vantagens sobre outros polímeros para a 21
recuperação do petróleo. 22
Este trabalho consiste na avaliação reológica da goma xantana. Para isso, foram feitos 23
ensaios de "step change", em que a taxa de cisalhamento é variada ao longo do mesmo ensaio 24
usando uma concentração de 0,86 % em água. Foi possível observar seu comportamento em 25
relação à variação da taxa de cisalhamento. Houve a necessidade, ao longo do projeto, do uso 26
de mais de um reômetro para aumentar a confiabilidade dos resultados obtidos. Também 27
foram usados bactericidas na solução para evitar a degradação da goma ao longo dos ensaios. 28
Para a realização do trabalho, foi utilizada uma metodologia de preparo da goma 29
xantana bem definida. Posteriormente, foram realizados testes reológicos através do reômetro 30
rotacional. 31
Com os gráficos de taxa de cisalhamento pela viscosidade, foi possível construir a 32
curva que mostra o escoamento do fluido (flow curve). 33
34 Introdução 35
36
Os biopolímeros são polissacarídeos de origem microbiana que têm a capacidade de 37
formar géis e soluções viscosas em meio aquoso. Os biopolímeros são interessantes do ponto 38
de vista industrial por serem amplamente utilizados como espessantes, gelificantes, agentes de 39
suspensão, colóides protetores, entre outras aplicações. 40
Nas últimas décadas, observaram-se progressos significativos em relação à 41
identificação, caracterização e utilização de polissacarídeos sintetizados por microrganismos. 42
Dextrana, xantana e gelana são, praticamente ainda, os únicos polissacarídeos microbianos 43
comercializados em larga escala, tendo importância relevante no mercado de gomas. 44
A goma xantana foi descoberta na década de 50 em NRRL (Nothern Regional Research 45
Laboratories) no departamento de agricultura dos Estados Unidos (BORN et al, 2002). Foi 46
extensivamente estudada, nos anos seguintes, por causa de suas propriedades que 47
possibilitariam lhe acrescentar às outras gomas solúveis em água já conhecidas. Ela deve, 48
provavelmente, continuar sendo o polímero mais utilizado nos próximos anos, devido às suas 49
características reológicas singulares, pois pode alterar as propriedades básicas da água com 50
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capacidade de espessamento, estabilização, emulsificação, suspensão e gelificação. Soluções 51
de xantana possuem alta viscosidade em baixas concentrações, estabilidade em uma ampla 52
faixa de temperatura, pH e concentração de sais. 53
Por estas razões, a goma xantana tem sido bastante empregada na indústria alimentícia e 54
petrolífera e, apesar do preço ser mais elevado por unidade de massa, é menor quando 55
comparado por unidade de viscosidade obtida. Assim, este trabalho tem como objetivo 56
estudar o comportamento reológico da goma xantana, ou seja, estudar o escoamento desse 57
material. E ainda, será analisada a sua composição química. 58
59
Motivação 60
61
A goma xantana tem diversas áreas de atuação, porém sua importância na área 62
petrolífera é analisada, justificando o seu valor para a recuperação do petróleo no mercado. 63
Na indústria petrolífera, é empregada como fluido de perfuração de poços e na recuperação 64
secundária e terciária do petróleo, além de ser utilizado como lubrificação das brocas de 65
perfuração. Em virtude desses aspectos, a caracterização de fluidos como a goma xantana se 66
tornou essencial, principalmente sua necessidade e vantagens sobre outros polímeros para a 67
recuperação do petróleo. 68
Com essa pesquisa, espera-se entender melhor o comportamento da goma xantana, 69
contribuindo, assim, com avanços tecnológicos não só para a engenharia de reservatórios, mas 70
para outras indústrias como as de cosméticos, alimentos, farmacêuticas dentre muitas outras 71
que trabalham com fluidos pseudoplásticos. Essa expectativa se deve principalmente porque é 72
indispensável conhecer as propriedades reológicas dos materiais para projetar um processo 73
que envolva o seu escoamento. 74
Em um fluido pseudoplástico, com o aumento da velocidade de escoamento do fluido 75
dentro da coluna de perfuração, tem-se um aumento da taxa de cisalhamento, e 76
consequentemente uma diminuição da viscosidade deste fluido. Por isso que fluidos 77
pseudoplásticos são recomendados pois, dentro da coluna, necessita-se de uma certa 78
facilidade do fluido escoar. Quando o fluido de perfuração atinge a formação, na região 79
situada na ponta da broca, ocorre uma redução brusca de velocidade e, portanto, da taxa de 80
cisalhamento, levando a um aumento da viscosidade do fluido, que por sua vez atende a 81
exigência de transportar os cascalhos até a superfície, liberados pela broca durante a 82
perfuração. Além disso, um fluido de perfuração tem função de resfriar e lubrificar a broca 83
(ALMEIDA et al., 2010). 84
É fundamental para a autonomia e o desenvolvimento econômico do Brasil a 85 implementação científica e industrial desse polissacarídeo, tornando o país independente e 86
competitivo internacionalmente na produção de goma xantana e na extração de petróleo. 87
88
Revisão bibliográfica 89
90 A goma xantana (C35H49O29) é um polissacarídeo de elevado peso molecular 91
produzido pelas bactérias do gênero Xanthomonas. Esse material, produzido por diferentes 92
espécies de Xanthomonas, contém normalmente glucose, manose e ácido glucurônico, exceto 93 Xanthomonas vesicatória, que contém galactose em substituição à manose (ORENTAS et al., 94
1963). 95
Os fluidos de perfuração são misturas complexas de sólidos, líquidos e, por vezes até 96
gases. São tradicionalmente classificados de acordo com seu constituinte principal, em fluidos 97
à base de gás de óleo e à base de água. A utilização de um ou outro tipo de fluido depende da 98
profundidade do poço e do tipo de formação a ser perfurada. 99
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Os polímeros mais utilizados na formulação do fluido de perfuração à base de água 100
eram a carboximetilcelulose - CMC, celulose polianiônica - PAC e poliacrilamida 101
parcialmente hidrolisada - PHPA. Entretanto, estes polímeros são muito sensíveis às 102
condições de alta salinidade, baixando a eficiência do processo quando utilizadas. Desta 103
forma, a goma xantana passou a ser amplamente utilizada para este propósito, pois seu 104
comportamento é estável na presença de salinidade (LIMA et al., 2001). 105
As soluções de xantana mostram um comportamento pseudoplástico, ou seja, a 106
viscosidade diminui com o aumento da taxa de deformação do fluido. A goma xantana é 107
altamente estável em ampla faixa de pH, sendo afetada com valores de pH>11 e pH<2,5. Essa 108
estabilidade depende da concentração: quanto maior a concentração, maior a estabilidade da 109
solução. A goma xantana é também estável em ampla faixa de temperatura (10°C a 90 °C). 110
No entanto, em pequenas taxas de deformação (<20���), a viscosidade da goma xantana 111 diminui consideravelmente com o aumento da temperatura ( XU et al., 2013). 112
A importância e potencialidade do uso de biopolímeros nos mais diversos segmentos 113
industriais como agentes espessantes, estabilizantes, gelificantes e emulsionantes em 114
alimentos, fármacos, tintas, defensivos agrícolas e outros, é um consenso na literatura. 115
Observa-se, nesses setores, uma contínua substituição dos polissacarídeos convencionais por 116
produtos de origem microbiana, por várias razões, como a possibilidade de modificação de 117
suas características reológicas através do controle de parâmetros de fermentação, 118
independência climática, controle de qualidade dos lotes (SILVEIRA, 2009). 119
Apesar do grande mercado consumidor de xantana e de suas diferentes aplicações e 120
potencialidades, poucos são os países que a produzem. A xantana utilizada no Brasil ainda é 121
importada na sua totalidade, entretanto o país possui os insumos básicos utilizados durante o 122
processo, como o açucar de cana e o etanol, o que o torna um centro potencial para a 123
produção deste polímero (ARAÚJO et al., 2005). 124
125
Objetivos 126
127
Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento reológico da goma xantana 128
usando, como metodologia básica, ensaios laboratoriais por meio de testes em reômetros. 129
Foram conduzidos testes do tipo "step change", onde foi observada a variação da taxa de 130
cisalhamento, e análise do comportamento final desse fluido não-newtoniano. Estes testes 131
possibilitaram a construção da Flow Curve, a curva mais básica no estudo de reologia. Foi 132
analisada, ainda, a composição química da goma xantana. 133
134
Metodologia 135
136
Os experimentos consistiram em duas partes. A primeira parte foi de preparação do 137
fluido em estudo. A segunda, dos testes executados em reômetros. Os ensaios foram 138
executados no Laboratório de Reometria que é coordenado pelo Grupo de Reologia da PUC-139
Rio. 140
141
Parte 1: O método de preparo da goma xantana: 142 143
Foram elaboradas diversas soluções com concentração de 0,86 % ao longo das 144
experiências. O método de preparo da goma xantana consistiu nos seguintes passos: 145 146
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147
• Seleciona-se a porcentagem de polímero desejada; 148
• Coloca-se o volume desejado de água deionizada em um recipiente; 149
• O recipiente é posicionado no agitador mecânico (marca Fisaton,modelo 723) com a 150 pá âncora a 300rpm; 151
• Acrescenta-se a goma xantana aos poucos, pela lateral, evitando despejar o pó na pá; 152
• A solução é agitada por 15 minutos; 153
• A seguir, adicionam-se os seguintes bactericidas para evitar a degradação da goma 154
xantana: Benzoato de Sódio e Sorbato de Potássio. A concentração utilizada foi de 155
0,5% de cada bactericida; 156
• Mistura-se a solução por 1 hora; 157
• Mantém-se a solução em repouso à temperatura ambiente por 24 horas antes dos 158 testes. 159
160
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162
163
164
165
166
167
168
169
170
Figure 1 - Solução de Goma xantana 171
172
Parte 2: Caracterização reológica 173
174
Para a caracterização reológica, foram usadas as geometrias “Cross Hatch” e a 175
“Couette”. Esta última, usada em taxas cisalhantes mais altas. 176
A fim de realizar uma caracterização reológica correta, foram inseridas quantidades de 177
fluido, tal que, este estivesse em contato com toda a geometria cisalhante. Com isso, o teste 178
era programado com o auxílio de softwares especializados para ensaios reológicos. Estes 179
comandavam os ensaios para o reômetro. Foi utilizado, num primeiro momento, o reômetro 180
Physica 501 com o software "Start Rheoplus". E num segundo momento, o reômetro Haake 181
com o software "Rheo Win Data". Ambos reômetros são reconhecidos como de última 182
geração. 183
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186
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187
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190
191
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197
Figure 2 – Geometrias: Couette e Cross Hatch, respectivamente. 198
199
O teste “step change” consistiu em cisalhar o fluido sob uma determinada taxa de 200
cisalhamento durante um intervalo de tempo, e depois disso outra taxa de deformação é 201
aplicada durante um tempo tal que a viscosidade e outros parâmetros estabilizem. Esse tipo de 202
teste foi usado porque ele permite que a estrutura da amostra se desintegre sob um 203
cisalhamento alto para que suas propriedades sejam estudadas sob um segundo cisalhamento. 204
Nesse estudo, o tempo relativo à primeira taxa de cisalhamento foi de 1000 segundos, e à 205
segunda variou entre 3600 e 5000 segundos. A primeira taxa de cisalhamento aplicada foi de 206
100 1/s. A segunda variou conforme a tabela abaixo: 207
208
Taxa de
deformação 0.001 1/s 0.01 1/s 0.1 1/s 1/s 10 1/s 100 1/s
Número de testes 3 3 3 3 3 3
209
Foram realizados, no total, quarenta e oito testes reológicos, em que 24 foram feitos no 210
Physica 501 e os outros 24 no Haake. O procedimento dos testes realizados no Haake foram 211
idênticos aos realizados no Physica 501, no intuito de reforçar os resultados. 212
213
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220 221
Figure 3 – Reômetro Haake. 222
223
Resultados 224
225
Com todos os parâmetros reológicos obtidos através dos softwares nos testes, foi 226
possível analisar as variações desses ao longo do tempo. Todos os dados foram transferidos 227
para as planilhas do Excel. Neste programa, foi possível construir os gráficos de viscosidade 228
versus tempo e de tensão cisalhante versus tempo para cada média de 3 testes de mesma taxa 229
de cisalhamento. 230
231
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233
234
235
236
237 0.000
0.001
0.010
0.100
1.000
10.000
0 2000 4000 6000
Vis
cosi
ty [
Pa
.s]
Time[s]
Viscosity [Pa.s]
Viscosity [Pa.s]
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Figure 4 – Viscosidade X Tempo para 0,001 1/s realizado no Physica 501. 241
242
Figure 5 – Teste de step change para diferentes taxas de cisalhamento (s-1) 243
244
Com todos os valores de viscosidade e tensão cisalhante estabilizados para cada taxa 245
de cisalhamento, podemos construir a Flow Curve, que relaciona viscosidade por taxa de 246
cisalhamento do fluido. 247
248
Taxa de cisalhamento [1/s] Viscosidade [Pa.s]
0,001 4642,307312
0,01 845,8348394
0,1 123,0135447
1 15,9220894
10 2,038562286
100 0,277434444
1000 0,042127131
2000 0,024118333
Figure 6 - Valores de viscosidade estabilizados para cada taxa de cisalhamento 249
250
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
1000,000
10000,000
1900ral 1901ral 1902ral 1904ral 1905ral 1906ral 1908ral 1909ral 1910ral 1912ral
Vis
cosi
da
de
[P
a.s
]
Tempo [s]
Step Change
0,01
0,1
1
10
0,001
2000
1000
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251
Percebe-se que existe uma mudança considerável na viscosidade do fluido quando 252
variada a taxa de cisalhamento aplicada, o que demonstra que a goma xantana possui um 253
comportamento de fluido não-newtoniano. 254
255
256 Para analisarmos a influência da temperatura, foram feitas rampas de temperatura, 257
como podem ser vistas no gráfico abaixo usando a mesma concentração dos testes de 258
Step Change, 0,86 %. Pode ser observado que a goma não é sensível a temperatura entre 259
15ºC e 30ºC, tendo em vista, que a viscosidade mudou pouco neste intervalo. 260
261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279
1900ral
1900ral
1900ral
1900ral
1900ral
1900ral 1900ral 1900ral 1900ral
Vis
cosi
da
de
[P
a.s
]
Temperatura [°C]
teste 1
teste 2
teste 3
teste 4
tete 5
y = 1900ralx
R² = 1900ral
1900ral
1900ral
1900ral
1900ral
1900ral
1902ral
1927ral
1900ral 1900ral 1900ral 1900ral 1900ral 1900ral 1902ral 1927ral
Vis
cosi
ty [
Pa
.s]
Shear rate [1/s]
Flow curve 0,86%
Figure 7- Flow Curve
Figure 8 - Temperatura versus Viscosidade
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280 Conclusões 281
282
Com a análise dos experimentos realizados nesta pesquisa, foi possível construir a 283
“Flow Curve” e ainda comprovar o modelo "Power Law", que modela matematicamente 284
o escoamento de fluidos não newtonianos. Estes demonstram que a solução de goma 285
xantana é um fluido não newtoniano e pseudoplástico, já que pôde ser observada uma 286
decaimento exponencial da viscosidade quando aumentada a taxa de cisalhamento da 287
goma xantana. 288
Outro resultado relevante é que esse fluido apresenta viscosidade praticamente 289
constante quando a temperatura é variada numa faixa próxima à ambiente. 290
Com isso, o valor da goma xantana no mercado de gomas e a sua aplicabilidade na 291
recuperação do petróleo continuam sendo justificados. Principalmente na recuperação do 292
petróleo é altamente adequado um fluido com comportamento mecânico igual ao da 293
goma xantana. 294
Para um estudo reológico completo da goma xantana, seria necessário ainda a 295
execução de testes oscilatórios e investigação da possibilidade de existência de uma 296
tensão limite de escoamento no comportamento do fluido. 297
298
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