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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
PETRÓLEO - PPGCEP
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENVOLVIMENTO DE PASTAS CIMENTANTES UTILIZANDO
CIMENTOS PORTLAND COMPOSTOS PARA CIMENTAÇÃO DE
POÇOS PETROLÍFEROS
Francisco Aldemir Teles Belém
Orientadora: Profª Dra. Dulce Maria de Araújo Melo
Natal/RN, Outubro de 2010.
DESENVOLVIMENTO DE PASTAS CIMENTANTES UTILIZANDO
CIMENTOS PORTLAND COMPOSTOS PARA CIMENTAÇÃO DE
POÇOS PETROLÍFEROS
Francisco Aldemir Teles Belém
Natal/RN, Outubro de 2010.
Francisco Aldemir Teles Belem
Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland compostos para cimentação de poços petrolíferos.
Dissertação de Mestrado
apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ciência e Engenharia
de Petróleo PPGCEP, da
Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, como parte dos requisitos
para obtenção do título de Mestre
em Ciência e Engenharia de
Petróleo.
Aprovado em ____de ______________de 2010.
____________________________________
Profª. Drª Dulce Maria de Araújo Melo
Orientador – UFRN
____________________________________
Prof. Dr. Eledir Vitor Sobrinho
Membro Interno - UFRN
____________________________________
Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas
Membro Interno - UFRN
____________________________________
Prof. Dr. Alfredo Ismael Garnica Curbelo
Membro Externo - UFPB
BÉLEM, Francisco Aldemir Teles – Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland compostos para cimentação de poços petrolíferos. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo. Área de Concentração: Pesquisa e Desenvolvimento em Ciência e Engenharia de Petróleo. Linha de Pesquisa: Engenharia e Geologia de Reservatórios e de Explotação e Gás Natural, Natal – RN, Brasil.
Orientador: Profª Drª Dulce Maria de Araújo Melo
RESUMO
Os cimentos Portland Compostos são comumente utilizados na construção civil, dentre
eles destacam-se os CPII-Z, CPII-F e o CPIV. Estes tipos de cimento têm sua aplicação
limitada para cimentação de poços de petróleo, tendo em vista suas características
composicionais direcionadas especificamente para a construção civil. Cimentos para uso
em poços de petróleo possuem uma maior complexidade e propriedades que dão suporte
às necessidades especificas para cada poço a ser revestido. Para as operações de
cimentação de poços petrolíferos, são usados cimentos Portland desenvolvidos
especialmente para tal finalidade de acordo com as normas API (American Petroleum
Institute), os quais são classificados por classes, designadas pelas letras de A a J. Na
indústria do petróleo, comumente se utiliza o cimento da classe G, por ser um cimento
que atende praticamente todas as condições previstas para os cimentos das classes A até
E. De acordo com o cenário descrito acima, esse trabalho teve como objetivo apresentar
uma alternativa confiável para aplicação de cimentos compostos na indústria do
petróleo em função da grande disponibilidade destes cimentos em relação aos cimentos
petrolíferos. Os cimentos foram caracterizados microestruturalmente através de ensaios
de FRX, DRX e MEV, tanto em seu estado anidro quanto hidratado. Posteriormente,
foram realizados ensaios tecnológicos para determinar os limites estabelecidos pela
norma NBR 9831. Dentre os cimentos compostos estudados, o cimento CPII-Z
apresentou propriedades satisfatórias para aplicação em operações de cimentação
primária e secundária de poços petrolíferos até 1200 metros.
Palavras-chaves: cimento Portland, cimento composto, ensaios tecnológicos, cimentação.
ABSTRACT
The Compound Portland cements are commonly used in construction, among them
stand out the CPII-Z, CPII-F and CPIV. These types of cement have limited application
on oil well cementing, having its compositional characteristics focused specifically to
construction, as cement for use in oil wells has greater complexity and properties
covering the specific needs for each well to be coated. For operations of oil wells
cementing are used Portland cements designed specifically for this purpose. The
American Petroleum Institute (API) classifies cements into classes designated by letters
A to J. In the petroleum industry, often it is used Class G cement, which is cement that
meets all requirements needed for cement from classes A to E. According to the
scenario described above, this paper aims to present a credible alternative to apply the
compound cements in the oil industry due to the large availability of this cement in
relation to oil well cements. The cements were micro structurally characterized by
XRF, XRD and SEM tests, both in its anhydrous and hydrated state. Later technological
tests were conducted to determine the limits set by the NBR 9831. Among the
compound cements studied, the CPII-Z showed satisfactory properties for use in
primary and secondary operations of oil wells up to 1200 meters cementing.
key-words: Compound Portland cement, oil well, primary cementing, cement slurry.
“A mente que se abre a uma nova idéia, jamais voltará ao seu tamanho original”.
Albert Einstein.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à Deus, que é o grande Mestre do Universo,
Meus pais: Luiz Idelson Belem (in memorium) e Maria Eulina Teles Belem
Minhas filhas: Ana Camilla Ribeiro Belem e Gabriela Ribeiro Belem
Aos professores que deram sua contibuição para minha formação acadêmica tornando possível a realização desse sonho.
A todas as pessoas que contibuiram para conclusão desse trabalho
AGRADECIMENTOS
É com imensa alegria que concluo este trabalho, agradeço imensamente a Deus em primeiro lugar, por ter proporcionado todas as condições necessárias à conclusão.
Agradeço a Ana Tereza, minha esposa, por estar ao meu lado, pelo seu apoio nessa jornada.
À professora Dulce Maria de Araújo Melo, minha orientadora, pela paciência e pelas relevantes contribuições dadas ao trabalho.
Ao professor Marcus Antonio de Freitas Melo, pelo estímulo e pelas relevantes contibuições dadas ao trabalho.
Ao Professor Júlio Cezar de Oliveiras Freitas, pelo incentivo e pela importância ímpar para a realização das pesquisas.
À empresa Petrobrás na pessoa do então chefe Francisco de Assis Parente Filho pelo incentivo a conclusão do trabalho.
À equipe do laboratório de cimento (LABCIM) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) que colaboraram abrindo as portas para pesquisa e experimentação necessária a este estudo,.em especial aos engenheiros: Bruno Sena, Danilo Ribeiro, Felipe Oliveira e Rodrigo Santiago.
Aos membros da banca examinadora, pelas sugestões dadas para o engrandecimento dessa dessertação: Prof .Dr. Marcus Antonio de Freitas Melo, Prof. Dr. Alfredo Ismael Garnica Curbelo, Prof. Dr. Júlio Cézar de Oliveira Freitas, Prof. Dr. Eledir Vitor Sobrinho.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................. 2
2. ASPECTOS TEÓRICOS.................................................................................................... 4
2.1. CIMENTOS ............................................................................................................................................. 4
2.2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO ................................................................................................................... 4
2.3. CIMENTO PORTLAND............................................................................................................................. 4
2.4. CONSTITUINTES DO CIMENTO PORTLAND.............................................................................................. 4
2.4.1. Clínquer........................................................................................................................................... 4
2.4.2. Adições ............................................................................................................................................ 4
2.5. PARÂMETROS QUÍMICOS DA MISTURA CRUA DE CIMENTO ..................................................................... 4
2.6. CÁLCULO POTENCIAL DE BOGUE .......................................................................................................... 4
2.7. MINERALOGIA DO CLÍNQUER ................................................................................................................ 4
2.7.1. Silicato tricálcico (C3S) ................................................................................................................... 4
2.7.2. Silicato dicálcico (C2S).................................................................................................................... 4
2.7.3. Aluminato tricálcico (C3A) .............................................................................................................. 4
2.7.4. Ferro-aluminato tetracálcico (C4AF).............................................................................................. 4
2.7.5. Cal livre ........................................................................................................................................... 4
2.7.6. MgO................................................................................................................................................. 4
2.7.7. Outros componentes ........................................................................................................................ 4
2.8. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CIMENTO PORTLAND ................................................................................... 5
2.9. TIPOS DE CIMENTO PORTLAND .............................................................................................................. 5
2.9.1. Cimentos Portland comuns e compostos ......................................................................................... 5
2.9.1.1. Cimentos Portland de Alto-Forno e Pozolânicos....................................................................................5
2.9.1.2. Cimento Portland de Alta Resistência Inicial.........................................................................................5
2.9.1.3. Cimentos Portland resistentes aos sulfatos .............................................................................................5
2.9.1.4. Cimentos Portland de baixo calor de hidratação ....................................................................................5
2.9.1.5. Cimento Portland branco........................................................................................................................5
2.9.2. Cimento Portland para poços petrolíferos ...................................................................................... 5
2.9.2.1. Cimento Portland classe G .....................................................................................................................5
2.9.2.2. Cimento Portland Especial .....................................................................................................................5
2.9.3. Propriedades do cimento Portland.................................................................................................. 5
2.9.3.1. Propriedades físicas................................................................................................................................5
2.9.3.2. Propriedades químicas............................................................................................................................5
2.10. HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND ................................................................................................. 5
2.10.1. Hidratação dos silicatos (C3S e βC2S)............................................................................................. 5
2.10.2. Hidratação dos aluminatos (C3A e C4AF) ....................................................................................... 5
2.11. CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO .................................................................................................. 6
2.12. TIPOS DE CIMENTAÇÃO ......................................................................................................................... 6
2.12.1. Cimentação Primária ...................................................................................................................... 6
2.12.2. Cimentação Secundária................................................................................................................... 6
2.12.2.1. Compressão de cimento (Squeeze).........................................................................................................6
2.12.2.2. Tampão ..................................................................................................................................................6
2.12.2.3. Recimentação .........................................................................................................................................6
2.12.3. Objetivos das operações de cimentação.......................................................................................... 6
2.12.4. Aditivos para cimentação ................................................................................................................ 6
2.12.4.1. Aceleradores de pega .............................................................................................................................6
2.12.4.2. Dispersantes ...........................................................................................................................................6
2.12.4.3. Antiespumante .......................................................................................................................................6
2.12.5. Retardadores de pega...................................................................................................................... 6
2.12.6. Controladores de filtrado ................................................................................................................ 6
2.13. EQUIPAMENTOS DE CIMENTAÇÃO.......................................................................................................... 6
2.13.1. Silos de cimento............................................................................................................................... 6
2.13.2. Unidades de cimentação.................................................................................................................. 6
2.13.3. Cabeça de cimentação..................................................................................................................... 6
2.13.4. Bombeio da pasta de cimento .......................................................................................................... 6
3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL............................................................................... 8
3.1. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................................ 8
3.1.1. Cálculos e formulações das pastas cimentantes.............................................................................. 8
3.1.2. Mistura e homogeneização das pastas formuladas ......................................................................... 8
3.1.3. Determinação das propriedades reológicas.................................................................................... 8
3.1.4. Teste de consistometria ................................................................................................................... 8
3.1.5. Determinação do teor de água livre ................................................................................................ 8
3.1.6. Teste de Perda de Filtrado .............................................................................................................. 8
3.1.7. Teste de Resistência à Compressão ................................................................................................. 8
3.1.8. Teste de Estabilidade....................................................................................................................... 8
3.2. ANÁLISES E CARACTERIZAÇÕES ............................................................................................................ 8
3.2.1. Fluorescência de raios X (FRX).................................................................................................................... 8
3.2.2. Difração de raios X (DRX) .............................................................................................................. 8
3.2.2.1. Método de Rietveld ................................................................................................................................8
3.2.3. Análise térmica (Análise termogravimétrica – TG)......................................................................... 8
3.2.4. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)................................................................................. 8
3.2.5. Determinação de cal livre ............................................................................................................... 8
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 10
4.1. CARACTERIZAÇÃO DOS CIMENTOS ANIDROS E HIDRATADOS ............................................................... 10
4.1.1. Fluorescência de raios-X (FRX).................................................................................................... 10
4.1.2. Difração de raios-X (DRX)............................................................................................................ 10
4.1.3. Granulometria ............................................................................................................................... 10
4.1.3.1. Análise granulométrica a laser .............................................................................................................10
4.1.4. Análise termogravimétrica (TG).................................................................................................... 10
4.1.5. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ................................................................................ 10
4.1.6. Determinação de cal livre ............................................................................................................. 10
4.2. ENSAIOS TECNOLÓGICOS PARA ESPECIFICAÇÃO DOS CIMENTOS (NBR-9831) ..................................... 10
4.2.1. Determinação dos parâmetros reológicos..................................................................................... 10
4.2.2. Determinação do teor de água livre .............................................................................................. 10
4.2.3. Teste de consistometria ................................................................................................................. 10
4.2.4. Teste de resistência à compressão................................................................................................. 10
4.3. PROPOSTAS DE PASTAS PARA OPERAÇÕES DE CIMENTAÇÃO PRIMÁRIA E SECUNDÁRIA
(SQUEEZE). 10
4.3.1. Sistema de pasta para operação de cimentação primária (800 metros) ....................................... 10
4.3.2. Sistema de pasta para operação de squeeze (1200 metros) .......................................................... 10
5. CONCLUSÕES................................................................................................................ 12
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 13
Capítulo 1
Introdução
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 2
1. Introdução
As pastas de cimento são utilizadas na cimentação de poços petrolíferos com
o objetivo de vedar, fixar o revestimento e dar suporte mecânico ao poço. Após a
descida da coluna de revestimento, o espaço anular entre o revestimento e a formação
rochosa é preenchido com cimento, de modo a fixar a tubulação e evitar que haja
migração de fluidos entre as diversas zonas permeáveis atravessadas pelo poço,
(Thomas, 2001). Tal operação é chamada de cimentação primária. A cimentação
secundária envolve as operações emergenciais de cimentação para correção da
cimentação primária, tamponar canhoneados e reparar vazamentos no revestimento.
Tampão de cimento, recimentação e compressão de cimento (squeeze) são os tipos de
cimentação secundária.
A qualidade da cimentação primária é de fundamental importância para o
ciclo de vida de um poço, razão pela qual qualquer deficiência no isolamento requer
operações de correção desta cimentação, representando custos adicionais no processo de
construção do poço. Para que a pasta de cimento atenda aos requisitos exigidos nessa
operação, é importante que alguns cuidados no projeto de execução de uma pasta sejam
tomados. Os fatores que influenciam a cimentação devem ser levados em consideração
para a obtenção de uma pasta de cimento com composição adequada. Na grande maioria
dos casos, é necessária a adição de produtos químicos ao cimento para modificar suas
propriedades, conforme as condições do poço ou operação e assim obter formulações
que possam se deslocar no interior do revestimento, preencher o espaço anular, cobrindo
as zonas de interesse. Atualmente, existe uma variedade muito grande de aditivos
fornecidos, principalmente, por empresas multinacionais, tanto na forma líquida quanto
na sólida (Costa, 2004).
As pastas de cimento devem apresentar reologia adequada para que estas
possam ser bombeadas para grandes profundidades, onde as condições de temperatura e
pressão quase sempre são elevadas. Estas pastas cimentícias devem apresentar
propriedades mecânicas de resistência à compressão, a capacidade de aderência,
tenacidade à fratura e durabilidade compatíveis com os esforços solicitantes durante as
operações de cimentação e ao longo do tempo em que o poço se encontre em operação
(Anjos, 2009).
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 3
Para as operações de cimentação de poços petrolíferos são usados cimentos
Portland desenvolvidos especialmente para tal finalidade. O American Petroleum
Institute (API) classificou os cimentos em classes, designadas pelas letras de A a J, cada
um com sua função, dependente das condições de uso como a profundidade e a
temperatura dos poços. Na indústria do petróleo, comumente se utiliza o cimento da
classe G ou H, por ser um cimento que atende praticamente todas as condições previstas
para os cimentos das classes A até F. Como alternativa ao cimento Portland classe G
para uso em poços de petróleo foi desenvolvido um cimento denominado Portland
Especial, com a finalidade de abastecimento da região Nordeste do Brasil.
Dados do Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC) apontam que o
Brasil é o quinto maior consumidor mundial, com um consumo aproximado de 52
milhões de toneladas por ano. A expansão da demanda de cimento reflete e afirma o
crescimento da economia brasileira. Desse montante, aproximadamente 98% é
destinado para construção civil enquanto que apenas 2% são destinados para as
atividades relacionadas à indústria petrolífera. Como se percebe, a atividade de
construção civil é responsável pela maior parte do consumo direto de cimento no Brasil.
O cimento Portland é o principal insumo da construção civil. O cimento é
feito basicamente a partir de uma mistura de calcário e argila. Essas matérias-primas,
calcinadas a altas temperaturas, dentro de um forno rotativo horizontal de grandes
dimensões, produz um insumo intermediário denominado clínquer. A mistura do
clínquer com uma pequena proporção de gesso, misturado no final do processo
produtivo, gera o cimento.
Para cada tonelada de cimento, é necessário o emprego de 1,4 toneladas de
calcário. Por isso, para diminuir o custo do transporte, as fábricas se localizam, quase
sempre, junto a jazidas desta matéria-prima. O calcário, por sua vez, é relativamente
abundante na natureza, embora a qualidade e porte das jazidas sejam variáveis.
O cimento também pode ter uma outra composição além da tradicional,
principalmente quando se adiciona a sua composição cinzas de carvão (cimento
pozolânico), escórias de alto-forno e materiais carbonáticos; fatores estes que
promovem um custo baixo ao valor final do cimento, devido o baixo custo de sua
produção. Também existem outros diferentes tipos de cimentos como, por exemplo,
cimento de alta resistência, cujo poder ligante é ativado com maior rapidez do que o
cimento comum e o cimento branco.
Capítulo 1: Introdução
Francisco Aldemir Teles Belem, outubro de 2010. 4
Ao incorporar um resíduo ao cimento Portland altera-se as características dos
aglomerantes, entretanto, as condições específicas, podem ser preservadas bem como o
seu desempenho. A incorporação de resíduo ao cimento poderá possibilitar a redução da
quantidade de clínquer por m3 de concreto/argamassa.
Algumas das razões que motivaram a realização desta pesquisa foram:
a) Otimização da exploração de petróleo por meio da redução de seus custos
operacionais;
b) Utilização do cimento Portland, como um material mais accessível para a cimentação
de poços rasos, até 1200m, em função de suas características tecnológicas e
econômicas;
c) Oferecer uma alternativa segura e abundante a fim de suprir as necessidades das
operações de cimentação de poços petrolíferos na região nordeste, principalmente;
O cenário atual requer nova abordagem tecnológica para o estudo dos
materiais de construção constituintes das argamassas. É preciso considerar na sua
formulação a ação dos diferentes constituintes dos aglomerantes, inclusive do ponto de
vista do comportamento reológico, uma vez que as propriedades no estado endurecido
são consequências das propriedades no estado fresco (Cardoso; Pileggi; John, 2005).
Não se pode prescindir do emprego sustentável dos novos materiais. Assim sendo, as
adições minerais ativas ao clínquer ou o emprego de um conjunto de adições minerais
associadas como aglomerantes alternativos para aplicação em compósitos cimentícios,
estão assumindo também a sua importância.
Tendo em vista o baixo valor unitário da tonelada de cimento versus o custo
dispendioso do transporte, será mais viável para a indústria do petróleo a utilização de
cimentos fabricados mais próximos à região onde este será consumido.
A sustentabilidade das atividades econômicas é um dos principais desafios
enfrentados pela humanidade neste século XXI. É urgente e necessária, a busca por
desenvolvimento de projetos voltados ao uso racional dos recursos naturais. Essas ações
devem visar, basicamente, satisfazer necessidades técnicas e sócio-econômicas, porém
sem comprometer a qualidade de vida da população atual ou das futuras gerações.
Diante do exposto, foram realizados estudos que buscaram avaliar as
propriedades do cimento Portland composto como material cimentante de poços
petrolíferos, com objetivo de verificar a possibilidade futura da utilização desse material
como alternativa ao uso do cimento Portland classe G e cimento Portland Especial.
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