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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.

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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.

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DESENVOLVIMENTO DE PASTAS CIMENTANTES UTILIZANDO

CIMENTOS PORTLAND COMPOSTOS PARA CIMENTAÇÃO DE

POÇOS PETROLÍFEROS

Francisco Aldemir Teles Belém

Natal/RN, Outubro de 2010.

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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

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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.

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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.

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“A mente que se abre a uma nova idéia, jamais voltará ao seu tamanho original”.

Albert Einstein.

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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

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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.

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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

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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

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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

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Capítulo 1

Introdução

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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).

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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.

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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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Referências

Referências

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mineralógica por microscopia de luz transmitida, difratometria de raios-X e análise

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1984.

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utilização do cimento portland: BT-106. 7 ed. São Paulo: [s.n.] 2002. 28 p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBRNM23:

cimento portland e outros materiais em pó – determinação de massa específica. Rio de

Janeiro, 2001.

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cimento portland – determinação da finura pelo método de permeabilidade ao ar

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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 5751:

materiais pozolânicos – determinação de atividade pozolânica – índice de atividade

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cimento portland - determinação da resistência à compressão. Rio de Janeiro, 1996.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 11172:

aglomerantes de origem mineral. Rio de Janeiro, 1990.

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materiais pozolânicos. Rio de Janeiro, 1992.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cimento Portland-

Determinação de perda ao fogo. NBR 5743. Rio de Janeiro: 1989. 3 p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cimento Portland-

Determinação do resíduo insolúvel. NBR 5744. Rio de Janeiro: 1989. 3 p.

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Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cimento Portland –

Determinação de óxido de cálcio livre pelo etileno glicol. NBR 7227. Rio de Janeiro:

1989. 3 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cimento

Portland destinado à cimentação de poços petrolíferos. NBR 9831. Rio de Janeiro:

1993. 3 p.

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