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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET

PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS – PETROBRAS – PRH - PB - 222

LABORATÓRIO DE PESQUISA EM PETRÓLEO - LAPET

Bruno Henrique de Albuquerque Pereira

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DOS POLISSACARÍDEOS E SAIS ORGÂNICOS NAS

PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO AQUOSOS

Dezembro – 2015

Natal – RN


Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas propriedades

físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao curso de Química do

Petróleo – Bacharelado, da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como

parte integrante dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de bacharel em

Química do Petróleo.

Orientador: Profª. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban

Dezembro – 2015

Natal – RN

Catalogação da Publicação na Fonte

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Pereira, Bruno Henrique de Albuquerque.

Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas

propriedades físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos /

Bruno Henrique de Albuquerque Pereira. - Natal, 2016.

37f: il.

Orientador: Rosangela de Carvalho Balaban.

Monografia (Bacharel em Química do Petróleo) - Universidade

Federal do Rio Grande do Norte. Instituto de Química.

Coordenação de Química do Petróleo.

1. Físico-Quimica. 2. Fluido de perfuração. 3. Salmoura.

4. Biopolímeros. I. Balaban, Rosangela de Carvalho. II.

Título.

RN/UF/BSE-IQ CDU 544


Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas propriedades físico-

químicas de fluidos de perfuração aquosos

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao curso de Química do

Petróleo – Bacharelado, da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como

parte integrante dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de bacharel em

Química do Petróleo.

Aprovado em de dezembro de 2015.

____________________________________

Profª. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban

Orientadora – UFRN

____________________________________

Profª. Dra. Ana Catarina da Rocha Medeiros - UFRN

____________________________________

Dr. Oldemar Ribeiro Cardoso - UFRN

Aos meus pais...

“I am the master of my fate.

I am the captain of my soul.”

William Ernest

AGRADECIMENTOS

Agradeço, primeiramente, aos meus pais e ao meu irmão por todo o amor e

compreensão que tiveram durante todo esse processo, onde mesmo distantes fisicamente,

fizeram o possível para que eu sentisse que os tinha ao meu lado.

Ao meu outro núcleo familiar, pois sei que todos torcem pelo meu sucesso.

Aos meus melhores amigos Jonilson, Vitor e Ariel, por todas as horas de conversa e

por me mostrarem um novo significado de família. Quando foi difícil pra eu ser eu mesmo,

vocês fizeram com que eu me sentisse abraçado.

Aos meus grandes amigos, que sempre estiveram ao meu lado Afonso, Andressa,

Beatriz, Geddara, Natália, Nathália, Nayara e Priscila, vocês ajudaram a construir a pessoa

que eu sou hoje. Obrigado por me mostrarem uma nova forma de amor.

Aos meus mais antigos amigos Artur, Altair, Bia, Bruno, Damácio, Dannylo, Juliette e

Victor, e também ao que adentrou ao grupo recentemente, Vinícius. Vocês são pessoas

incríveis e que me apoiaram sempre, sou muito grato por vocês estarem presentes em minha

vida.

Aos meus amigos de curso Alyxandra, Bruna, Fernanda, Gabizinha, Gabizona,

George, Isadora, Letícia, Maxwell e Victor. Eu não esperava conhecer pessoas tão incríveis

quanto vocês, obrigado por me ajudarem durante todo esse processo. Em especial quero

agradecer a Gabriel, Nathália e Tatyane, por todos os conselhos dados e histórias

compartilhadas.

À professora Drª. Rosangela de Carvalho Balaban pela orientação, por todo o

conhecimento passado, pelo constante incentivo à evolução pessoal como aluno e pesquisador

e por acreditar em mim.

À equipe do LAPET, em especial a Luciana Carvalho, por todo o conhecimento

compartilhado e disposição para ajudar sempre que foi necessário.

Ao PRH-PB-222 pelo incentivo financeiro fornecido durante todos esses anos e pela

concessão do título de capacitação de recursos humanos na área de petróleo e gás natural.

À UFRN e ao Instituto de Química pelo conhecimento adquirido durante toda a

jornada.

RESUMO

Em decorrências das grandes restrições ambientais quanto ao uso de fluidos de

perfuração à base de óleo, os biopolímeros assumem grande importância na composição dos

fluidos à base de água, em decorrência das propriedades que eles proporcionam à lama.

Porém, a relação entre a estrutura química do polissacarídeo e as propriedades dos fluidos de

perfuração não é tão comumente estudada. Este trabalho apresenta um estudo da contribuição

dos polissacarídeos nas propriedades dos fluidos de perfuração aquosos, procurando

estabelecer a correlação entre a estrutura química da Goma Xantana, Goma Guar e o

Hidroxipropilamido e as propriedades observadas na lama. As gomas Xantana e Guar

apresentaram desempenho significativo como modificadores reológicos. Isso ocorre, dentre

outros fatores, pela sua elevada massa molar e conformação adotada pela cadeia polimérica

em solução. O Hidroxipropilamido, por sua vez, se destacou não como modificador reológico,

mas como agente controlador de filtrado, formando um reboco de baixa permeabilidade.

Estudou-se também as mudanças causadas nos parâmetros reológicos e de filtração com a

alteração da salmoura de NaCl para salmoura de sais orgânicos, no caso, o formiato de sódio

(HCOONa), formiato de potássio (HCOOK), acetato de sódio (CH3COONa) e acetato de

potássio (CH3COOK), pois isso acarretaria um ganho ambiental elevado, já que muitas vezes

o descarte dos fluidos de perfuração em sondas on-shore ocorre de forma indiscriminada.

Quando a salmoura constituinte do fluido é composta por NaCl, o íon Cl- lixivia o solo e pode

contaminar aquíferos, tornando a água imprópria para o uso. Foi verificado que a alteração da

salmoura de NaCl por salmouras de sais orgânicos não apresentou prejuízos nos parâmetros

reológicos e de filtração, sugerindo que os sais orgânicos podem propiciar fluidos de

perfuração tecnicamente viáveis e de menor impacto ambiental. Entretanto, os sais orgânicos

apresentam como desvantagem o seu maior custo.

Palavras-chave: Fluidos de perfuração, salmoura, polímeros

ABSTRACT

Due to the main environmental restrictions regarding the use of oil-based drilling

fluids, there is an increasing interest in the use of biopolymers in the composition of water-

based fluids, due to the properties they provide to the mud. However, the relation between the

polysaccharide's chemical structure and the drilling fluids properties is not commonly studied.

The following work intends to establish the polysaccharide's contributions into aqueous

drilling fluids properties, seeking to set a correlation among the chemical structure of Xanthan

Gum, Guar Gum and Hydroxypropyl Starch, and the properties observed on mud. Xanthan

Gum and Guar Gum showed a significant performance as rheological modifiers. This occurs,

among other factors, because their high molar mass and employed conformation by the chain

in the solution. The Hydroxypropyl Starch did not stand out as a rheological modifier, but as a

filtrate controller agent, forming a low permeability cake. Furthermore, it was studied the

changes caused in rheological and filtration parameters altering the brine of NaCl to an

organic salts brine, in this case, Sodium formate (HCOONa), Potassium formate (HCOOK),

Sodium acetate (CH3COONa) and Potassium acetate (CH3COOK), because this would cause

a high environmental gain, since the disposal of drilling fluids at on-shore probes often occurs

indiscriminately. When the constituted brine is composed of NaCl, the Cl- ion leaches the soil

and can pollute aquifers, making the water unsafe for usage. it was verified that the change

from the NaCl brine to the organic salts brine did not present any detriment in the rheological

and filtration parameters, thus showing the organic salts can provide technically feasible

fluids with less environmental impact. Although, regarding the salt's cost, the use of organic

salts presents the downside of being considerably more expensive.

Key-words: Drilling fluid, brine, biopolymers

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Representação esquemática da estrutura química da Goma Xantana........... 15

Figura 2 Representação esquemática da estrutura química da Goma Guar................ 16

Figura 3 Representação esquemática da estrutura química do Hidroxipropilamido... 16

Figura 4 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em água

industrial, a 1022s-1 e 25°C...........................................................................

28

Figura 5 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de

NaCl 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C..............................................................

29


HCOONa e HCOOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C....................................

30


CH3COONa e CH3COOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C............................

30

Figura 8 Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma

xantana, goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de

NaCl, a 25°C.................................................................................................

31


xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmoura de

NaCl, a 25°C nas taxas de cisalhamento entre 100 e 1000 s-1......................

32


xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmouras de

HCOONa e HCOOK, a 25°C........................................................................

33


xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmouras de

CH3COONa e CH3COOK, a 25°C................................................................

33

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Composição do fluido de perfuração a ser estudado....................................... 26

Tabela 2 Volume de filtrado dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma

xantana e goma guar, a 25°C e 100 psi...........................................................

34

SUMÁRIO

1 Introdução.......................................................................................................... 11

2 Objetivos............................................................................................................. 14

3 Referencial teórico............................................................................................. 15

3.1 Os polímeros utilizados....................................................................................... 15

3.2 Os sais utilizados................................................................................................. 17

3.3 Fluidos de perfuração.......................................................................................... 17

3.4 Propriedades de filtração..................................................................................... 18

3.5 Propriedades reológicas....................................................................................... 18

3.6 Estudos reportados na literatura.......................................................................... 19

4 Materiais e métodos........................................................................................... 25

4.1 Análises físico-químicas dos fluidos de perfuração............................................ 25

5 Resultados e discussão...................................................................................... 28

6 Conclusão........................................................................................................... 35

Referências......................................................................................................... 36

11

1. INTRODUÇÃO

São diversas as abordagens sobre a definição de um fluido de perfuração. Segundo o

Instituto Americano de Petróleo (API), o fluido de perfuração é o fluido circulante apto

a tornar a operação de perfuração executável. Dando um enfoque químico a isso, o mesmo

pode ser caracterizado como uma suspensão, dispersão coloidal, ou emulsão (Silva, 2003). Na

indústria petrolífera, existem fluidos de perfuração de diferentes tipos, sendo classificados de

acordo com a fase contínua, que é aquela onde os aditivos serão dispersos, podendo ser:

fluidos à base de água, fluidos à base de óleo e pneumáticos ou fluidos à base de gás. Uma

nova categoria vem sendo otimizada, que são os fluidos sintéticos, onde os compostos

químicos constituintes são ésteres, éteres, polialfaolefinas, glicóis, glicerinas, entre outros

(Caenn et. al, 1995).

O tipo de fluido escolhido para uma operação de perfuração depende da formação a

ser perfurada, da profundidade, da resistência mecânica do poço, da pressão de poro, entre

outros. Independente do tipo de fluido de perfuração, as suas principais atribuições são:

estabilização do poço, carreamento de cascalhos, formação de um reboco fino e pouco

permeável na parede do poço, controle da pressão de formação e o resfriamento e lubrificação

da broca (González et. al, 2011; Amorim et. al, 2005).

Não existe um fluido que seja adequado para todas as situações. O êxito de uma

operação de perfuração depende de forma direta da escolha do fluido de perfuração

apropriado para aquele poço. A seleção do fluido de perfuração a ser utilizado depende de

diversos fatores a serem estudados, como: (a) impacto ambiental; (b) temperatura e pressão da

zona a ser perfurada; (c) características geológicas da zona a ser perfurada; (d) trajetória do

poço (inclinação do poço); (e) economicidade (Thomas, 2004).

Como dito, existem variados tipos de fluidos de perfuração, e alguns são

extremamente poluentes. A necessidade de um desenvolvimento sustentável nos campos de

petróleo tornou imprescindível a introdução de fluidos de perfuração de baixo potencial de

contaminação. Esses fluidos são, normalmente, à base de água e recebem a aditivação de

biopolímeros, devido a sua disponibilidade, comportamento reológico expressivo e baixo

impacto ambiental (Dolz et. al, 2006).

Os fluidos biopoliméricos já vêm sendo utilizados desde os anos 80. A sua

característica primordial é o fato de fluidos à base de água se assemelharem muito a fluidos à

base de óleo quando os biopolímeros são utilizados como aditivos. Estes são utilizados em

situações severas, surgindo como alternativa aos fluidos à base de óleo. Apesar do elevado

12

custo, esse tipo de fluido apresenta vantagens como um baixo teor de sólidos em suspensão,

altas velocidades de penetração da broca e maior grau de inibição do inchamento de argilas

presentes na formação rochosa.

Com o crescimento da preocupação dos impactos ambientais causados pelos fluidos de

perfuração base óleo, resultado da implementação de uma legislação ambiental extremamente

rígida, ocorreu um aumento significativo quanto ao uso dos fluidos à base de água. Um

aspecto importante dos fluidos base água é a escolha e teste de polímeros solúveis em meio

aquoso para o controle de alguns dos principais parâmetros, assegurando as funções primárias

de fluidos: equilíbrio de propriedades reológicas, controle de filtrado e estabilidade do poço.

Os polímeros mais utilizados são os derivados de polissacarídeos e os polímeros sintéticos. Os

critérios de escolha para aplicação envolvem as estabilidades química, térmica e mecânica,

que são propriedades afetadas pelas condições da formação (pH, salinidade, temperatura e

pressão, etc) (Xie & Lecoutier, 1991).

Nos últimos anos, a indústria dos fluidos de perfuração tem obtido avanços

significativos quanto à otimização dos fluidos para uma minimização dos danos ao

reservatório. Estudos vêm sendo desenvolvidos quanto à seleção de biopolímeros e amidos

modificados para aplicação nos fluidos. Apesar de os fluidos à base de água não afetarem a

molhabilidade do reservatório, foi percebido que eles podem reduzir a permeabilidade deste,

isso ocorre por causa da estrutura química dos diferentes polímeros utilizados, que tendem a

adsorver em componentes hidrofílicos da rocha reservatório. Grande parte dos estudos

desenvolvidos sobre a tecnologia de fluidos foi focado na seleção de um material de ponte,

objetivando a redução do volume de filtrado durante os primeiros minutos de invasão e

redução na taxa total de invasão por filtração (Audibert-Hayet et. al, 2006).

Quando se trata de formações de folhelhos reativos, é muito comum o uso de sais

inorgânicos de cloreto, como o NaCl, que irá atuar saturando o fluido de perfuração, evitando

influxo de fluidos da formação por meio do efeito de osmose.

No desenvolvimento desse estudo foram inicialmente analisadas as

propriedades reológicas de três biopolímeros em meios salino e aquoso, são eles: a Goma

Xantana, a Goma Guar e o Hidroxipropilamido. Seguido a isso foi estudada a influência dos

polissacarídeos em fluidos de perfuração à base de água, observando a correlação existente

entre as propriedades físico-químicas do fluido e a estrutura química do polissacarídeo

adicionado. Além disso, foi investigada a possibilidade de mudança do sal utilizado na

salmoura de dispersão dos aditivos, que passou de NaCl para formiatos e acetatos de sódio e

13

potássio, visando a redução nos impactos ambientais causados pelo descarte dos fluidos,

principalmente em sondas on-shore.

A Goma Xantana é um biopolímero ramificado, de caráter aniônico e apresenta alta

massa molar. É obtida por meio de fermentação microbiológica em condições aeróbias, pela

bactéria Xanthomonas campestris. Devido a sua estabilidade térmica e propriedades

reológicas, é muito utilizada em fluidos de perfuração (Petri et. al, 2009). Ela pode adotar

conformação de simples, dupla ou tripla hélice (Hamed et. al, 2009). A Goma Guar pertence a

grande família das galactomananas, ocorrendo na natureza no endosperma de sementes de

leguminosas, em particular da Cyamopsis tetragonolobus, onde pode atuar como materiais de

reserva para germinação. É um polímero de elevada massa molar, que quando dissolvido em

meio aquoso apresenta a conformação de novelo aleatório. O comportamento reológico das

soluções de goma guar ainda é objeto de debate, não sendo completamente claro devido as

associações complexas das cadeias, que não se relacionam com nenhum modelo específico

(Sandolo et. al, 2007). Por sua vez, o Hidroxipropilamido é um polímero de baixa massa

molar, quando comparado com os outros dois polissacarídeos supracitados, derivado do

amido (geralmente do milho), sendo obtido por meio de uma reação de eterificação.

As zonas de perfuração que estão sob condições extremas, que são comumente

conhecidas como zonas críticas, demandam um estudo aprofundado dos fluidos de perfuração

a serem utilizados no decorrer do processo. Há vários anos os fluidos poliméricos são

amplamente estudados para aplicação na perfuração de tais zonas e emprego em poços

horizontais. (Bradshaw et. al, 2006) Isso é resultado de uma legislação que tem se tornado

cada vez mais severa quanto à utilização de fluidos de base oleosa.

O descarte desse fluido, principalmente em sondas off-shore, se dá pelo despejo do

mesmo em um campo, e uma das caracterísricas dos íons Cl- é a sua capacidade de lixiviação.

Logo, ao descartar esse fluido em uma região que esteja acima de um lençol freático, os íons

Cl- em solução podem penetrar no solo e contaminar a reserva de água, onde há uma

delimitação por parte da CONAMA (Conselho Nacional Do Meio Ambiente) na concentração

de cloretos na água. Segundo a resolução CONAMA nº357/2005, a concentração máxima de

cloreto em água doce é de até 250ppm. Visando a diminuição nos impactos causados pelo

descarte inadequado, foi estudada a possibilidade de alteração do sal utilizado na formulação

dos fluidos.

14

2. OBJETIVOS

A principal contribuição científico-tecnológica desta pesquisa é a de fornecer um

enfoque químico ao estudo das propriedades reológicas e de filtrado dos fluidos de perfuração

aquosos quanto à adição de polissacarídeos em sua composição, mostrando a correlação entre a

estrutura química do mesmo e o comportamento observado no fluido, buscando justificar a

utilização de tais compostos na composição dos fluidos. Além disso, propõe-se a substituição

do sal utilizado na formulação, onde o mais amplamente utilizado é o NaCl, por sais

orgânicos, como formiatos e acetatos de sódio e potássio ocorrendo sem prejuízo nas

propriedades do fluido.

15

3. REFERENCIAL TEÓRICO

3.1 Os polímeros utilizados

Segundo Mano (1999), polímeros são macromoléculas caracterizadas por seu

tamanho, estrutura química e interações intra- e intermoleculares. Possuem unidades químicas

ligadas por covalências, repetidas regularmente ao longo da cadeia, denominadas meros. De

acordo com Pradella (2006), os biopolímeros são materiais poliméricos classificados

estruturalmente como polissacarídeos, poliésteres ou poliamidas. A matéria-prima utilizada

em sua manufatura provém de fontes de carbono renovável, onde é comumente utilizado

carboidrato derivado de plantios comerciais de larga escala, como milho e cana-de-açúcar.

Além disso, pode ser produzido também por meio de óleos vegetais.

A literatura sobre o estudo da Goma Xantana como aditivo em fluidos de perfuração

remete à 1991, com Xie e Lacoutier. Esta goma se caracteriza por ser um exopolissacarídeo

de caráter aniônico, produzido por fermentação pela bactéria Xanthomonas Campestris a

partir de carboidratos extraídos do milho ou cana-de-açúcar. Sua estrutura química foi

primariamente descrita como sendo constituída por unidades de (1-4) β-D-glucopiranosil,

tendo uma substituição em C-3 em todo resíduo de glucose com uma cadeia lateral de

trissacarídeo carregada. A Figura 1 é uma representação da estrutura química da Goma

Xantana (Khouryieh et al., 2007; Pradella, 2006; Xie et al., 1991).

Figura 1: Representação esquemática da estrutura química da Goma Xantana

Fonte: Banerjee et. al

A Goma Guar é um polissacarídeo que apresenta a estrutura geral das galactomananas.

Consiste de uma cadeia principal com unidade de (1-4) β-D-manopiranosil substituída em O-6

com uma cadeia lateral do monossacarídeo de α-D-galactopiranose. A goma guar é obtida da

semente da planta Guar, Cyamopsis tetragonolobus, é um heteropolissacarídeo hidrofílico de

elevada massa molar e que pode formar extensivas ligações de Hidrogênio em meio aquoso,

resultando em uma solvatação alta e elevada viscosidade. Ela apresenta um vasto uso como

16

viscosificante e agente estabilizante, principalmente na indústria farmacêutica. O estudo de

suas propriedades como agente viscosificante remete aos anos 80. Em solução, o polímero

apresenta conformação de novelo aleatório com certo grau de rigidez. Sua estrutura química

pode ser vista na Figura 2, com as devidas representações de seus ângulos de rotação por Φ

(Kapoor et. al, 2013; Khouryieh et. al, 2007; Laguna et. al, 2003; Robinson et. al, 1982).

Figura 2: Representação esquemática da estrutura química da Goma Guar.

Fonte: Laguna et. al

O hidroxipropilamido é um polímero de amido, geralmente obtido pela modificação

química do amido extraído de milho. A reação de produção do polissacarídeo em questão é

uma eterificação. A literatura sobre o uso desse polímero em específico é reduzida. A

estrutura química deste polissacarídeo pode ser observada na Figura 3.

Figura 3: Representação esquemática da estrutura química do Hidroxipropilamido

6,8

Fonte: Thormann

O uso de polímeros na indústria petrolífera já é conhecido desde 1950, onde foram

estudadas as seguintes gomas: Shiraz, Ghatti e Tragacanto. Os fluidos de perfuração

poliméricos foram desenvolvidos com a expectativa de substituição dos fluidos de perfuração

à base de óleo em poços de angulação crítica. Diversos sistemas constituídos primariamente

por água e polímero vêm sendo usados em poços horizontais, onde os sistemas mais

17

comumente utilizados são: (1) fluidos de celulose polianiônica, (2) fluidos de poliacrilatos, (3)

fluidos de poliacrilamida parcialmente hidrolisada. A aplicação dos polissacarídeos como

aditivos nas fluidos de perfuração se tornou comum, já tendo um vasto acervo na literatura de

estudos do emprego de diferentes polímeros (Caenn et. al, 1995; Chillingarian et. al, 1950;

Kimball et. al, 1991; Amorim et. al, 2005; Wan et. al, 2011; Bu et. al, 2013).

3.2 Os sais utilizados

O cloreto de sódio (NaCl) foi o primeiro sal a ser utilizado, isso é devido ao seu vasto

uso na indústria petrolífera, que é justificado pela sua grande disponibilidade, baixo custo e

alta eficiência no processo, além de ser o sal mais abundante na água do mar. É um sal que

produz soluções eletrolíticas que são capazes de restringir o fluxo hidráulico para a formação

rochosa (Rabe, 2003).

Howard (1995) estudou o uso de formiatos em fluidos para a estabilização de

folhelhos, justificando que as vantagens de seu uso são, primariamente, na sua habilidade de

reduzir o fluxo hidráulico do fluido para o folhelho por meio da alta viscosidade de seus

fluidos, e também devido a sua baixa atividade sob altas concentrações, capazes de gerar altas

pressões osmóticas. O contra fluxo é capaz de restringir o fluxo de fluido existente em direção

aos folhelhos.

Quando comparado aos cloretos, os formiatos apresentam como vantagem os fatos de

possuírem uma baixa toxicidade, serem biodegradáveis, compatíveis com polímeros, com os

sais presentes nos poros, possuírem um baixo potencial de corrosão e uma alta tolerância à

contaminação por sólidos. Além disso, eles inibem o crescimento microbiano e a formação de

gás (Rabe, 2003).

A utilização dos acetatos como aditivo em formulações de fluidos de perfuração não é

comumente reportada na literatura.

3.3 Fluidos de perfuração

A maior parte da literatura existente sobre fluidos de perfuração lista entre dez e vinte

funções e características que esses fluidos devem apresentar durante o processo. Em geral, as

mais importantes são: (1) Carrear os cascalhos formados no fundo do poço e permitir sua

separação na superfície, (2) Resfriar e lubrificar a broca, (3) Reduzir a fricção entre o drillpipe

e as paredes do poço, (4) Manter a estabilidade do poço, (5) Prevenir o influxo de fluidos da

formação, (6) Formar um reboco fino e de baixa permeabilidade, (7) Não danificar a

formação e (8) Não ser ofensivo ao meio ambiente (Chilingarian et. al, 1983; Darley et. al,

1988).

18

Pesquisas são continuamente feitas para melhorar o desempenho dos fluidos de

perfuração e novos aditivos são desenvolvidos com o intuito de afetar uma ou mais

propriedades, de acordo com o que é especificado pela API (American Petroleum Institute).

Grande parte do trabalho em novos compostos envolve o desenvolvimento de polímeros

modificados, ou até mesmo novos polímeros.

As propriedades a serem analisadas nos fluidos podem ser classificadas de duas

formas diferentes, são elas: propriedades físicas e propriedades químicas. As propriedades

físicas mais comumente medidas são os parâmetros reológicos, a densidade, forças géis,

parâmetros de filtração e o teor de sólidos. Estas são medidas para qualquer tipo de fluido,

enquanto que as propriedades químicas são utilizadas para distinguir certos tipos de fluido.

Dentre as propriedades químicas analisadas, destacam-se: o pH, os teores de cloreto e

bentonita, a alcalinidade e o teor de Cálcio e Magnésio (Thomas, 2004).

3.4 Propriedades da filtração

As propriedades da filtração necessárias para a efetividade das operações dependem

diretamente do tipo de formação a ser perfurada. No caso de formações constituídas por

carbonatos densos, arenitos e folhelhos, que são estáveis e com baixa permeabilidade, são

passíveis de serem perfuradas com um controle de filtrado mínimo. Porém, no caso de

formações que são constituídas por xistos muito sensíveis à água, o controle da filtração é

extremamente necessário, pois quando estas formações entram em contato com a água, elas

desenvolvem pressões de inchamento que provocam alargamento do poço. As propriedades

de filtrado nos poços de petróleo são normalmente estimadas através do teste de filtração API.

Nesse teste, o fluido de perfuração é submetido a filtrações estáticas através de papel de filtro

por 30 minutos, e o volume do filtrado e a espessura do reboco são medidos. Em um projeto

de programa de fluido, certo valor máximo é frequentemente estabelecido para o filtrado API,

sabendo que quanto menor o filtrado, maior a garantia de que as propriedades de filtração

adequadas serão mantidas. Entretanto, apenas o controle do volume do filtrado é altamente

duvidoso, devendo-se levar em consideração outros fatores, tais como: espessura do reboco,

permeabilidade, distribuição do tamanho de partículas e composição química do filtrado

(Gray et al., 1980).

3.5 Propriedades reológicas

Segundo Machado (2002), reologia é a ciência da deformação e do fluxo da matéria. É

um ramo da física relacionada com a mecânica dos corpos deformáveis.

O controle das propriedades reológicas é necessário para a efetividade da operação de

perfuração, já que a partir do comando destas propriedades, pode-se ter diversos ganhos,

19

como: (1) Minimização dos custos de bombeamento, (2) Maximização da velocidade de

penetração da broca, (3) Maior eficiência no deslocamento dos cascalhos gerados, (4)

Diminuição nas pressões do poço e da requerida para circular o fluido, (5) Maior facilidade na

separação dos sólidos perfurados e gás aprisionado no fluido na superfície e (6) Minimização

da erosão do poço. Essas propriedades influenciam o progresso da perfuração de muitas

outras formas. O desempenho insatisfatório pode levar a sérios problemas, tais como

desmoronamento do poço, prisão de ferramenta, velocidade de perfuração reduzida,

alargamento do poço, perda de circulação e mesmo um blowout. Em campo, a viscosidade do

fluido é medida principalmente de duas formas, por meio do funil Marsh ou do viscosímetro

de indicação direta. O funil Marsh é de grande utilidade, pois permite que seja possível

reportar periodicamente a consistência do fluido. Os viscosímetros de indicação direta são

equipamentos que se utilizam de cilindros concêntricos que permitem a avaliação da tensão de

cisalhamento em função da taxa de cisalhamento. (Gray et al., 1980).

3.6 Estudos reportados na literatura

Xie e Lecoutier analisaram em 1991 o comportamento da Goma Xantana em fluidos

de perfuração aquosos para aplicação em situações onde a salinidade do meio é elevada. Para

isso, o polieletrólito foi avaliado como um componente de suspensões argila/polímero, onde o

enfoque do estudo foi na estabilização polimérica, parâmetros reológicos e estabilidade

térmica das suspensões. Como resultado se obteve que as soluções de goma xantana são

estáveis na presença de elevadas concentrações de NaCl, com o pH variando entre 6 e 10.

Entretanto, a estabilidade na presença de Cálcio depende da natureza da amostra de goma,

especialmente no grau de substituição pelo piruvato. A estabilidade das suspensões

argila/goma xantana é afetada de acordo com a natureza e concentração dos polieletrólitos.

Um mínimo de concentração de goma xantana é requerido para que a suspensão seja

estabilizada. O mecanismo proposto para isso foi uma combinação de estabilização estérica e

eletrostática. Consequentemente, a eficiência de estabilização é afetada pela dependência da

goma xantana com a salinidade e das interações das partículas de argila. A viscosidade das

suspensões diminuiu com o aumento na salinidade, até mesmo com cátions divalentes, como

o Ca+2. A dependência da viscosidade com a temperatura está associada com a transição

conformacional das moléculas de goma xantana, que oscila entre ordenada e desordenada,

que, por sua vez, depende da salinidade. Além disso, a estabilidade térmica das suspensões é

garantida, principalmente, pelas moléculas de goma xantana em dupla hélice. As suspensões

ficam intactas até 120°C, em salinidade relativamente alta.

20

Kadaster et. al, em 1992, apresentaram resultados da aplicação de fluidos aquosos à

base de PHPA (poliacrilamida parcialmente hidrolisada) na perfuração de poços em diferentes

países. Eles concluíram que, a partir de algumas mudanças de procedimentos, tais como (1)

manutenção da concentração de poliacrilamida ativa no fluido em 1.0 lb/bbl e a

complementação periódica do polímero devido a eventuais perdas (degradação térmica); (2)

controle contínuo do volume de filtrado e (3) uso seletivo da água do mar ou NaCl para

inibição do inchamento das argilas, é possível se realizar operações com resultados

excepcionais a menores custos.

Pastor et. al analisaram em 1994 os efeitos da concentração de goma xantana, pH e

salinidade nas características de fluxo de soluções do polissacarídeo, em sua

pseudoplasticidade, consistência e outros fatores. O estudo foi realizado em 48 amostras que

foram preparadas seguindo um design fatorial, tendo 8 concentrações de goma xantana (0.05-

0.40%, w/v), dois valores de pH (3.5 e 6) e três valores de concentração de salinidade

diferentes (0, 0.25 e 0.50% de NaCl, m/v). Em geral, os efeitos da salinidade e do pH

dependem da concentração do hidrocolóide. A salinidade aumentou a pseudoplasticidade da

solução, porém sem mudança significativa entre 0.25% e 0.50% m/v de NaCl. A interação

entre a concentração de hidrocolóide e a salinidade foi significativa para os parâmetros de

consistência e plasticidade da solução. As amostras com a concentração de polímero superior

a 0.25% m/v e na presença de sal foram mais viscosas e mais plásticas. A interação entre

concentração e pH foi significante apenas para os valores de índice de consistência, onde

quando a concentração de polímero era inferior a 0.35% m/v, amostras com pH de 3.5

apresentavam elevados índices de consistência.

Em 2002, Bland et. al avaliaram o desempenho de fluidos de perfuração obtidos pela

combinação de duas fases: uma fase aquosa contendo poli (propileno glicol) e uma fase não

aquosa contendo um produto capaz de melhorar a velocidade de penetração do fluido/broca,

chamado “drilling enhancer”. Eles verificaram que o fluido de duas fases obtido apresentou

equivalência técnica e econômica comparável a dos fluidos de base sintética (fluido não

aquoso). Resultado semelhante foi obtido por Hoover et. al (2009), na perfuração de poços no

Texas.

Dolz et. al realizaram em 2005 o estudo de um fluido de perfuração oleoso

emulsionado em uma base aquosa, proporcionando um baixo índice de contaminação,

objetivando estudar as características de fluxo do fluido e o comportamento tixotrópico deste.

O fluido era composto por bentonita, em concentração que variava entre 6-12% (m/m) e

21

carboximetilcelulose sódica em duas concentrações diferentes. O estudo do comportamento

de fluxo resultou em uma fórmula empírica que aponta a tensão cisalhante como função da

concentração na formulação de bentonita e carboximetilcelulose sódica, tempo de agitação e a

taxa de cisalhamento. Para o estudo da tixotropia das diferentes formulações foi utilizado o

método dos ciclos de histerese. Cálculos foram feitos das áreas de tixotropia, obtendo uma

equação semi-empírica para essas áreas. Os resultados foram analisados com base na área

tixotrópica relativa e a tixotropia relativa total. Concluiu-se que as formulações estudadas

envolvendo bentonita e carboximetilcelulose sódica sob diferentes concentrações em água

exibiram um comportamento pseudoplástico. Um parâmetro foi encontrado que permite

comparar a tixotropia relativa entre os fluidos, concluindo que as formulações com menores

concentrações de bentonita e carboximetilcelulose sódica são as mais tixotrópicas.

Amorim et al. estudaram em 2005 o impacto causado nos parâmetros reológicos e de

filtração dos fluidos de perfuração hidroargilosos como resultado da adição de aditivos

poliméricos à base de celulose à formulação dos fluidos. Os aditivos poliméricos em questão

foram três amostras de carboximetilcelulose que divergiam na capacidade viscosificante,

sendo elas a CMC BV, a CMC BV1 e a CMC AV e uma amostra de celulose polianiônica.

Depois de preparados os fluidos, o estudo reológico foi feito em um viscosímetro Fann 35A,

e o volume de filtrado foi determinado em um filtro Prensa Fann. Concluiu-se que para as

argilas bentoníticas de Boa Vista (PB), os parâmetros reológicos e de filtração são

vigorosamente influenciados pela interação bentonita/polímero, que é consequência do

tamanho da cadeia do polímero e grau de viscosidade deste. O trabalho contribuiu de forma a

otimizar formulações que podem vir a ser utilizadas em campo.

Fluidos de perfuração base água poliméricos foram utilizados com sucesso na

perfuração de poços de alta temperatura, em torno de 150°C, na Indonésia (Bradshaw, 2006).

Um estudo ao longo de dois anos foi desenvolvido para a seleção dos aditivos, onde se

priorizou o uso dos polímeros naturais, como goma xantana, escleroglucana e amido como

agentes viscosificantes e controladores de filtrado, visando maior facilidade de eliminação dos

polímeros após a completação do poço. A formulação de melhor desempenho foi constituída

de goma xantana, formiato de sódio, amido e um copolímero de vários ácidos carboxílicos,

que atuou como inibidor de incrustação.

Gholizadeh-Doonechaly et al (2009) desenvolveram fluidos base água poliméricos

pelo uso combinado de um poli (alquil diamina etoxilada) e um encapsulador polimérico

(poliacrilamida parcialmente hidrolisada) para inibição de inchamento de argilas, um agente

lubrificante/defloculante de alto desempenho e um controlador de filtrado. O sistema

22

projetado apresentou ótimas propriedades reológicas e inibição de argilas, e um desempenho

próximo ao dos fluidos base óleo. A poli (alquil diamina etoxilada) é um polímero de baixo

grau de toxicidade e de alto grau de inibição das argilas. O fluido de perfuração obtido

apresentou estabilidade térmica aumentada em torno de 90ºC, comparada aos fluidos base

água convencionais.

Na Europa, onde as leis ambientais proíbem o uso de fluidos base óleo, os poços de

alta temperatura são perfurados com fluidos base água HPHT (high pressure and high

temperature), em que os lignosulfonatos de cromo são aditivos comumente empregados para

conferir volumes de filtrado e reologia adequados aos fluidos. Entretanto, tem se tornando

urgente a substituição desse aditivo em função da presença do metal pesado cromo. E novas

formulações de fluidos base água HPHT vêm sendo buscadas. Recentemente, Tehrani et al

(2009) descreveram o desenvolvimento de um novo fluido base água HPHT constituído de

argila e polímeros sintéticos (copolímeros de acrilamida/monômero

sulfonatado/vinilpirrolidona). Alguns desses polímeros foram reticulados para se alcançar

uma rigidez ótima, e, consequentemente, um balanço adequado entre controle de filtrado e

propriedades reológicas.

O controle do volume de filtrado de um fluido é geralmente alcançado pelo aumento

da viscosidade e desenvolvimento de rebocos (filter cakes) na parede do poço, através do uso

de aditivos controladores de viscosidade e de filtrado, respectivamente. Se os agentes

viscosificantes e redutores de filtrado não forem adequadamente selecionados, ambos os

mecanismos podem levar a uma significante redução de permeabilidade da rocha. Além disso,

um aumento de viscosidade do fluido não seria desejável devido às perdas de carga no anular.

Dehghanpour et al (2009) desenvolveram um estudo de escoamento de misturas de poli

(óxido de etileno) em meio poroso, com o intuito de verificar o efeito da distribuição de massa

molar sobre a viscoelasticidade do polímero e as características do reboco formado. Eles

constataram que a filtração do polímero através do meio poroso poderia ser significativamente

reduzida pelo controle da distribuição da massa molar.

Hamed et. al em 2009 realizaram um estudo comparativo do comportamento de dois

polissacarídeos em fluidos de perfuração à base de água, sendo eles a Goma Xantana e a

Goma Escleroglucana. A escolha foi baseada no fato de que entre os polímeros hidrofílicos,

os polissacarídeos são atóxicos e bem aceitos pelos órgãos de regulamentação, pronpondo

assim um fluido de perfuração que não fosse tão danoso ao meio ambiente. O fluido proposto

era constituído de um biopolímero viscosificante, aditivo controlador de filtrado (amido),

bactericida (paraformaldeído), adensante (CaCO3), alcalinizante (NaOH), eletrólito (KCl) e

23

argila. A análise foi realizada em etapas, buscando encontrar valores de concentração ideais

de alguns dos aditivos, observando como a variação na concentração alteraria o

comportamento reológico. Inicialmente, variou-se a concentração de argila mantendo

constantes as concentrações dos outros aditivos, seguido a isso foi feito o mesmo tipo de

análise para o aditivo adensante e o eletrólito. Após a determinação das concentrações de

aditivos a serem utilizadas, foi feito um estudo reológico dos biopolímeros nos fluidos de

perfuração, usando um reômetro modular RS600 da ThermoHaake, sob temperatura de 25°C

± 1°C. O estudo concluiu que o modelo reológico de Herschel-Bulkley descreve todas as

formulações e que há um equilíbrio significativo entre a baixa toxicidade dos aditivos e sua

aplicação para reservatórios de alta permeabilidade, não causando danos. A escolha do

biopolímero tem que ser feita de forma cuidadosa, considerando as características do

reservatório e a natureza das formações geológicas. Por fim, o estudo demonstrou que a Goma

Escleroglucana apresenta capacidade como modificador reológico mais significante que a

Goma Xantana quando na presença de sal.

Por sua vez, Wan et. al, em 2011, estudaram o desenvolvimento de uma nova classe de

aditivos poliméricos para fluidos de perfuração base água. Os aditivos foram obtidos por meio

da copolimerização de acrilamida, ácido acrílico e 4-estirenossulfonato de sódio por

polimerização de microemulsão inversa. A solução de copolímero e o fluido foram

analisados. Os resultados indicaram que a adição do copolímero ao fluido de perfuração tem

um impacto positivo significativo nas propriedades reológicas dos fluidos, nas propriedades

de filtração e na morfologia do reboco formado, apresentando um ótimo corportamento

tixotrópico, alta estabilidade térmica e resistência à salinidade. Logo, o fluido pode ser

aplicado em ambientes de elevada salinidade e temperatura.

Bu et. al em 2013 sintetizaram um terpolímero por meio de uma reação de

polimerização por radicais livres, consistindo de acrilamida, ácido 2-acrilamido-2-

metilpropanosulfônico e estireno sulfonato. Fluidos de perfuração baseados no terpolímero

foram preparados e utilizados em poços de alta temperatura e alta pressão (HTHP). Foi

encontrado que as propriedades reológicas do fluido de perfuração em condições de alta

pressão e alta temperatura podem ser descritas pelo modelo de Casson. Um modelo

matemático foi proposto para prever a viscosidade do fluido de perfuração contendo o

terpolímero no interior do poço, em condições HTHP.

Como se pode observar, a literatura no campo do uso de polímeros como aditivos em

fluidos de perfuração é vasta. É possível perceber que a estes compostos são atribuídas as

24

mais diversas funções no campo, sendo assim justificada a necessidade de um estudo cada vez

mais incisivo nessa área, já que estes apresentam uma grande versatilidade.

25

4. MATERIAIS E MÉTODOS

A seleção dos polissacarídeos a serem estudados foi o primeiro passo a ser tomado, os

parâmetros considerados para essa análise foram a utilização dos polímeros em campo, sua

disponibilidade de mercado e viabilidade comercial. A Goma Xantana já é utilizada há anos

na indústria petrolífera, assim como a goma guar. O uso do amido, também, é muito comum.

Assim sendo, foi selecionado o amido modificado, o Hidroxipropilamido.

O procedimento experimental seguido no projeto foi dividido em duas etapas

principais: a análise da capacidade viscosificante dos polissacarídeos quando estão em meio

aquoso e quando estão em meio salino, e em seguida o estudo da influência dos

polissacarídeos nas propriedades reológicas e de filtrado de fluidos de perfuração à base de

água. Foram utilizadas amostras de goma xantana de massa molar média 4,2x105g/mol e de

goma guar com massa molar média de 5,9x105g/mol, valores esse obtidos em testes realizados

previamente. O Hidroxipropilamido não teve a sua massa molar média determinada.

Os polímeros foram inicialmente solubilizados em água industrial e em salmouras de

NaCl, CH3COONa, CH3COOK, HCOONa e HCOOK, por 24h, sob agitação constante em

misturadores RH basic 2 IKAMAG, para garantir completa hidratação das cadeias

poliméricas.

O comportamento reológico dos polissacarídeos foi estudado em um viscosímetro

Fann 35A, a 25ºC.

No caso das soluções em que o polímero estava solubilizado em meio salino, a

concentração de sal utilizada foi de 30.000 ppm, e os polissacarídeos foram analisados em

cinco concentrações diferentes, variando de 1 até 5 lb/bbl.

O resultado obtido no viscosímetro é referente ao ângulo de deflexão, em graus, que

pode então ser convertido em viscosidade aparente e viscosidade plástica por meio de relações

matemáticas.

4.1 Análises físico-químicas dos fluidos de perfuração

Após a determinação da concentração de polímero a ser utilizada, foi investigado o

comportamento dos polissacarídeos selecionados junto a outros aditivos em um fluido de

perfuração, cuja composição é mostrada na Tabela 1.

26

Tabela 1: Composição do fluido de perfuração a ser estudado

Aditivo Concentração

H2O 1 bbl

Polímeros 3 lb/bbl

NaOH 0,5 lb/bbl

Sal 30.000 ppm

Bactericida 0,3 lb/bbl

BaSO4 9 lb/bbl

Fonte: próprio autor

Como o Hidroxipropilamido apresentou desempenho insuficiente como modificador

reológico, quando na formulação dos fluidos de perfuração, o mesmo passou a ser analisado

não como agente viscosificante, mas sim como controlador de filtrado. Seu desempenho foi

avaliado apenas para os fluidos em que o sal em questão era o NaCl.

A ordem de adição dos aditivos ao fluido é a indicada na Tabela 1 (de cima para

baixo). A água foi o meio de dispersão dos compostos, caracterizando assim o fluido como

sendo aquoso. Os biopolímeros goma guar e goma xantana foram adicionados com o objetivo

de funcionarem como agentes viscosificantes, de acordo com os resultados obtidos

previamente. O hidroxipropilamido foi adicionado em formulações específicas com o intuito

de avaliar as suas propriedades como aditivo controlador de filtrado, como foi supracitado. O

NaOH agiu como controlador de pH (agente alcalinizante), evitando a corrosão de

componentes da perfuração e tornando o meio impróprio para a proliferação de bactérias. O

sal teve como função primária a de saturar o fluido, evitando influxo de fluidos da formação

por diferencial de concentração, motivado pela osmose, agindo também na inibição de

formações de folhelhos ativos. A triazina funcionou como bactericida, prevenindo a

proliferação de bactérias que degradariam os polímeros presentes na formulação, que fariam

com que o fluido perdesse muitas de suas propriedades, comprometendo o processo de

perfuração. A barita, ou sulfato de bário, caracterizou-se por ser um sólido inerte e é o aditivo

adensante.

Inicialmente foram preparados dez fluidos de perfuração, sendo que em cinco deles o

polímero viscosificante foi a Goma Xantana, e nos outros cinco fluidos o polímero

viscosificante foi a Goma Guar. Nos cinco fluidos de cada um dos polímeros, o sal utilizado

na formulação variou entre NaCl, CH3COONa, CH3COOK, HCOONa e HCOOK. Os fluidos

foram preparados em um misturador Hamilton Beach HMD200. Em seguida, foi realizada a

análise do comportamento reológico destas fluidos, que foi analisada pelo uso de um

27

viscosímetro Fann 35A à 25°C. O volume de filtrado foi medido em um filtro Prensa API, à

temperatura de 25°C e 100 psi de pressão.

Para a análise do comportamento do hidroxipropilamido como controlador de filtrado,

foram produzidos mais dois fluidos, um com Goma Guar e outro com Goma Xantana. A

concentração de hidroxipropilamido em questão foi igual a do outro polímero utilizado, ou

seja, 3 lb/bbl. A escolha do fluido de cloreto de sódio se deu pelo fato de este ser mais

amplamente utilizado em campo, podendo-se assim obter um resultado com aplicação mais

facilitada.

No teste reológico, o copo do viscosímetro foi preenchido com o fluido, formando um

espaço anular entre o bulbo e o rotor cilíndrico. Em seguida, o rotor foi girado a uma

velocidade conhecida, e o torque transmitido ao bulbo pelo fluido foi medido pelo

tensionamento de uma mola que, conectada a um dial, fornece valores de leitura em graus de

deflexão da mola, permitindo-se a conversão em viscosidade por meio de equações simples.

No caso do teste de filtrado API, uma célula constituinte do filtro prensa foi

preenchida com o fluido a ser estudado. Em seguida, o fluido foi filtrado através de um filtro

de papel especialmente endurecido (Whatman N° 50) à pressão de 100psi por 30 minutos, e o

volume de filtrado anotado. A área padrão do papel filtro foi de 7,1±0.1 pol2 (45 cm2).

28

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O potencial dos polímeros na atuação como modificadores reológicos foi inicialmente

avaliado em soluções que continham unicamente o polímero e água industrial, como forma de

simular a aplicação em campo, onde a água utilizada na formulação é comum, não passando

por processo de destilação. A variação da viscosidade com a mudança na concentração dos

polímeros pode ser observada na Figura 4.

Figura 4: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em água industrial, a

1022s-1 e 25°C

(Fonte: próprio autor)

A viscosidade aparente das soluções foi calculada a partir de formulações já pré-

definidas. O valor de L600 é alusivo ao tensionamento gerado pelo fluido à mola conectada

ao dial no viscosímetro para uma taxa de cisalhamento de 1022s-1.

Dos três polímeros analisados em água industrial, as gomas Xantana e Guar foram,

claramente, os que apresentaram melhor capacidade viscosificante. Esse resultado pode ser

justificado pela estrutura química dessas macromoléculas. A viscosidade da solução de um

polímero é função do tamanho, forma e conformação de suas moléculas no meio. A goma

xantana é um polímero de alta massa molar que apresenta cadeias laterais de trissacarídeos

que possuem cargas negativas. Todas essas características contribuem bastante para a

expansão da macromolécula e o seu grande volume hidrodinâmico no meio. Já a goma guar é

também um polímero de alta massa molar, porém contendo apenas substituintes

monossacarídicos (galactose) ligados à cadeia principal e não apresenta cargas em seu

esqueleto polimérico, com isso, apresenta um volume hidrodinâmico menor que a goma

xantana, resultando em viscosidade também menor. Por sua vez, o hidroxipropilamido é um

polímero obtido a partir da modificação química de uma mistura de polímeros (amilose e

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20

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80

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0 2 4 6

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cosi

dad

e A

pare

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)

Concentração (lb/bbl)

Goma Xantana

Goma Guar

Hidroxipropilamido

29

amilopectina). A amilose é um polímero de glicose linear, enquanto a amilopectina é

altamente ramificada. Um polissacarídeo altamente ramificado apresenta um volume

hidrodinâmico bem menor que um de cadeia linear de mesma massa molar, resultando em

menor viscosidade. O aumento de viscosidade da solução com a concentração de polímero é

devido tanto ao aumento das interações intermoleculares, quanto à formação de

entrelaçamentos (Lopes, 1989).

A Figura 5 mostra a variação da viscosidade das soluções aquosas com a concentração

dos polissacarídeos estudados na presença de NaCl em uma concentração de 30.000 ppm.

Figura 5: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de NaCl

30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C

(Fonte: próprio autor)

Comparando-se as Figuras 4 e 5, observa-se que o perfil de comportamento reológico

foi mantido. Entretanto, a solução de goma xantana sofreu uma redução bastante significativa

de viscosidade, comparada à goma guar. Em água industrial (Figura 4), as cadeias de goma

xantana encontravam-se estendidas em razão da repulsão eletrostática entre os sítios

aniônicos, adquirindo assim uma conformação desordenada de grande volume (Lopes, 1989).

Na presença de elevada concentração de sal (Figura 5), os grupos aniônicos da goma xantana

são blindados pelos íons Na+, o que propicia a redução da repulsão eletrostática seguida de

transição conformacional da cadeia polimérica de novelo para hélice, diminuindo o seu

volume hidrodinâmico e a viscosidade.

Além da salmoura de cloreto de sódio, foi analisado também o comportamento dos

polímeros como modificadores reológicos em outras quatro salmouras: (1) formiato de sódio;

(2) formiato de potássio; (3) acetato de sódio; (4) acetato de potássio.

0

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70

0 2 4 6

Vis

cosi

dad

e A

pare

nte

(cP

)


Goma Xantana

Goma Guar

Hidroxipropilamido

30

As Figuras 6 e 7 mostram a variação da viscosidade das soluções aquosas com a

concentração dos polissacarídeos estudados na presença de HCOONa, HCOOK, CH3COONa

e CH3COOK em uma concentração de 30.000 ppm.

Figura 6: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de HCOONa e

HCOOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C.

(Fonte: próprio autor).

Figura 7: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de CH3COONa e

CH3COOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C.


Como pode ser visto a partir dos resultados apresentados nas Figuras 6 e 7, a mudança

da salmoura de NaCl para as salmouras HCOONa, HCOOK, CH3COONa e CH3COOK não

modifica significativamente a viscosidade do meio. Como a concentração salina utilizada é

excessiva e todos os sais utilizados apresentam elevada solubilidade em meio aquoso, o

comportamento do polímero como agente viscosificante não irá sofrer mudanças. A goma

xantana continua a ter seus sítios aniônicos blindados pela presença dos cátions no meio, e a

0

10

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0 2 4 6

Vis

cosi

da

de

Ap

are

nte

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)


Goma Xantana em

Formiato de Sódio

Goma Guar em

Formiato de Sódio

Goma Xantana em

Formiato de Potássio

Goma Guar em


0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5

Vis

cosi

da

de

Ap

are

nte

(cP

)


Goma Xantana em

Acetato de Sódio

Goma Guar em

Acetato de Sódio

Goma Xantana em

Acetato de Potássio

Goma Guar em


31

goma guar permanece não sofrendo alterações significativas em sua reologia. A leve

diminuição da viscosidade da goma guar quando comparada as soluções de salmoura e água

industrial pode ser atrelada ao fato de a quantidade de água livre para hidratação das cadeias

poliméricas ser menor quando há presença de sal no meio. Assim, quando não há sal, a água

interage unicamente com as cadeias poliméricas, hidratando-as.

As Figuras 8 e 9 mostram as curvas de viscosidade correspondentes aos fluidos de

perfuração quando o sal utilizado na formulação foi o NaCl, conforme composição

apresentada na Tabela 1. No entanto, em duas amostras de fluidos, a Goma Guar e a Goma

Xantana foram associadas com o Hidroxipropilamido (HPA).

Figura 8: Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana,

goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de NaCl, a 25°C


O comportamento dos fluidos contendo goma xantana apresentou disparidade

considerável quando estavam sob baixas taxas de cisalhamento, onde os fluidos contendo

Goma Xantana apresentaram valores mais elevados de viscosidade plástica. Apesar do HPA,

quando sozinho em solução aquosa, não contribuir para o aumento de viscosidade, ele foi

capaz de causar um pequeno aumento na viscosidade dos fluidos de goma guar e goma

xantana. O efeito foi ainda mais acentuado quando o polímero modificador reológico foi a

goma guar, onde foi possível observar um aumento na viscosidade em toda a faixa de taxa de

cisalhamento estudada. No caso da goma xantana foi possível observar mudanças na

viscosidade quando o fluido encontrava-se em elevadas taxas de cisalhamento, onde a

presença do Hidroxipropilamido influenciou positivamente na viscosidade. Esse acréscimo na

viscosidade foi visto, possivelmente, por ter ocorrido interações específicas entre os diferentes

polímeros.

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000

Vis

cosi

da

de

Plá

stic

a (

cP)

Taxa de cisalhamento (1/s)

Goma Guar / NaCl

Goma Xantana /

NaCl

Goma Guar / NaCl /

HPA

Goma Xantana /

NaCl / HPA

32

A Figura 9 mostra as curvas de viscosidade correspondentes aos fluidos de perfuração

quando o sal utilizado na formulação foi o NaCl, com foco no intervalo de taxas de

cisalhamento correspondente a 100<�̇�1000 s-1, podendo-se assim observar com clareza as

diferenças no comportamento reológico dos fluidos num intervalo menor de taxas de

cisalhamento.


goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de NaCl, a 25°C, na faixa de taxa

de cisalhamento 100<�̇�1000 s-1


A viscosidade dos fluidos contendo Goma Guar superou a dos fluidos contendo Goma

Xantana apenas em taxas de cisalhamento bastante elevadas, que seriam correspondentes a

um regime de fluxo turbulento. Uma das possíveis justificativas para esse comportamento está

no fato de que a goma xantana apresenta conformação em hélices duplas em meio salino e

essas hélices tendem a se agregar, contribuindo para o aumento da viscosidade. Com o

aumento da taxa de cisalhamento, esses agregados seriam desfeitos, reduzindo a viscosidade

(Lopes, 1989).

Como dito anteriormente, procurou-se também estudar os efeitos da substituição do sal

constituinte da salmoura a ser utilizada nos fluidos de perfuração, procurando oferecer um

enfoque puramente químico à análise. As Figuras 10 e 11 mostram as curvas de viscosidade

correspondentes aos fluidos de perfuração quando os sais utilizados na formulação foram o

HCOONa, HCOOK, CH3COONa e CH3COOK, conforme suas composições apresentadas na

Tabela 1.

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500

Vis

cosi

da

de

Plá

stic

a (

cP)


Goma Guar/ NaCl

Goma Xantana/ NaCl

Goma Guar/ NaCl/

HPA

Goma Xantana/

NaCl/ HPA

33


goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmouras de HCOONa e HCOOK, a 25°C.



goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmouras de CH3COONa e CH3COOK, a

25°C.


Como pode ser visto, o comportamento reológico do fluido não sofreu alterações com

a mudança na salmoura, os fluidos contendo goma xantana continuam a apresentar

viscosidade expressivamente mais elevada que os de goma guar quando a taxa de

cisalhamento é baixa.

Este resultado atesta que há a possibilidade de alteração do sal utilizado sem perdas na

viscosidade do fluido, o que pode levar a um ganho ambiental significativo, principalmente

quando se trata de sondas on-shore, onde o descarte de fluidos ocorre, muitas vezes, de forma

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000

Vis

cosi

da

de

Plá

stic

a (

cP)


Goma Xantana /

Formiato de Sódio

Goma Guar /

Formiato de Sódio

Goma Xantana /


Goma Guar /


1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000

Vis

cosi

da

de

Plá

stic

a (

cP)

Taxa de Cisalhamento (1/s)

Goma Xantana /

Acetato de Sódio

Goma Guar / Acetato

de Sódio

Goma Xantana /


Goma Guar / Acetato

de Potássio

34

indiscriminada em terrenos. A salmoura contendo íons Cl- lixivia o solo, atingindo aquíferos e

contaminando reservas.

A Tabela 2 apresenta os volumes de filtrado obtidos para os fluidos de perfuração

contendo goma xantana e goma guar na presença de todas as salmouras supracitadas.

Tabela 2: Volume de filtrado dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana e goma guar,

a 25°C e 100 psi.

Polímero Sal utilizado na formulação Volume de Filtrado (mL)

Goma Xantana NaCl 10,6

HCOONa 12

HCOOK 12,5

CH3COONa 12

CH3COOK 12,3

NaCl - HPA 7,6

Goma Guar NaCl 9,3

HCOONa 8,0

HCOOK 8,9

CH3COONa 7,6

CH3COOK 7,9

NaCl - HPA 6,7

(fonte: próprio autor)

Percebe-se que a goma guar contribui claramente de forma mais significativa para a

redução do volume de filtrado que a goma xantana, onde todos os fuidos contendo goma guar

apresentaram um volume de filtrado inferior ao seu correspondente quando o polímero era a

goma xantana. Além disso, o HPA atuou como um bom redutor de filtrado para os fluidos de

ambos os polímeros. Apesar do hidroxipropilamido não apresentar propriedades significativas

como um eficiente modificador reológico, ele é capaz de contribuir para a formação de um

reboco de menor permeabilidade, como evidenciado pela redução do volume de filtrado,

podendo assim funcionar como um agente controlador de filtrado. Foi percebido também que

quando comparados os fluidos contendo acetatos e formiatos, os fluidos com acetato

apresentaram um melhor desempenho no controle de filtrado.

A mudança do sal constituinte da salmoura não comprometeu a performance do fluido

em suas propriedades reológicas e de filtração, o que corrobora a ideia antes proposta da

substituição da salmoura.

35

6. CONCLUSÕES

Os três polímeros avaliados como aditivos em fluidos de perfuração se mostraram

eficientes em propriedades diferentes. A Goma Xantana e Goma Guar apresentaram boas

propriedades como modificadores reológicos, tendo a goma guar apresentado melhor

desempenho que a goma xantana em meio salino, quando avaliado apenas o desempenho do

polímero em solução. Porém, quando avaliada a performance dos polímeros nos fluidos, a

goma xantana apresentou uma melhor capacidade viscosificante, principalmente sob baixas

taxas de cisalhamento, uma das justificativas para isso é a influência das agregações das

hélices duplas da goma xantana em meio salino.

O Hidroxipropilamido não foi capaz de contribuir significativamente para o aumento

de viscosidade das soluções aquosas, entretanto, apresentou bom desempenho como redutor

de filtrado.

Os resultados mostram que a utilização de polímeros auxiliam os fluidos de forma

expressiva, onde mesmo sob baixas concentrações acabam por conceder propriedades

consideráveis, podendo atuar como um ótimo modificador reológico, dependendo do tamanho

e forma de sua cadeia e da presença ou não de cargas na mesma. Além disso, não é apenas

como modificador reológico que os polissacarídeos podem atuar, como foi possível ser

observado no caso do hidroxipropilamido, onde por meio da formação de um reboco de baixa

permeabilidade dificulta o processo de filtração, viabilizando a perfuração de poços.

A substituição da salmoura de NaCl por HCOONa, HCOOK, CH3COONa e

CH3COOK foi possível sem prejuízos significativos aos parâmetros reológicos e de filtração,

mostrando que é uma possibilidade viável. Esta alteração pode conceder um benefício

ambiental significativo, já que os sais propostos são biodegradáveis, não contaminando

reservas de água.

36

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