TESTES PRELIMINARES DE FILTRAÇÃO ESTÁTICA DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO EM CÉLULA DE ALTA PRESSÃO E ALTA TEMPERATURA AUTOMATIZADA

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1 TESTES PRELIMINARES DE FILTRAÇÃO ESTÁTICA DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO EM CÉLULA DE ALTA PRESSÃO E ALTA TEMPERATURA AUTOMATIZADA D.A. SANTOS 1, G. C. AZEVEDO 1, R. F. BARBOSA 1, C.M. SCHEID 1 e L.A. CALÇADA 1. 1 Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Laboratório de Escoamento de Fluidos, Departamento de Engenharia Química para contato: daniel.alvim2012@gmail.com RESUMO Foi construída uma unidade de filtração estática automatizada que fornece dados em tempo real. Para isso, foi desenvolvido um software, que tem como objetivo a operação e monitoramento da mesma, o cálculo dos parâmetros típicos da filtração, além do armazenamento dos dados obtidos durante os experimentos. Para a validação da célula on line foram realizados testes preliminares comparativos sob mesmas condições com uma célula de bancada já conhecida na literatura, utilizando um fluido de perfuração base óleo. Mediante comparação entre os resultados obtidos entre as duas células, foi verificado uma boa correlação entre os resultados. 1. INTRODUÇÃO A perfuração de um poço de petróleo é proveniente da ação rotativa e do peso da coluna de perfuração sobre a broca. Os cascalhos produzidos pela broca são removidos pelo fluido de perfuração, que é injetado através coluna de perfuração e retorna pela região anular entre a coluna de perfuração e a parede do poço (Thomas, 2001). A filtração do fluido de perfuração ocorre devido ao gradiente de pressão entre o poço e a formação. Uma vez que a pressão do poço é maior que a pressão dos fluidos da formação, o que caracteriza uma perfuração overbalance, a lama de perfuração é pressionada contra os poros da rocha, provocando a formação do reboco e a invasão de filtrado. A filtração estática é o processo que ocorre durante a invasão do fluido de perfuração na formação rochosa quando o mesmo para de circular. A invasão da lama leva ao crescimento de uma camada de sólidos na parede do poço, conhecida como torta. Esse processo pode

2 comprometer a avaliação do reservatório e causar danos irreversíveis ao mesmo (Bourgoyne, et al, 1991). A Figura 1 demonstra ilustrativamente este processo. Figura 1 Formação do reboco na parede do poço. Fonte: Araújo (2010). Visando estudar o fenômeno da formação da torta de filtração e o preparo da lama de perfuração com melhor precisão, foram desenvolvidos aparatos experimentais denominados células de filtração. Entretanto, esses equipamentos funcionam de forma off line onde faz-se necessário a retirada de uma amostra do fluido do processo da linha para a realização da análise em bancada. Além disso, a operação do equipamento depende de um profissional especializado. Este trabalho tem como objetivo construir e validar uma unidade de filtração automatizada que opera de forma remota e com a menor interferência humana possível. O equacionamento para validação deste projeto utiliza a equação (1) que foi proposta por Engelhardt (1952). - Permeabilidade da torta (k): Qw Qc k 2 2 t P A (1) Assim como as equações (2) e (3), obtidas através de balanços de massa. - Porosidade da torta (ϕ): (2) f s

3 - Parâmetro alfa (α): W W 1 (3) Wd 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foi construída uma célula de filtração com dimensões semelhantes à de bancada, representada na Figura 2. A elevação do prato (A) é feita através de compressão a ar e promove o fechamento da câmara de filtração (B), permitindo a entrada da lama. Com a câmera já completamente preenchida de fluido, sua pressurização é feita por uma bexiga de óleo localizada no topo da câmara. Para automatizar a abertura e fechamento da câmara de filtração, assim como a pressurização da mesma, foi instalado um quadro pneumático composto por uma válvula solenoide de 5/2 vias e uma válvula proporcional. A primeira é responsável pelo controle de injeção de ar comprimido nos cilindros de pressurização, enquanto a segunda dimensiona a vazão de ar comprimido necessária para pressurizar a câmara. Visando a operação da célula de filtração de forma remota foram instaladas quatro válvulas ON-OFF, duas para automatizar a entrada (C) e saída (D) de fluido na célula, uma para a abertura e fechamento da válvula de óleo que controla o pistão de fechamento da câmara de filtração e outra para comandar o início da filtração (E). Foram inseridos também um transmissor de pressão (F) e uma válvula de purga (G) que realiza a drenagem da câmara de filtração. Figura 2 Detalhamento da célula de filtração on line. Foi construído também um skid para a preparação e alimentação de fluido na célula, que conta com dois tanques de 150 L (ambos com agitadores), uma bomba de deslocamento positivo, um transmissor de pressão, um transmissor de temperatura e um medidor mássico que informa dados de vazão e densidade do fluido preparado. A Figura 3 demonstra a visão geral da unidade de filtração on line.

4 Figura 3 Unidade de filtração on line. A automação da unidade foi implementada através de um chassi da National Instruments. Nele foram instaladas placas de aquisição de dados que recebem e enviam sinal de corrente elétrica. Por meio de uma interface virtual o sinal de corrente elétrica é interpretado como comando dado pelo operador ou como sinal recebido do equipamento Caracterização do Fluido Para determinar as propriedades do fluido, foi verificada a estabilidade elétrica, utilizando o equipamento FANN 32D, o teor de água em óleo juntamente com a concentração de sólidos através do FANN Kit Retorta e a reologia com o auxílio do viscosímetro FANN 35A Procedimento Experimental Os experimentos de filtração foram realizados a pressão de trabalho de 500 psi durante trinta minutos de operação. Para isso, foi preparado um fluido de perfuração base óleo com 60% de parafina e 40% de salmoura no skid da unidade. O meio filtrante utilizado foi o papel de filtro WHATMAN 50. Para a validação dos experimentos realizados na célula de filtração on line, foi utilizada uma célula de bancada mantendo as mesmas condições operacionais. Com os dados experimentais obtidos em ambas as células, foram calculados e comparados os parâmetros típicos da filtração.

5 A célula de bancada: Foi utilizada uma célula de bancada OFFITE, a qual é composta por um cilindro dividido em duas câmaras por um pistão. A pressurização é feita na parte superior por uma bomba de água, a qual pressiona o fluido em estudo sobre o papel de filtro localizado na parte inferior onde irá ocorrer a formação da torta. O funcionamento detalhado da célula pode ser obtido em Calabrez (2013). 3. RESULTADOS Para a operação da unidade e tratamento de dados foi desenvolvido um software em plataforma LabView chamado softfil online. O layout é exibido na Figura 4. Figura 4 - Layout do programa gerenciador da unidade de filtração online Através deste programa é possível controlar e monitorar a frequência dos agitadores e da bomba, a abertura e fechamento de válvulas automáticas, a pressão na tubulação, assim como a temperatura do fluido em estudo, além de aquisitar dados de massa por tempo. A pressão no interior da câmara é gerenciada por um controlador clássico proporcional integral desenvolvido por Magalhães (2015) que atua diretamente sobre a válvula proporcional situada no quadro pneumático. No modo de tratamento de dados do softfil online é possível calcular parâmetros típicos da filtração a partir das equações supracitadas. São eles: Permeabilidade, porosidade de referência e a espessura da torta Caracterização do Fluido Estabilidade elétrica: Foram aferidos os valores em triplicata de estabilidade elétrica a partir do respectivo equipamento. Os dados obtidos são indicados na Tabela 1.

6 Tabela 1 Estabilidade elétrica do fluido. Medida Estabilidade Elétrica (V) Média (V) Desvio Padrão (V) ,67 7, Teor de água e óleo e concentração de sólidos: Através da destilação da amostra de fluido foram obtidos o volume de água e o volume de óleo indicados na Tabela 2, bem como suas respectivas frações. Já a concentração de sólidos foi obtida de forma gravimétrica cujo resultado é detalhado na Tabela 3. Tabela 2 Teor de água e óleo. Substância Volume (ml) Fração Água 3,1 0,35 Óleo 5,7 0,65 Tabela 3 - Teor de sólidos no fluido. Sólidos Concentração (g/l) Barita 196,61 Cloreto de Sódio 126 Total 322,61 Reologia: A curva indicada na Figura 4 demonstra o comportamento reológico do fluido, onde é possível observar que o mesmo se ajusta ao modelo de Herschel-Bulkley, equação (4), cujos parâmetros calculados podem ser observados na Tabela 4.. n 0 K (4) Figura 5 - Comportamento reológico do fluido.

7 3.2. Resultados experimentais Tabela 4 Parâmetros do Modelo de Herschel-Bulkley. Dados reológicos calculados τ 0 (Pa) K(Pa.s n ) N R² 2,411 0,073 0,830 0,9998 Mediante os experimentos iniciais de filtração em ambas as células, conforme podem ser verificados na Tabela 5, pôde-se observar que os parâmetros típicos da filtração, tais como permeabilidade, a porosidade da torta e o volume de filtrado apresentaram resultados preliminares bastante satisfatórios. A porosidade da torta está concordante e os valores de permeabilidade possuem mesma ordem de grandeza, apesar de apresentarem um erro de aproximadamente 85% entre as médias das células. A razão volume de filtrado por área apresenta desvio abaixo de 16%, sendo aceitável para um teste preliminar. Tabela 5 Resultados comparativos de filtração. CÉLULA A (cm²) EXP. Φ k (md) Q w (ml) Q w /A (ml/cm²) 1 0,86 2,34E-04 7,74 0,070 Bancada 111,22 2 0,85 3,06E-04 7,63 0, ,86 2,32E-04 6,97 0,063 MÉDIA 0,86 2,57E-04-0, ,85 4,10E-04 5,30 0,078 On line 67,92 5 0,87 3,36E-04 5,32 0, ,87 6,84E-04 5,35 0,079 MÉDIA 0,86 4,77E-04-0,078 Futuramente, serão implementadas equações para avaliação dos parâmetros da torta com base na curva de filtração, utilizando todos os dados de volume por tempo com o propósito de reduzir estes erros supracitados e ratificar os resultados obtidos. 4. CONCLUSÃO Pôde-se observar nos experimentos preliminares que ocorreu uma boa correlação entre as propriedades calculadas por meio de dados experimentais de ambas as células. Com isso, atestase uma boa funcionalidade da célula on line, demonstrando um progresso na linha de pesquisa de filtração de fluidos, uma vez que esta possui um funcionamento automatizado e descarta trabalhos consecutivos de um operador especializado. Isto é, a unidade on line é capaz de obter os mesmos parâmetros de filtração que a célula de bancada de uma forma mais precisa e com menor esforço operacional.

8 5. NOMENCLATURA A Área de filtração (cm²); ρ f Densidade do fluido base (g/l); ρ s Densidade do sólido (g/l); n Índice de comportamento do fluido (adim.); K Índice de consistência do fluido (adim.); τ 0 Limite de escoamento ou tensão crítica (Pa); W d Massa da torta seca (g); W w Massa da torta úmida (g); α Parâmetro alfa (adim.); k Permeabilidade (md); ϕ Porosidade de referência (adim); P Pressão fornecida (psi); γ Taxa de deformação do fluido (s -1 ); t Tempo de filtração (s); τ Tensão de cisalhamento do fluido (Pa); μ Viscosidade do fluido base (cp); Q w Volume de filtrado (ml); Q c Volume da torta (cm³); 6. REFERÊNCIAS ARAÚJO, C.A.O. Estudo da Filtração Cruzada em Geometria Cilíndrica. Dissertação de Mestrado, PPGEQ/UFRRJ, Seropédica, Rio de Janeiro, Brasil, BOURGOYNE, A.T.; MILLHEIM, K.K.; CHENEVERT, M.E.; YOUNG JR, F.S. Applied drilling engineering, Society of Petroleum Engineers, Richardson, TX, USA, Second Print, CALABREZ, N.D; Filtração e Invasão de Fluidos de Perfuração: Estudo Comparativo, Caracterização da Torta e Modelagem. Tese de Mestrado Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, ENGELHARDT, W.V. Filter cake formation and water losses in deep drilling muds. Illinois State Geological Survey, Urbana, Illinois, USA, MAGALHÃES, S.C.F. UMPC Unidade Móvel de Pesquisa Científica: um sistema desenvolvido para aferições em tempo real das propriedades físico-químicas de fluidos de perfuração. Dissertação de mestrado, DEQ/UFRRJ, Seropédica, RJ, Brasil, 2015; THOMAS, J. E. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2001.