PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE SOLUÇÕES AQUOSAS DE GOMA XANTANA COM BARITA

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1 PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE SOLUÇÕES AQUOSAS DE GOMA XANTANA COM BARITA 1 Dyovai Bruo Lima dos Satos, 2 Isabele Cristia Bicalho, 3 Carlos Herique Ataíde e 3 Claudio R. Duarte 1 Bolsista de iiciação Cietífica PETROBRAS/UFU, discete do curso de Egeharia Química 2 Alua de doutorado do PPGEQ/UFU 3 Professor da Faculdade de Egeharia Química da UFU/MG 1,2,3 Faculdade de Egeharia Química da Uiversidade Federal de Uberlâdia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Sata Môica, Uberlâdia - MG, CEP ) chataide@ufu.br RESUMO - A goma xataa é um polissacarídeo produzido por fermetação empregado a bactéria Xathamoas campestris e tem uma ampla aplicação as idústrias alimeticias, farmacêuticas e petrolíferas, devido às suas propriedades reológicas bastate distitas. É um aditivo usado como viscosificate em fluidos de perfuração à base de água. O sucesso das operações de completação e perfuração de poços de petróleo, bem como o seu custo depederá em grade medida das propriedades do fluido de perfuração. Assim, o cohecimeto da ifluêcia de aditivos sobre a reologia e estabilidade de fluidos é extremamete importate para modificar sua composição ou para determiar o melhor tratameto a ser aplicado, a fim de obter um fluido com propriedades adequadas. Neste trabalho, as propriedades reológicas de soluções aquosas de goma xataa com barita foram ivestigadas para diferetes cocetrações de goma xataa (0,15-0,25 %) e temperaturas (20-50 C). A barita foi utilizada como adesate forecedo aos fluidos desidade similar à de fluidos de perfuração. A caracterização reológica foi realizada usado um viscosímetro rotacioal com um cotrolador de temperatura que permitiu a obteção das curvas de escoameto para cada fluido preparado. A goma exibiu um comportameto ão-ewtoiao, pseudoplástico com tesão de escoameto, e o fluxo foi bem descrito pelo modelo de Herschel-Bulkley. Além disso, foi feita uma comparação dos fluidos preparados com um fluido de perfuração típico. Palavras-Chave: goma xataa, fluido de perfuração, viscosidade aparete. INTRODUÇÃO A goma xataa age como espessate, estabilizador, gelificate, agete de suspesão e floculação usado as idústrias de alimetos, farmacêuticas e petrolíferas, detre outras. Ela ocupa uma posição de destaque o mercado devido às suas propriedades reológicas bastate distitas e icomus, tais como um alto grau de pseudoplasticidade e alta viscosidade, mesmo em baixas cocetrações. Apreseta excelete estabilidade a variações de ph e temperatura, e resistêcia a um cisalhameto prologado e microodas. Além disso, também possui um respeitável ível de biodegradabilidade. Na perfuração de poços, a goma de xataa é adicioada aos fluidos de perfuração para proporcioar as propriedades viscosas ecessárias e auxiliar o carreameto de cascalhos do fudo do poço até à superfície, ajudar a mater a estabilidade do poço, miimizar a dispersão de cascalhos o fluido, e assim por diate. O sucesso da operação de perfuração depede fortemete das propriedades de fluxo do fluido de perfuração. Além de ser resposável pela remoção dos cascalhos, o fluido de perfuração deve apresetar as cohecidas propriedades desejadas como pseudoplasticidade ou caráter tixotrópico. Quado o fluido se ecotra em movimeto, deve apresetar uma meor resistêcia ao fluxo, exigido meos das bombas, o etato, quado o fluido está parado, deve apresetar a maior resistêcia ao fluxo, de modo que os cascalhos carreados ão se depositem sobre a broca e ao redor da colua de perfuração. Assim, o cotrole das propriedades reológicas é de vital importâcia as operações de perfuração, uma vez que determia o comportameto mecâico do fluido, iflueciado diretamete a queda de pressão do sistema e a velocidade de trasporte dos cascalhos. As propriedades de iteresse para o desevolvimeto de um fluido de

2 perfuração são a viscosidade aparete, a viscosidade plástica e a tesão limite de escoameto. Vários modelos reológicos têm sido propostos para descrever o comportameto reológico das dispersões GX. Detre eles, podemse destacar os modelos a dois parâmetros plástico de Bigham e Ostwald Waale, que são usados a maioria das vezes por causa de sua simplicidade e boa cocordâcia das previsões com os reogramas. O modelo a três parâmetros Herschel- Bulkley têm apresetado resultados mais precisos as previsões do comportameto de fluidos de perfuração. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar as características reológicas de soluções de goma xataa com barita e verificar seu comportameto em comparação com o fluido de perfuração BR MUL. Material MATERIAIS E MÉTODOS As soluções de goma xataa (GX) foram preparadas pela adição de uma quatidade determiada de goma xataa em água destilada submetida à elevada agitação (acima de 6000 RPM) à temperatura ambiete (25 ºC) até o soluto estar completamete dissolvido. Etão a solução foi matida durate 24 h para a hidratação. Depois a barita foi adicioada para dar ao fluido a desidade desejada de aproximadamete 9,5 lg/gal, que é a desidade do fluido de perfuração BR MUL que será utilizado para a comparações reológicas. A faixa de cocetração de goma xataa (GX) trabalhada foi de 0,15-0,25% em massa. Medidas reológicas As propriedades reológicas de soluções aquosas de GX com barita foram ivestigadas utilizado um viscosímetro rotacioal (R/S Plus Brookfield) com o software coectado a um computador (Rheo 3000). O reômetro é baseado em dois cilidros coaxiais (CC-40 measurig spidles), com um sesor de temperatura. Este é coectado a um baho termostatizado para uma eficiete mauteção da temperatura desejada durate todo o processo de medida. Para cada teste foram utilizadas cerca de 45 ml de amostra. Depois que a temperatura foi cofigurada, o istrumeto foi programado para aplicar por 1 mi um pré-cisalhameto de 1050 s -1 para obter uma solução uiforme. Etão, o istrumeto foi programado para seguir dois ciclos de cisalhameto, em que a taxa de deformação foi aumetada liearmete de 1 a 200 s -1 e depois dimiuída imediatamete de 200 para 1 s -1. A temperatura foi fixada em 25 C. Para verificar o efeito da temperatura foram feitas medidas de 20 ºC a 50 ºC. Parâmetros dos modelos reológicos A fim de realizar uma comparação quatitativa das soluções GX preparadas, três modelos de fluxo reológico baseados a taxa de deformação-tesão cisalhate foram testados (Bigham, Ostwald Waale e Herschel-Bulkley) e o modelo que apresetou a melhor adequação foi selecioado para o uso o estudo da temperatura. Os modelos mecioados são apresetados a Tabela 1. Tabela 1 Equação dos modelos reológicos Modelo Equação Bigham 0 (1) Ostwald Waale K (2) Herschel-Bulkley 0 K (3) Ode τ é a tesão cisalhate (Pa), é a taxa de deformação (s -1 ), é o idice de comportameto (adimesioal), τ0 é o limite de escoameto (Pa), K é o ídice de cosistêcia do fluido (Pa.s ) e µ é a viscosidade aparete (Pa.s). RESULTADOS E DISCUSSÕES Estudo da viscosidade Nas figuras 1 e 2 são apresetadas as curvas de fluxo ascedete e descedete (tesão cisalhate e viscosidade aparete em fução da taxa de deformação) para fluidos preparados com goma xataa a cocetrações de 0,15%, 0,20% e 0,25% em soluções aquosas com barita. Figura 1 Efeito das diferetes cocetrações de goma a tesão cisalhate.

3 fato da goma xataa ser um aditivo comumete usado em formulações de fluido de petróleo. As curvas de fluxo ascedetes e descedetes podem ser usadas para caracterizar a tixotropia por histerese. Na Figura 1 observa-se que as soluções com diferetes cocetrações de goma xataa estudadas praticamete ão apresetam caráter tixotrópico. As curvas de fluxo ascedetes e descedetes foram coicidetes. Comparação com o fluido de perfuração BRMUL: Figura 2 Efeito das diferetes cocetrações de goma a viscosidade aparete Com base o tipo de curvas pode se otar que todos os fluidos estudados apresetaram um comportameto ão Newtoiao e pseudoplástico. Isto pode ser observado a Figura 1, a qual o uso de uma cocetração mais alta de goma xataa coduziu a um aumeto a tesão cisalhate para uma dada taxa de cisalhameto, para todas as soluções preparadas. Outra importate característica das soluções de goma xataa que é evideciada a Figura 1 é a preseça da tesão limite de escoameto, a qual represeta a tesão limite requerida para iiciar o fluxo, que é aumetada com o aumeto a cocetração de GX. Assim, devido a sigificate preseça da tesão limite de escoameto, os modelos que melhor descreverão o comportameto dos fluidos estudados serão os modelos de Herschel-Bulkley e Bighem, além do modelo de Ostwald Waale. A Figura 2 mostra que o comportameto da viscosidade aparete em fução da taxa de deformação para diferetes cocetrações de soluções de GX é expoecial, o qual cofirma a característica de fluido ão ewtoiao; caso cotrário, o comportameto deveria ser liear. Nesta figura pode também ser observado que a viscosidade aparete aumeta com a cocetração de goma xataa e tede a valores quase costates com o uso de taxas de deformação mais altas. Este comportameto assitótico é atigido primeiro (ou em meores taxas de deformação) para soluções com meores cocetrações de goma xataa. Pode também ser otado a Figura 2, que a viscosidade aparete do fluido decresce com o aumeto da taxa de deformação, a qual caracteriza este polímero como um agete modificador reológico com características pseudoplásticas. Em baixas taxas de deformação, o fluido comporta-se como sólido, com viscosidade tededo a valores extremamete altos, os quais decaem drasticamete com o aumeto do cisalhameto. Estas características explicam o A fim de se comparar os fluidos preparados com o fluido de perfuração BR MUL, são mostradas a Figura 3 as viscosidades aparetes das soluções com cocetração de 0,15% a 0,25% de goma xataa a 25 ºC e do fluido BR MUL. Figura 3 Curvas de viscosidade para o fluido BRMUL e para as soluções de GX preparadas. Observa-se a Figura 3 que, depededo da taxa de deformação utilizada o fluido de perfuração pode ser mais bem represetado pelas soluções de GX com cocetrações mais baixas ou mais altas. Para taxas de cisalhameto a faixa de 0 s -1 a 20 s -1, as soluções GX com cocetrações de 0,15% a 0,20% represetam melhor o comportameto do fluido BR MUL, mas a faixa de 60 s -1 a 100 s -1, a solução com cocetração de 0,25% de GX represeta melhor o fluido. Modelos reológicos Existem muitos modelos para descrever a reologia de sistemas ão-ewtoiaos. Dados de tesão cisalhate-taxa de deformação dos fluidos de GX foram testadas por três diferetes modelos reológicos: Bigham, Ostwald de Waale e Herschel-Bulkley. Devido ao fato de que as soluções com diferetes cocetrações de GX ão exibiram tixotropia, ão houve variação sigificativa os parâmetros reológicos das curvas ascedetes e descedetes, e, por isso, os

4 dados de ambas as curvas foram utilizados para ajustar os modelos. O modelo de Herschel-Bulkley melhor descreveu os fluidos de GX quado comparado com os modelos de Bigham e Ostwald Waale para as cocetrações de 0,15% e 0,20%, apresetado coeficietes de correlação liear (R 2 ) com valores superiores a 0,997 para toda a faixa de taxa de deformação ivestigada (Tabela 2). O fluido com cocetração de GX de 0,25% foi melhor represetado pelo modelo de Ostwald Waale com R 2 = 0,999. O ídice de fluxo () obtido pelo modelo Herschel-Bulkley para todos os fluidos estudados foi etre 0 e 1, idicado pseudoplasticidade, 0 < <1. O modelo de Ostwald Waale mesmo ão possuido o termo liear (tesão de cisalhameto) apresetou bos resultados para a previsão do comportameto do fluido preparado com as mais altas cocetrações de goma xataa estudadas. Porém quado utilizado para fluidos com baixa cocetração de goma xataa o mesmo apreseta resultados iferios em comparação com os modelos Herschel-Bulkley e Bigham. Ifluêcia da temperatura sobre a reologia dos fluidos preparados com GX Os testes foram feitos com o objetivo de avaliar a ifluêcia da temperatura sobre a reologia das soluções preparadas em diferetes cocetrações. A Figura 4 mostra as curvas de reologia e viscosidade em fução da temperatura para os fluidos preparados com 0,15%, 0,20% e 0,25% de GX. Foram observadas difereças otáveis da tesão das curvas ascedetes (aumeto liear da taxa de deformação de 0 a 200 s -1 ) com as curvas descedetes (redução liear da taxa de deformação s -1 ), uma vez que as curvas ão se sobrepuseram umas sobre as outras. As tesões observadas para as curvas ascedetes foram ligeiramete maiores em comparação com as curvas descedetes. Por causa disso, pode-se dizer que os fluidos de GX exibiram ligeira tixotropia. Pode ser visto as figuras ateriores que para a mesma taxa de deformação, a viscosidade aparete e a tesão cisalhate tedem a dimiuir com o aumeto da temperatura. Assim, a tesão cisalhate e a viscosidade aparete dos fluidos preparados com GX dimiuem com o aumeto da temperatura. Estimativa de parâmetros reológicos Verificou-se que o uso do modelo Herschel- Bulkley mostrou excelete represetação dos dados para toda a faixa de taxa de deformação utilizada este trabalho. Os valores do ídice de cosistêcia (k) e do ídice de comportameto () foram obtidos através do ajuste dos dados da tesão cisalhate em fução da taxa de deformação para o modelo Herschel-Bulkley, para os fluidos com diferetes cocetração de goma e temperatura, e são apresetados a Tabela 2. Os coeficietes de correlação (R 2 ) foram 0,973 ou superior para todas as amostras testadas, idicado a adequação do modelo selecioado para descrever as propriedades de fluxo das soluções de GX. Ao observar os valores dos ídices de comportameto de fluxo,, pode-se afirmar que as características pseudoplásticas da goma xataa são preservadas quado ela é exposta a temperaturas etre 20 C e 50 C (0 < <1). Tabela 2 Ajuste dos modelos reológicos para os fluidos preparados Bigham Ostwald Waale Herchell-Bulkley 0 0 K XG (%) R 2 R 2 K R Fluido BRMUL

5 (a) (b) (c) Figura 4 Efeito das diferetes temperaturas e cocetrações de goma a tesão cisalhate e viscosidade aparete das soluções de goma xataa com cocetrações de 0,15%(a), 0,20%(b) e 0,25%(c). Tabela 3 Parâmetros do modelo Herschell-Bulkley para diferetes cocetrações de GX e temperatura. Curva ascedete Curva descedete GX (%) T ( C) K R 2 K R Fluido de perfuração

6 Os valores dos ídices de cosistêcia (K) variaram etre 0,158-0,948 Pa s para as curvas ascedetes e 0,114-0,691 Pa s para as curvas descedetes coforme a goma xataa aumeta a partir de 0,15% a 0,25% e a temperatura de 20 a 50 C. Algus dos dados de reometria, apresetados a Tabela 2 são apresetados as Figuras 5 e 6. De um modo geral, os valores dos ídices de comportameto,, decaem com a temperatura e com a cocetração de GX. Por outro lado, o ídice de cosistêcia, K, aumeta com a cocetração de GX e a temperatura. Figura 5 - Ídice de comportameto de fluxo versus temperatura para diferetes cocetrações de GX. cocetrações de GX de 0,15% para 0,25%, e a faixa de temperatura de 20 a 50 C. O aumeto da cocetração de GX os fluidos acarretou um aumeto da viscosidade e pseudoplasticidade, equato o aumeto da temperatura resultou em uma dimiuição da viscosidade e pseudoplasticidade. A atureza da pseudoplasticidade de dispersões de GX com barita foi evideciada e a comparação com um tipico fluido de perfuração prova uma possível adequação para aplicação a idústria do petróleo. O modelo de Herschel-Bulkley descreveu corretamete todos os dados reológicos das soluções preparadas e o ídice de comportameto de fluxo e coeficiete de cosistêcia foram obtidos para este modelo. A aálise da ifluêcia da cocetração e da temperatura sobre os parâmetros do modelo de Herschel-Bulkley mostra que à medida que a temperatura da solução aumeta, o parâmetro dimiui e K aumeta, equato um aumeto de cocetração de GX resultou em um acréscimo de k e decréscimo de. AGRADECIMENTOS Agradecemos à CAPES e a PETROBRAS pelo apoio fiaceiro. REFERENCIAS Figura 6 - Coeficiete de cosistêcia versus temperatura para diferetes cocetrações de GX. CONCLUSÕES Depois do estudo da ifluêcia da cocetração e da temperatura sobre a reologia dos fluidos preparados, os resultados obtidos permitem cocluir que as soluções de goma xataa com barita comportaram-se como fluidos ãoewtoiaos, pseudoplásticos, as J. Ahmed, H.S. Ramaswamy: Food Hydrocolloids Vol. 18 (2004) p M.A. Cacela, E. Álvarez, R. Maceiras: Joural of Food Egieerig Vol. 71 (2005) p V.C. Kelessidis, R. Maglioe, C. Tsamataki, Y. Aspirtakis: Joural of Petroleum Sciece ad Egieerig Vol. 53 (2006) p A. Koocheki, S.A. Mortazavi, F. Shahidi, S.M.A. Razavi, A.R. Taheria: Joural of Food Egieerig Vol. 91 (2009) p S.M. Al-Zahrai: Joural of Petroleum Sciece ad Egieerig Vol. 17 (1997) p A.T. Bourgoye Juior et al. Applied Drillig Egieerig. TEXA USA: SPE Textbook, 2 v, V. Matho, V.P. Sharma: Joural of Petroleum Sciece ad Egieerig Vol. 45 (2004) p. 123.