ANÁLISE DE PARTÍCULAS SEDIMENTANDO EM FLUIDO DE PERFURAÇÃO PELA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DE RAIOS GAMA

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1 ANÁLISE DE PARTÍCULAS SEDIMENTANDO EM FLUIDO DE PERFURAÇÃO PELA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DE RAIOS GAMA Flávia Marques Fagundes, 2 Victória Cecília Moreira Nunes Lemos, 2 Homero de Castro Oliveira, 3 João Jorge Ribeiro Damasceno e 3 Fábio de Oliveira Arouca Bolsista de Mestrado do programa de pós-graduação CNPq/UFU, discente do programa de pós-graduação do curso de Engenharia Química da UFU/MG. 2 Discente do curso de Engenharia Química da UFU/MG. 3 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG,2,3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 22, Bloco K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP ) jjrdamasceno@gmail.com RESUMO O estudo do comportamento de materiais pulverulentos sedimentando em fluido nãonewtoniano, como por exemplo, o fluido utilizado em processos de perfuração de poços de petróleo e gás natural, é de grande importância para a indústria petrolífera. Uma das principais funções do fluido é o transporte eficiente, até a superfície, de cascalhos produzidos no processo de perfuração de poços de petróleo. Em tais procedimentos, paradas operacionais para manutenções corretivas ou preventivas podem ocorrer, interrompendo temporariamente o processo. Nesse período de parada, a distribuição de concentrações de sólidos no seio do fluido de transporte apresenta alterações ao longo da coluna, devido a sedimentação de partículas, fato que pode causar danos operacionais irreversíveis. Apesar da indústria do petróleo vir buscando metodologias que reduzam essas operações de paradas, ela também busca formas de melhorar o transporte dos cascalhos. Nesse contexto, o objetivo principal deste trabalho é monitorar a dinâmica de separação e a interação de um conjunto de partículas que sedimentam no fluido de perfuração comumente utilizado em poços de petróleo, que tem a pseudoplasticidade, aliada aos efeitos de dependência do tempo, como característica particular. Para tanto, o monitoramento da sedimentação dos materiais sólidos foi conduzido em testes de sedimentação gravitacional em batelada. A Técnica de Atenuação de Raios Gama (TARG) foi empregada no estudo a fim de permitir a realização de medidas indiretas da concentração local de sólidos, como função do tempo, para diferentes posições do recipiente de testes. Uma das grandes vantagens do uso da TARG está diretamente relacionada ao fato de ser uma técnica não destrutiva. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios e permitiram a determinação precisa da concentração volumétrica de sólidos em um teste de sedimentação, usando um fluido de perfuração comercial, cuja dinâmica foi monitorada durante aproximadamente oito meses. Palavras-Chave: sedimentação em fluido pseudoplástico, atenuação de raios gama, br-mul INTRODUÇÃO O fluido utilizado no processo de perfuração de poços de petróleo possui relevante importância. Dentre suas funções, ele deve transportar os cascalhos, gerados durante a perfuração, desde o fundo do poço até a superfície. No entanto, existe um problema nas paradas operacionais de funcionamento da bomba que injeta o fluido dentro da coluna de perfuração. De acordo com Gandelman et al. (2008), durante esse tempo de parada de funcionamento da bomba, o perfil de concentração de sólidos no fluido de perfuração apresenta mudanças, devido a sedimentação de partículas. Para evitar danos operacionais causados pela sedimentação, a indústria do petróleo tem buscado reduzir as operações de paradas durante a perfuração de um poço e melhorar o fluido utilizado para o transporte dos cascalhos. Portanto, o estudo da sedimentação do fluido br-mul durante a simulação de uma parada operacional a fim de obter a distribuição das concentrações de partículas sedimentando com o tempo é de suma importância, e está diretamente ligada às propriedades reológicas desses fluidos. Sedimentação A sedimentação é uma operação que

2 Tensão cisalhante consiste na deposição de material sólido suspenso em um fluido devido à ação da força de campo gravidade. Segundo Arouca (2007), este fenômeno pode ter sua representação através das equações da continuidade e do movimento para ambos os constituintes, sólido e líquido, e pelo conhecimento de equações constitutivas relativas a cada sistema em particular. O conhecimento da concentração de partículas, por sua vez, é de extrema importância para a descrição do fenômeno. Conforme Kynch (952) este fenômeno é unidimensional e apresenta como característica principal o aumento da concentração volumétrica de sólidos ( ) com o tempo no sentido do fundo do recipiente. A teoria apresenta ainda a descrição de quatro regiões distintas do fenômeno da sedimentação em batelada: região de líquido clarificado, região de sedimentação livre, região de transição e região de formação do sedimento, separadas por descontinuidades móveis que variam com o tempo (Figura ) e que, por sua vez, aumentam o grau de complexidade da modelagem do fenômeno. Basicamente os fluidos são classificados de acordo com a relação entre tensão cisalhante e taxa de deformação (Machado, 2002). Quando esta relação é constante, o fluido é caracterizado como newtoniano, no entanto, de forma abrangente, quando esta relação não é constante ele é classificado como fluido nãonewtoniano, podendo apresentar uma tensão mínima necessária para o início do escoamento. Os fluidos não-newtonianos são divididos em fluidos independentes do tempo, dependentes do tempo e visco-elásticos. Segundo Machado (2002), os fluidos de perfuração de poços de petróleo apresentam propriedades de fluidos pseudoplásticos dependentes do tempo (Figura 2). Assim, o fluido deve ter facilidade de transportar os cascalhos quando em movimento, ou seja, naquele instante o fluido deve apresentar viscosidade aparente reduzida, e quando o movimento for cessado ou reduzido, a sedimentação das partículas deve ser dificultada, devido ao aumento da viscosidade aparente. Fluido tixotrópico Taxa de deformação Figura 2 Fluido dependente do tempo. Técnica de atenuação de raios gama Figura Regiões da sedimentação em batelada segundo Kynch (adapatado de Arouca, 2007). Caracterização do fluido Os fluidos apresentam diferentes comportamentos de acordo com a sua reologia. Quando a suspensão é muito diluída, testes por meio de técnicas simples de amostragem podem ser realizados. No entanto, para suspensões mais concentradas deve-se optar por uma técnica que não provoque perturbações no sistema. Sendo assim, utilizar uma técnica não destrutiva baseada na medida de atenuação de raios gama é uma alternativa (Arouca, 2007). Esta técnica, que faz a leitura indireta da concentração local de partículas, consiste na emissão de um feixe de radiação gama que atravessa o meio físico.

3 Viscosidade aparente (Pa.s) Para uma suspensão sólido-líquido, a relação entre intensidade do feixe de radiação detectada e concentração volumétrica de partículas, corrigida pelo tempo de resolução do sistema, pode ser expressa pela equação de Lambert (GARDENY e ELY-JR, 967): () em que é a contagem corrigida do número de pulsos que passam pelo meio físico, é a contagem corrigida do número de pulsos de radiação que passam pela proveta sem concentração de sólidos e é u m parâmetro que deve ser estimado experimentalmente. Trabalhos anteriores mostram a eficiência da técnica de atenuação de raios gama para caracterizar sistemas sólido-líquidos. Um desses trabalhos foi o de Moreira (204) que aplicou a técnica de atenuação de raios gama no estudo do processo de sedimentação em batelada, tanto para suspensões newtonianas como para nãonewtonianas, a fim de mapear as concentrações de sólidos em função da posição em relação a base e do tempo. Os resultados obtidos permitiram observar as quatro regiões apresentadas por Kynch (952). Outro trabalho utilizando a mesma técnica é o estudo realizado por Arouca e Damasceno (2005a) no qual usaram caulim em testes de sedimentação em batelada. Os autores admitiram a concentração local como uma função da curva de atenuação e aplicaram a técnica para determinação de parâmetros de equações constitutivas para pressão nos sólidos e permeabilidade do meio poroso. Outro estudo dos autores (Arouca e Damasceno, 2005b) usou a atenuação de raios gama no monitoramento de concentrações como função da posição e do tempo em testes dinâmicos de sedimentação em batelada. Os resultados obtidos pelos autores permitiram um mapeamento completo de uma coluna de sedimentação e a caracterização de regiões distintas do fenômeno. Os resultados obtidos permitem a validação de modelos matemáticos para a sedimentação unidimensional. Dessa forma, aliando conhecimentos adquiridos em diversos trabalhos que têm sido publicados na literatura com a parte experimental que foi desenvolvida, foram obtidas novas informações sobre a sedimentação do fluido brmul, caracterizado como pseudoplástico dependente do tempo. METODOLOGIA Para a realização dos testes foi utilizado um fluido de perfuração de poços de petróleo adensado com barita (br-mul), cedido pela empresa Petrobrás S.A. A determinação da concentração de sólidos presentes na suspensão foi obtida por meio de testes de retorta em duplicata utilizando o Kit Retorta da marca FANN modelo As pesagens das células vazias do Kit Retorta, assim como elas preenchidas com as amostras do br-mul antes e depois do experimento foram feitas em uma balança semi-analítica da marca GEHAKA modelo BK A densidade dos sólidos presentes no fluido, obtidos após a realização da retorta, foi determinada por meio da técnica de picnometria de gás hélio utilizando o aparelho Gas Pycnometer da Micromeritics, modelo AccuPyc 330. O valor médio da densidade dos sólidos presentes no fluido é de (2,709±0,002) g/cm 3, obtido a partir de cinco medidas distintas de uma mesma amostra do sólido. A caracterização reológica do fluido (Figura 3) foi realizada a 25ºC e atm utilizando um reômetro Brookfield R/S Plus com banho termostatizado também da mesma marca. 0,00 0,095 0,090 0,085 0,080 0,075 0,070 0,065 0,060 0, s - 800s - 600s - 400s - 0, Tempo (s) Figura 3 Gráfico que caracteriza o fluido utilizado durante o experimento. A unidade experimental

4 A metodologia desse trabalho foi baseada na execução da técnica não destrutiva de atenuação de raios gama. Em resumo, essa técnica utilizada consistiu basicamente no direcionamento transversal de um feixe de radiação, proveniente de um cilindro de amerício (Am 24 ), de modo que atravessasse o recipiente de testes, no qual estava contida a solução a ser analisada, e fosse captado por uma válvula fotomultiplicadora, integrante ao sistema de detecção. À medida que este feixe chegava ao sistema de detecção, era realizada a leitura indireta da concentração local por meio de um computador. A Figura 4 apresenta um esquema geral da unidade experimental de aplicação de radioisótopos utilizada por este trabalho. -Fonte de radiação: Amerício-24 2-Recipiente de testes 3-Detector de cintilação 4-Válvula fotomultiplicadora com pré-amplificador 5-Fonte de alta tensão 6-Contador de pulsos 7-Amplificador 8-Analisador de canais SCA 9-Placa de aquisição de dados 0- Computador Figura 4 Esquema da unidade experimental utilizada para ensaio de sedimentação utilizando técnica de atenuação de raios-gama. Monitoramento da variação de concentração de sólidos ao longo do tempo para diferentes posições da proveta de testes Antes do início do experimento, a solução foi homogeneizada manualmente no eixo vertical com um misturador cônico vazado cuja base apresenta diâmetro levemente menor do que o recipiente de testes. Após esse procedimento, foi obtida a concentração indireta de sólidos no primeiro dia de andamento do experimento. Nos demais dias de testes, a solução foi deixada em repouso para que a sedimentação acontecesse. A coleta da concentração acontecia uma vez por semana em diferentes posições verticais da suspensão. RESULTADOS A partir do experimento de sedimentação em batelada com o fluido de perfuração de poços de petróleo, br-mul, adensado com barita e da utilização da técnica de atenuação de raios gama foi possível obter as distribuições de concentrações volumétrica

5 formadas pela sedimentação de partículas sólidas. Algumas distribuições de concentrações obtidos pela TARG estão apresentados nas Figuras 5 à 9: z = 0,5 cm Figura 5 Distribuição de concentrações na posição z=0,5 cm. z = 2 cm Figura 6 Distribuição de concentrações na posição z=2 cm. z = 6 cm Figura 7 Distribuição de concentrações na posição z=6 cm. z = 8 cm Figura 8 Distribuição de concentrações na posição z=8 cm z = 20 cm Figura 9 Distribuição de concentrações na posição z=20 cm. Ao se comparar os resultados clássicos de sedimentação em fluidos newtonianos com os resultados deste trabalho se pode avaliar, como principal diferença, a maneira como ocorreu a passagem da descontinuidade clarificada diante do sistema de medidas; e ao comparar os resultados com os de Moreira (204), que também analisou a sedimentação de fluidos nãonewtonianos, nota-se a diferença do tempo necessário para que o fluido comece a apresentar mudanças em relação a concentração volumétrica de partículas. Nas Figuras 5, 6 e 7 foi possível verificar que o aumento da concentração de sólidos necessita de tempos maiores para posições mais distantes da base da proveta. Sendo aproximadamente necessários 5 dias para a posição z= 0,5 cm, 50 dias para z=2 cm e 50

6 dias para z= 6 cm. Percebeu-se também que as inclinações das curvas apresentadas nos gráficos diminuem com o aumento da altura do monitoramento. No entanto, na Figura 8 observa-se que, em cerca de oito meses de experimento, não houve variação da concentração, caracterizando essa altura como pertencente a região de sedimentação livre. Na sedimentação deste fluido de perfuração de poços de petróleo, foi observado que, não houve uma brusca redução da concentração em um curto período de tempo (Figura 9), como comumente ocorre no caso de fluidos newtonianos (Kynch, 952; Ruiz 997 e Arouca 2007). Uma explicação para tal fenômeno pode ser atribuída aos mecanismos de segregação de tamanhos entre as partículas que é mais relevante em fluidos pseudoplásticos z = 0,5 cm z = cm z = 2 cm z = 3 cm z = 4 cm z = 6 cm z = 8 cm z = 2 cm z = 6 cm z = 8 cm z = 20 cm Figura 0 Distribuição de concentrações para todas as posições monitoradas durante o experimento. A Figura 0, a seguir, apresenta todas as distribuições de concentrações volumétricas de sólidos monitoradas durante o experimento. Nela, nota-se que todas as curvas exibem comportamento coerente, ou seja, as curvas mais próximas da base do recipiente de testes começam a sedimentar mais rápido, já nas posições intermediárias não houve alterações nas concentrações e na posição mais longe da base (20 cm) percebe-se a formação da região de líquido clarificado. CONCLUSÃO Com base no estudo teórico e experimental da sedimentação gravitacional em batelada, a utilização da fonte de radiação Am 24 da técnica de atenuação de raios gama se mostra eficaz quando utilizada para a determinação da concentração volumétrica de sólidos nesse fluido de perfuração de poços de petróleo e para essa concentração inicial. O comportamento das partículas sedimentando no fluido pseudoplástico, se mostrou diferente dos resultados conhecidos de sedimentação em fluidos newtonianos. A principal diferença verificada foi na maneira com a qual ocorre a passagem da interface clarificada. NOMENCLATURA - parâmetro estimado experimentalmente [-] concentração volumétrica de sólidos [-] - contagem corrigida do número de pulsos [T - ] - contagem corrigida do número de pulsos de radiação que passam pela proveta sem concentração de sólidos [T - ] z posição do feixe horizontal de radiação em relação à base do recipiente de testes [L] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AROUCA, F. O.; DAMASCENO, J. J. R. Concentration profiles and iso-concentration curves for batch settling using the gamma

7 rays attenuation technique. Fifth International Latin-American Conference on Powder Technology - PTECH, 2005a. AROUCA, F. O.; DAMASCENO, J. J. R. Analysis of the behavior of solid-liquid systems based on the shape, size distribuition and density of the solid particles. Proceedings of Fifth International Latin-American Conference on Powder Technology - PTECH, 2005b. AROUCA, F. O. Uma Contribuição ao Estudo da Sedimentação Gravitacional em Batelada. Tese (Doutorado) - FEQ/UFU, DAMASCENO, J. J. R. Apostila usada para ministrar aulas da disciplina fenômenos de transporte. Graduação da Engenharia Química. FEQ/UFU, GANDELMAN, R. A.; MARTINS, A. L.; BASTOS, R.; GUILHERME, H. C. M.; PINTO, G. H. Particle Sedimentation in a Time Dependente Viscosity Fluid. IV Brazilian Conference on Rheology. Rio de Janeiro, GARDNER, R. P.; ELY JR, R. L. Radioisotope measurement applications in engineering. Reinhold Publishing Corporation, New York, EUA, 967. KYNCH, G. J. A theory of sedimentation. Trans. Amer. Soc., p , 952. MACHADO, J. C. V. Reologia e escoamento de fluidos. Ênfase da indústria do petróleo. Editora Interciência. p.2-37, MOREIRA, B. A. Estudo da sedimentação em suspensões de fluido com características reológicas pseudoplásticas. Tese (Doutorado) - FEQ/UFU, 204. RUIZ, M. I.; FERNANDES, R. S.; DAMASCENO, J. J. R. Mapeamento de concentração de sólidos em função da posição e do tempo para ensaios de sedimentação em batelada. XXV Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, 997. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao CNPQ (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e à PETROBRÁS pelo auxílio financeiro que tornou possível a realização deste trabalho..