DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE PASTAS LEVES PARA APLICAÇÃO EM CIMENTAÇÃO DE POÇOS PETROLÍFEROS COM BAIXO GRADIENTE DE FRATURA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE PASTAS LEVES PARA APLICAÇÃO EM CIMENTAÇÃO DE POÇOS PETROLÍFEROS COM BAIXO GRADIENTE DE FRATURA Romero Gomes da Silva Araujo Filho Orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo Co-orientador: Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas NATAL RN Março 2012

2 Romero Gomes da Silva Araujo Filho DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS DE PASTAS LEVES PARA APLICAÇÃO EM CIMENTAÇÃO DE POÇOS PETROLÍFEROS COM BAIXO GRADIENTE DE FRATURA Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como pré-requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Química, sob a orientação do Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo e coorientação do Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas. NATAL RN Março 2012

3 Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / CT / PPGEQ Biblioteca Setorial Professor Horácio Nicolas Solimo. Araujo Filho, Romero Gomes da Silva. Desenvolvimento de sistemas de pastas leves para aplicação em cimentação de poços petrolíferos com baixo gradiente de fratura / Romero Gomes da Silva Araujo Filho. - Natal, f.: il. Orientador: Marcus Antônio de Freitas Melo. Co-orientador: Júlio Cezar de Oliveira Freitas. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Engenharia Química. Programa de Pós- Graduação em Engenharia Química. 1. Cimento - Dissertação. 2. Cimentação - Poços petrolíferos - Dissertação. 3. Pastas cimentantes - Dissertação. 4. Vermiculita - Dissertação. 5. Fratura - Dissertação. I. Melo, Marcus Antônio de Freitas. II. Freitas, Júlio Cezar de Oliveira. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título. RN/UF/BSEQ CDU (043.3)

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5 ARAUJO FILHO, Romero Gomes da Silva. Desenvolvimento de sistemas de pastas leves para aplicação em cimentação de poços petrolíferos com baixo gradiente de fratura. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Área de concentração: Engenharia Química. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo Coorientador: Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas. RESUMO Em todo o mundo, ocorrem naturalmente depósitos de hidrocarbonetos, constituídos de petróleo e gás natural, contidos dentro de rochas denominadas "rochas reservatório", em geral arenitos ou carbonatos. Esses depósitos existem em variadas condições de pressão e profundidade, desde poucas centenas até milhares de metros. Em geral, reservatórios mais "rasos" têm a tendência a fraturar mais facilmente, pois possuem baixo gradiente de fratura, ou seja, as fraturas são formadas mesmo com colunas hidrostáticas de fluido relativamente baixas. Essas zonas de baixo gradiente de fratura são particularmente mais comuns em zonas onshore, como aqui no Rio Grande do Norte. Um dos momentos mais propícios para a ocorrência de fraturas é durante a cimentação do poço, ao se utilizar uma pasta cimentante de densidade superior ao máximo permitido pela estrutura rochosa. Além disso, em zonas já naturalmente fraturadas, o uso de cimentos comuns causa perda de fluido para a formação, o que pode dar causa a cimentações falhas. Comercialmente, existem alternativas para o desenvolvimento de sistemas de pastas de cimento leves, mas esses falham ou em razão de seu elevadíssimo custo, ou em função das propriedades da pasta obtida não serem suficientemente boas para aplicações mais genéricas, ficando restritas a cada operação para qual a pasta de cimento foi feita. Nesse trabalho foi realizado um planejamento estatístico para determinar a influência de três variáveis, definidas como a concentração de cloreto de cálcio, concentração de vermiculita e concentração de nano sílica, nas várias propriedades do cimento. O uso da vermiculita, um minério de baixa densidade presente em grandes quantidades no nordeste brasileiro, como extensor para pastas cimentantes, permitiu a produção de pastas estáveis, com alta razão água/cimento, propriedades reológicas excelentes e baixas densidades, que foram fixadas em 12,5 lb/gal. Viu-se também que o cloreto de cálcio é um poderoso viscosificante e gelificante, e seu uso combinado com a nano sílica possui grande efeito nas forças géis do cimento. Estudos de estabilidade hidrotérmica mostraram que as pastas foram estáveis nessas condições, e os ensaios de resistência mecânica mostraram valores da ordem de até 10 MPa. Palavras-chave: ANOVA, cimento, cimentação, pastas leves, vermiculita, baixo gradiente de fratura. iii

6 ARAUJO FILHO, Romero Gomes da Silva. Desenvolvimento de sistemas de pastas leves para aplicação em cimentação de poços petrolíferos com baixo gradiente de fratura. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Área de concentração: Engenharia Química. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Orientador: Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo Coorientador: Prof. Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas. ABSTRACT All around the world, naturally occurring hydrocarbon deposits, consisting of oil and gas contained within rocks called reservoir rocks, generally sandstone or carbonate exists. These deposits are in varying conditions of pressure and depth from a few hundred to several thousand meters. In general, shallow reservoirs have greater tendency to fracture, since they have low fracture gradient, ie fractures are formed even with relatively low hydrostatic columns of fluid. These low fracture gradient areas are particularly common in onshore areas, like the Rio Grande do Norte basin. During a well drilling, one of the most favorable phases for the occurrence of fractures is during cementing, since the cement slurry used can have greater densities than the maximum allowed by the rock structure. Furthermore, in areas which are already naturally fractured, the use of regular cement slurries causes fluid loss into the formation, which may give rise to failures cementations and formation damages. Commercially, there are alternatives to the development of lightweight cement slurries, but these fail either because of their enormous cost, or because the cement properties were not good enough for most general applications, being restricted to each transaction for which the cement paste was made, or both reasons. In this work a statistical design was made to determine the influence of three variables, defined as the calcium chloride concentration, vermiculite concentration and nanosilica concentration in the various properties of the cement. The use of vermiculite, a low density ore present in large amounts in northeastern Brazil, as extensor for cementing slurries, enabled the production of stable cements, with high water/cement ratio, excellent rheological properties and low densities, which were set at 12.5 lb / gal, despite the fact that lower densities could be achieved. It is also seen that the calcium chloride is very useful as gelling and thickening agent, and their use in combination with nanosilica has a great effect on gel strength of the cement. Hydrothermal Stability studies showed that the pastes were stable in these conditions, and mechanical resistance tests showed values of the order of up to 10 MPa. Keywords: ANOVA, cement, cementing, low-density slurries, vermiculite, low fracture gradient. v

7 Dedicatória Dedico esse trabalho a Deus pela graça alcançada. Aos meus pais, Rosângela e Romero, por sempre me acompanharem, me ajudarem e me darem os incentivos que eu precisei durante minha vida. À minha irmã, Renata, pelos apoios nas horas difíceis, brincadeiras, companheirismo, amizade, conversas, e tudo o mais que já passamos juntos. À Juli, pela imensa presença de espírito, capaz de ajudar qualquer pessoa, em qualquer momento. Aos amigos da Petrobras, que estiveram comigo no Curso de Formação de Engenheiros de Petróleo em Salvador, pela companhia, ajudas nas provas, horas incontáveis de conversas, horas incontáveis ao telefone para tirar dúvidas de última hora, estudos (em geral até altas horas da noite, nos momentos mais desesperadores), cafés após as aulas, e, principalmente, pelas fortes amizades que foram forjadas, em um momento em que apenas tínhamos uns aos outros e todos passavam pelas mesmas dificuldades. Dedico esse trabalho, em especial, para Ana Paula, Ilana Müller, Vívian Conceição, Karime Glitz, Cido Perissé, Alana Perissé, Samuel Arimatéia, Daniele Menezes, Fernando Henrique, Hélder Oliveira, Rodolpho Oliveira, Juan Pablo, Mary Ellen, Mayra Ferreira, Moema Martins, Pedro Loques e Tiago Leviski. Muito obrigado. Eu não teria conseguido sem vocês. Aos amigos da faculdade e da época da Iniciação Científica, pelas amizades que duram até hoje. Por mais distantes que estejamos, geograficamente falando, sempre poderemos contar um com o outro, e é isso que importa. Em especial, Bruno Medeiros, Renato Dantas, Igor Silva, Filipe Oliveira, Juliana Pivotto e Letícia Campos. Aos meus orientadores, Prof. Marcus Melo, Prof. Júlio Cezar e Profª Dulce, não tenho como agradecer por tudo que me fizeram, desde a graduação, até a obtenção do meu título de Mestre. Aos professores do DEQ/PPGEQ, pelos ensinamentos transmitidos e lições aprendidas durante toda a graduação e pós-graduação. A todos os outros que não tive como citar, meu muito obrigado. Eu jamais teria alcançado tudo o que alcancei se não fosse por todos vocês que cruzaram meu caminho e me ajudaram, de uma forma ou de outra. vi

8 Sumário RESUMO...iii ABSTRACT...iv Dedicatória...vi Sumário...vii Lista de Figuras...x Lista de Tabelas...xiv Nomenclatura...xvi 1 Introdução Revisão Bibliográfica Cimentação Cimentação primária Cimentação secundária Tampões de cimento Recimentação Compressão de cimento ou Squeeze Fatores que afetam uma cimentação O Cimento Classificação dos Cimentos Hidratação do Cimento Efeitos da Temperatura na Hidratação do Cimento Desenvolvimento da Pasta Cimentante Aditivos Aceleradores de Pega Retardadores de Pega Extendedores Extendedores Pozolânicos Extendedores Químicos Cimento Aerado Agentes Adensantes Dispersantes Controladores de Filtrado...37 vii

9 Bentonita Geopressões Vermiculita Análise Experimental Estatística Conceitos Básicos de Estatística Análise de Variância (ANOVA) Desenvolvimento do Planejamento Experimental Análise Fatorial 3³ Metodologia de Superfícies de Resposta Materiais e Métodos Seleção dos componentes Metodologia para preparação das pastas leves visando à otimização e melhor desempenho dos aditivos utilizados Objetivo dos aditivos Utilizados Mistura das Pastas Homogeneização das Pastas Metodologia Para Ensaios E Testes Ensaios Reológicos Ensaio de Consistometria Ensaio de avaliação da Estabilidade Ensaio de Resistência à Compressão Resultados e Discussões Caracterização da Vermiculita Determinação da composição química Determinação da área superficial Análise Termogravimétrica Difração de Raios-X Microscopia eletrônica de varredura Consistência Reologia Reologia a 3 RPM Reologia a 300 RPM Gel Inicial viii

10 4.3.4 Gel Final Estabilidade Resistência à Compressão Conclusão Referências ix

11 Lista de Figuras Figura Pressões no fundo do poço e suas conseqüências conforme peso específico...18 Figura Tipos de revestimento numa cimentação primária (COSTA, 2004)...23 Figura Esquema de poço com falha de cimentação (THOMAS, 2004)...24 Figura (a) Tampão de abandono e (b) Tampão de cimento (COSTA, 2004)...26 Figura (a) Falha na cimentação e (b) Squeeze de cimento para correção da falha (FREITAS, 2008) Figura Estruturas: (a) flogopita; (b) estrutura da vermiculita com cátions de Mg hidratado nas regiões entre camadas de H2O e (c) estrutura estratificada de flogopita com vermiculita. (UGARTE et al., 2005)...40 Figura Interpretação geométrica dos efeitos num planejamento fatorial Figura Representação geométrica dos contrastes correspondendo aos efeitos principais (a) e de interação a dois fatores em um planejamento fatorial 2 3 (b) (BARROS NETO et al, 2001)...51 Figura Modelo de representação das relações entre a resposta experimental Y de uma reação e os fatores A e B que influenciam esta resposta associados à mesma reação...54 Figura 3.1 Diagrama do procedimento experimental e materiais utilizados no trabalho...57 Figura (A) Esquema Ilustrativo do Misturador; (B) Misturador de Palheta Chandler Modelo 80-60, com controlador de velocidade...60 Figura Consistômetro atmosférico Chandler, modelo Figura Viscosímetro rotativo de cilindros coaxiais Chandler Modelo Figura (a) Esquema Ilustrado da Câmara de pressurização do Consistômetro; (b) Consistômetro Pressurizado Chandler Modelo Figura Tubo decantador Figura Seccionamento da amostra de cimento curada: Topo (I); Intermediários (II) e (III); Fundo (IV). Fonte: Lima, Figura Banho Termostático Nova Ética Modelo 500/3DE Figura 4.1 TG / DTG Vermiculita bruta fina Figura 4.2 TG / DTG Vermiculita expandida fina Figura 4.3 DRX Vermiculita natural fina...75 Figura 4.4 DRX Vermiculita expandida fina x

12 Figura 4.5 Micrografia Eletrônica da Vermiculita bruta Figura 4.6 Micrografia Eletrônica da Vermiculita expandida...77 Figura 4.7 Micrografia eletrônica das pastas de cimento durante o processo de hidratação do cimento com vermiculita expandida...78 Figura 4.8 Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores da consistência da pasta...81 Figura 4.9a Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de cloreto de cálcio e vermiculita em representação 3D...82 Figura 4.9b Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de cloreto de cálcio e vermiculita em representação 2D...83 Figura 4.10a Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de cloreto de cálcio e nano sílica em representação 3D...84 Figura 4.10b Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de cloreto de cálcio e nano sílica em representação 2D...85 Figura 4.11a Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de nano sílica e vermiculita em representação 3D...86 Figura 4.11b Superfície de Resposta dos valores de Consistência em função da concentração de nano sílica e vermiculita em representação 2D...87 Figura 4.12 Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores da reologia a 3RPM da pasta...90 Figura 4.13 Relação entre valores observados experimentalmente e valores preditos pelo modelo do R Figura 4.14 Superfície de Resposta dos valores de R3 em função da concentração de cloreto de cálcio e vermiculita...92 Figura 4.15 Superfície de Resposta dos valores de R3 em função da concentração de nano sílica e cloreto de cálcio...93 Figura 4.16 Superfície de Resposta dos valores de R3 em função da concentração de vermiculita e nano sílica...94 Figura 4.17 Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores da reologia a 300RPM da pasta...97 Figura 4.18 Superfície de Resposta dos valores de R300 em relação à concentração de cloreto de cálcio e vermiculita...98 xi

13 Figura 4.19 Superfície de Resposta dos valores de R300 em relação à concentração de cloreto de cálcio e nano sílica...99 Figura 4.20 Superfície de Resposta dos valores de R300 em relação à concentração de nano sílica e vermiculita Figura 4.21 Relação entre valores observados experimentalmente e valores preditos pelo modelo do R Figura 4.22 Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores do Gel Inicial da pasta Figura Superfície de Resposta dos valores de Gi em relação à concentração de cloreto de cálcio e vermiculita Figura Superfície de Resposta dos valores de Gi em relação à concentração de cloreto de cálcio e nano sílica Figura Superfície de Resposta dos valores de Gi em relação à concentração de nano sílica e vermiculita Figura Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores do Gel Final da pasta Figura Superfície de Resposta dos valores de Gf em relação à concentração de cloreto de cálcio e vermiculita Figura Superfície de Resposta dos valores de Gf em relação à concentração de cloreto de cálcio e nano sílica Figura Superfície de Resposta dos valores de Gf em relação à concentração de nano sílica e vermiculita Figura 4.30 Diagrama de Pareto da influência das várias variáveis estudadas nos valores da resistência mecânica da pasta Figura 4.31a Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de cloreto de cálcio e vermiculita Figura 4.31b Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de cloreto de cálcio e vermiculita Figura 4.32a Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de nano sílica e vermiculita Figura 4.32b Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de nano sílica e vermiculita xii

14 Figura 4.33a Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de cloreto de cálcio e nano sílica Figura 4.33b Superfície de Resposta dos valores da resistência mecânica da pasta em relação à concentração de cloreto de cálcio e nano sílica Figura 4.34 Relação entre valores observados experimentalmente e valores preditos pelo modelo da resistência mecânica Figura 4.35 Gráfico de valores observados experimentalmente pelos resíduos do erro do modelo Figura 4.36 Gráfico de valores preditos pelo modelo pelos resíduos do erro do modelo xiii

15 Lista de Tabelas Tabela Composição química (%) de vermiculitas comerciais brasileiras. ( UGARTE et al., 2005)...40 Tabela 2.2 Exemplo de observações...44 Tabela 2.3 Análise de variância completa usando os dados da Tabela Tabela Representação dos fatores e níveis para um planejamento fatorial Tabela Representação da matriz para os cálculos dos efeitos principais e de interação para um planejamento fatorial Tabela Efeitos da variável A...49 Tabela Efeitos da variável B...50 Tabela Efeitos da variável C...50 Tabela 2.9 Planejamento Fatorial Tabela 3.1 Materiais utilizados na preparação de pastas de cimento Tabela 3.2 Densidades absolutas e volumes específicos dos materiais utilizados Tabela 4.1 Formulações das pastas desenvolvidas no trabalho...68 Tabela 4.2 Composição química (% em óxidos) Vermiculita Natural (Bruta)...70 Tabela Composição química (% em óxidos) Vermiculita Expandida...71 Tabela Área superficial...72 Tabela Identificação das Cartas Cristalográficas...74 Tabela 4.6 Valores de Consistência das pastas estudadas...79 Tabela 4.7 ANOVA completa para a consistência...80 Tabela 4.8 ANOVA reduzida para a consistência...80 Tabela 4.9 Efeitos estudados para a R Tabela 4.10 ANOVA completa para a R Tabela 4.11 ANOVA reduzida para a R Tabela 4.12 Efeitos estudados para a R Tabela 4.13 ANOVA completa para a R Tabela 4.14 ANOVA resumida para a R Tabela 4.15 Efeitos estudados para o Gi Tabela 4.16 ANOVA completa para o Gi Tabela 4.17 ANOVA resumida para o Gi xiv

16 Tabela 4.18 Efeitos estudados para o Gf Tabela 4.19 ANOVA completa para o Gf Tabela 4.20 ANOVA resumida para o Gf Tabela 4.21 Efeitos estudados para a resistência Tabela 4.22 ANOVA completa para a resistência Tabela 4.23 ANOVA resumida para a resistência xv

17 Nomenclatura # % γ τ API et al g Gi Gf h Hn K LE min ml MESH n NBR C F rpm t Uc VP Abertura Mesh de peneira Percentual Taxa de deformação Tensão de cisalhamento American Petroleum Institute entre outros grama Gel inicial Gel final Hora Unidade Hogans Índice de Consistência Limite de escoamento minuto mililitro Tipo de classificação de abertura de peneira Índice de comportamento ou fluxo Norma Brasileira Grau Celsius Grau Fahrenheit Rotações por minuto Tempo Unidade Bearden Viscosidade Plástica xvi

18 1. INTRODUÇÃO

19 Introdução 1 Introdução A cimentação primária de poços de petróleo tem como função básica garantir a estabilidade mecânica e o isolamento zonal de um poço durante toda vida útil do mesmo. Já a cimentação secundária busca corrigir problemas advindos da cimentação primária, ou realizar algumas operações exigidas para a continuidade operacional do poço. Nas mencionadas operações de cimentação, são utilizados cimentos classificados pela API (American Petroleum Institute). Tais classes vão de cimento tipo A até cimento tipo J. A diferença entre essas classes está diretamente relacionada com a composição química do clínquer, que deve estar adequada às condições de uso, pela distribuição relativa das fases, profundidade e a temperatura dos poços (NELSON, 1990; THOMAS, 2004). Operações de cimentação primária em poços de petróleo em zonas geológicas com baixo gradiente de fratura requerem sistemas de pastas com baixas densidades, objetivando reduzir a pressão hidrostática no fundo do poço. Caso a pressão exercida pela coluna de cimento for superior à pressão de fratura da formação, a mesma poderá falhar e permitir a invasão do fluido para o interior das formações adjacentes ao poço. Esse processo é conhecido como perda de circulação (Figura 1.1) Pasta comum Maior peso específico Pasta espumada Menor peso específico P P FRATURA SEM FRATURA Invasão = Dano Baixa produtividade Sem invasão Maior produtividade Figura Pressões no fundo do poço e suas conseqüências conforme peso específico. 18

20 Introdução Sistemas de pastas leves para aplicação em cimentação de poços petrolíferos possuem um elevado fator água/cimento, reduzindo, com isso, a resistência mecânica das pastas. Atualmente, são adicionados materiais mais leves para tentar reduzir as densidades das pastas de cimento sem comprometer a resistência mecânica. Materiais como micro esferas ocas e agentes incorporadores de ar são comumente aplicados em sistemas de pastas leves. A vermiculita é um silicato hidratado de magnésio, alumínio e ferro que apresenta uma estrutura micáceo-lamelar com clivagem basal. O termo vermiculita é utilizado também para designar comercialmente um grupo de minerais micáceos constituído por cerca de dezenove variedades de silicatos hidratados de magnésio e alumínio, com ferro e outros elementos. A vermiculita expandida tem muitas aplicações, especialmente em isolamentos acústicos e térmicos, agregados para concretos leves. Na forma hidrofobizada pode ser usada na remoção de camadas poluentes do petróleo em superfície de águas oceânicas e adsorventes para purificação de água (PINTO, 2000). O objetivo desse trabalho era o desenvolvimento de uma pasta de cimento de baixa densidade, para aplicação em operações de cimentação primária e secundária, em poços de petróleo com baixo gradiente de fratura. Para se atingir tal objetivo, se utilizou um planejamento estatístico, combinado com a metodologia de superfície de resposta, para se prever melhor o comportamento das propriedades estudadas (propriedades reológicas, resistência compressiva e estabilidade) das pastas cimentantes, e otimizar a fabricação da pasta. Além disso, se caracterizou a vermiculita nos ensaios de fluorescência de raios-x, determinação da área superficial, analise termogravimétrica, difração de raios-x e microscopia eletrônica de varredura. O presente trabalho foi dividido em cinco partes. A primeira parte compreende a introdução. Na segunda parte, realizamos uma extensa revisão da literatura, onde se discorreu acerca da operação de cimentação em poços de petróleo, aditivos utilizados no cimento, geopressões, vermiculita e análise experimental estatística. No terceiro capítulo, discorremos acerca dos materiais e métodos utilizados na confecção das pastas cimentantes e dos testes realizados nas mesmas. O quarto capítulo é dedicado à discussão e análise dos resultados obtidos. Os resultados do planejamento e análise estatística formam o cerne do trabalho: a busca por 19

21 Introdução correlações que descrevam o comportamento das diferentes concentrações de aditivos (vermiculita, cloreto de cálcio de nanosílica) nas variáveis estudadas (reologia, resistência mecânica, consistência e estabilidade), além de se identificar a repetibilidade e relevância dos resultados obtidos nos testes realizados. Com base nas respostas e resultados adquiridos, pudemos desenvolver correlações e entender qual a real participação de cada um desses aditivos nas propriedades estudadas, com alto grau de confiabilidade dos dados. 20

22 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

23 Revisão Bibliográfica 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Cimentação A cimentação é uma das operações mais importantes realizadas em um poço de petróleo. Ocorre após o término da perfuração com o objetivo de compor a vedação entre as zonas permeáveis ou até mesmo em um único intervalo permeável, impedindo a intercomunicação de fluidos da formação que ficam por trás do revestimento, bem como propiciar suporte à coluna de revestimento (OLIVEIRA, 2004; VLACHOU, 1997). Em linhas gerais, uma cimentação consiste na mistura de uma pasta de cimento com água e a injeção da mesma pelo interior do revestimento, de forma a preencher o espaço entre o anular e a formação. Existem dois tipos de cimentação: a primária e a secundária (ou cimentação corretiva). A primária, como sua própria denominação já informa, ocorre logo após o término da perfuração de uma determinada seção. Além de isolar as zonas produtoras de óleo, gás e água, a cimentação primária busca proteger o revestimento de corrosão; prevenir eventuais kicks e blowouts, formando um selo protetor entre a formação e o revestimento; proteger o revestimento de eventuais choques causados pelo impacto da broca na continuação da perfuração; vedar zonas de perda de circulação (zonas ladronas) (CROOK, 2004). Já a cimentação secundária existe para corrigir eventuais problemas na cimentação primária. Em geral, caso a operação de perfuração e cimentação primária sejam bem planejadas, não há necessidade de se efetuar cimentações corretivas no poço Cimentação primária A cimentação primária é de grande importância para a construção de qualquer poço de petróleo, pois uma cimentação mal elaborada reduz o ciclo de vida do poço e implica em 22

24 Revisão Bibliográfica custos adicionais em sua construção. Este tipo de cimentação é aquela realizada após a descida de cada coluna de revestimento, e sua qualidade é avaliada, geralmente, por meio de perfis acústicos corridos por dentro do revestimento (PELIPENKO E FRIGAARD, 2004; THOMAS, 2004). A Figura 2.1 detalha os tipos de revestimento mais comumente encontrados em uma cimentação primária. Figura Tipos de revestimento numa cimentação primária (COSTA, 2004) O revestimento condutor é o primeiro revestimento do poço, assentado a pequenas profundidades (geralmente, 10 a 50 metros), com a finalidade de sustentar sedimentos superficiais não consolidados. No revestimento de superfície, o comprimento varia na faixa de 100 a 600 metros e visa proteger os horizontes superficiais, prevenir o desmoronamento das formações não consolidadas, e serve ainda como base de apoio para os equipamentos de segurança de cabeça de poço. O revestimento intermediário tem a finalidade de isolar e proteger zonas de alta ou baixas pressões, zonas de perda de circulação, formações desmoronáveis, formações portadoras de fluidos corrosivos ou contaminantes de lama. Seu comprimento é variável, de acordo com a formação que se deseja atingir. Por fim, o 23

25 Revisão Bibliográfica revestimento de produção, como o próprio nome indica, é descido com a finalidade de permitir a produção do poço, suportando suas paredes e possibilitando o isolamento entre os vários intervalos produtores (THOMAS, 2004). A função operacional da cimentação primária é de produzir um selo hidráulico impermeável cimentante no anular. Entretanto, alguns problemas advindos de uma má elaboração do projeto de pasta, ou até mesmo durante o processo de mistura e bombeio da pasta no campo de operações, podem provocar problemas na eficiência do selo. Estes problemas podem ser especificamente causados por: densidade incorreta da pasta, gelificação prematura, aderência deficiente na interface, fluxo de gás ascendente, entrada de gás na coluna de pasta, contração volumétrica, entre outros (SANTOS JÚNIOR, 2006; PELIPENKO et al., 2004). Na Figura 2.2 observa-se um caso típico de falha de cimentação. Bainha Cimentante Formações rochosas adjacentes Tubo de revestimento exposto à formação com zonas de gás ou sulfatos Falhas de Cimentação Figura Esquema de poço com falha de cimentação (THOMAS, 2004) Uma cimentação primária satisfatória está associada a uma boa aderência ao revestimento e à formação rochosa, além do preenchimento de todo o espaço anular. Antes do bombeamento da pasta de cimento, são feitos exames laboratoriais para garantir o sucesso na colocação da pasta no anular (SANTOS JÚNIOR, 2006). Embora com toda tecnologia e cuidados na elaboração e aplicação das pastas em todas as etapas da cimentação, essa operação nem sempre é realizada com sucesso em toda a extensão do poço, e pode ser necessária uma nova operação de cimentação para evitar acidentes (NELSON, 1990). Esta nova etapa de cimentação de correção é conhecida como cimentação secundária. 24

26 Revisão Bibliográfica 2.2 Cimentação secundária Define-se cimentação secundária como toda cimentação realizada visando corrigir falhas na cimentação primária. Assim sendo, uma cimentação secundária pode ser realizada para eliminar a entrada de água de uma zona indesejável, reduzir a razão gás óleo (RGO), através do isolamento da zona de gás adjacente a zona de óleo, abandonar zonas depletadas ou reparar vazamentos na coluna de revestimento. As cimentações secundárias são classificadas como: tampões de cimento, recimentação, e compressão de cimento ou Squeeze Tampões de cimento Os tampões de cimento são utilizados em casos onde ocorre perda de circulação, abandono total ou parcial do poço, entre outras funções. Um tampão, no geral, deve impedir a migração de fluidos entre formações ou entre uma formação e a superfície. Sem dúvida, o uso mais comum para os tampões de cimento é o abandono de zonas depletadas. Nesse caso, quando a produção de uma zona passa a ser comercialmente inviável, quer por causa de elevada produção de água, ou elevada razão gás-óleo, essa zona é isolada do resto do poço por um tampão, de forma a evitar a contaminação dos fluidos de diferentes zonas. Outro uso bastante comum para os tampões de cimento é sua utilização quando do desvio da perfuração de um poço por causa do surgimento de um material estranho no revestimento (conhecido no meio como peixe ). Nesse caso, se isola o ponto imediatamente acima do peixe, para que a perfuração possa correr, desviando-se desse ponto. (CROOK, 2004). Os outros casos de uso de tampão de cimento são para controle do poço. Tanto em caso de se identificar zonas naturalmente fraturadas, o que pode causar perda de fluido para a formação, quanto em casos onde a pressão de poros da formação é idêntica à pressão de fraturamento, por causa da densidade do fluido de perfuração. Nesse caso, se cimenta a parte 25

27 Revisão Bibliográfica inferior da coluna de perfuração, permitindo a troca do fluido de perfuração e a continuação da operação. A Figura 2.3 ilustra dois exemplos de usos de tampões de cimento. a) b) Figura (a) Tampão de abandono e (b) Tampão de cimento (COSTA, 2004) Recimentação A recimentação é outra forma bastante comum de cimentação corretiva. Ela é empregada quando o cimento não alcança a altura desejada no anular. O mesmo é canhoneado em dois pontos próximos do local de falha na cimentação, e tenta-se circular cimento através destes canhoneados. Para possibilitar a circulação com retorno, a pasta é bombeada através da coluna de perfuração, dotada de um obturador (packer) para permitir a pressurização necessária para a movimentação da pasta pelo anular Compressão de cimento ou Squeeze Consiste na injeção forçada de cimento sob pressão, visando corrigir localmente a cimentação primária, sanar vazamentos no revestimento ou selar um determinado intervalo. 26

28 Revisão Bibliográfica Nesse último caso, é comumente usada quando o intervalo a ser isolado encontra-se acima de outro intervalo produtor, cujo fechamento não seria viável (Figura 2.4). De todas as operações de cimentação secundária, o squeeze é a mais complexa, exatamente por lidar com pressões de trabalho altas, o que pode inclusive comprometer a formação rochosa próxima ao local do squeeze. Produção de água Squeeze de a) b) Figura (a) Falha na cimentação e (b) Squeeze de cimento para correção da falha (FREITAS, 2008). operação. O squeeze pode ser realizado de várias formas, de acordo com a necessidade da 2.3 Fatores que afetam uma cimentação Como a cimentação primária consiste no posicionamento de uma pasta cimentante no anular formado pelo revestimento e as paredes do poço, espera-se que a mesma, após a pega, proporcione: Aderência mecânica ao revestimento; Isolamento das formações; 27

29 Revisão Bibliográfica Proteção do revestimento contra corrosão e cargas dinâmicas decorrentes de operações no seu interior. Para que a pasta de cimento atenda aos requisitos mencionados acima, é necessário que alguns cuidados no projeto e na execução da cimentação primária sejam tomados. Os fatores listados abaixo são reconhecidamente responsáveis pelas deficiências na capacidade de um selante, embora essas deficiências não se limitem apenas a estes fatores: Densidade incorreta da pasta, podendo resultar no desbalanceamento hidrostático e entrada de fluidos na pasta; Fluido de perfuração e reboco com propriedades inadequadas, permitindo o fluxo de gás ascendente no anular; Gelificação prematura, resultando na perda do controle da pressão hidrostática; Perda de filtrado excessiva, permitindo a entrada do gás na coluna da pasta; Pastas altamente permeáveis, contribuindo para deficiências no isolamento hidráulico e resistência ao fluxo de gás; Contração volumétrica apreciável, devido ao processo de hidratação e fissuração da bainha de cimento sob tensão, gerando fraturas e microanulares que permitem a migração de fluidos; 2.4 O Cimento Praticamente a totalidade dos cimentos para completação de poços são cimentos Portland, uma mistura calcinada de calcário com certos tipos de argila. As pastas de cimento constituídas de cimento Portland e água são geralmente utilizadas devido a suas excelentes propriedades de promover a cura (enrijecimento da pasta) mesmo sob condições bastante adversas. 28

30 Revisão Bibliográfica Classificação dos Cimentos A indústria de petróleo usa as especificações da API (American Petroleun Institute) para, dentre outras coisas, definir as características dos cimentos usados nas operações de cimentação. A norma API 10A determina as diferentes classes de cimentos API, para variadas pressões em temperaturas. Classe A: usado em situações onde não são exigidas nenhuma propriedade especial do cimento, seu uso é muito restrito. Classe B: usado em situações que exijam alta resistência a sulfatos. Classe C: usado quando se requer que a resistência mecânica do cimento cresça rapidamente. Classe G/H: tipo de cimento mais utilizado na indústria de petróleo, é designado para cimentações básicas. Os elementos básicos para a manufatura de um cimento Portland, como já mencionado, é o carbonato de cálcio (calcário) e argila. Ferro e alumínio podem ser adicionados à composição, caso não estejam presentes em quantidades aceitáveis na argila. Esses materiais são misturados, e alimentados em um reator rotativo, que funde a mistura em temperaturas da ordem de 1500 ºC, transformando-a em um material chamado de clínquer. Após o resfriamento do clínquer, o mesmo é pulverizado com sulfato de cálcio (COOK, 2004). Ao se agregarem com a água, os clínquers formam quatro fases cristalinas, denominadas C 2 S, C 3 S, C 3 A, C 4 AF. A estrutura cristalina e suas respectivas fórmulas serão discutidas na seção posterior Hidratação do Cimento As reações envolvidas na mistura do cimento são bastante complexas, sendo que cada fase reage com um mecanismo de reação e velocidades diferentes (COOK, 2004). Entretanto, essas reações estão intimamente ligadas entre si. Durante a hidratação, o cimento forma quatro grupos cristalinos principais, como já mencionado. O C 2 S (Silicato de Dicálcio) e C 3 S (Silicato de Tricálcio) são similares, possuindo, respectivamente, fórmula molecular 2CaO SiO 2 e 3CaO SiO 2, e sendo gerados a partir da reação de hidróxido de sílica e cálcio com hidróxido de cálcio. Entretanto as 29

31 Revisão Bibliográfica velocidades de reação de cada um são enormemente diferentes (COOK, 2004), sendo a concentração do segundo três vezes maior que a do primeiro. A sua principal função no cimento é a definição da resistência à compressão do material. C 3 A, Aluminato de Tricálcio (3CaO Al 2 O 3 ) e o C 4 AF, Aluminoferrita de Tetracálcio (4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ) são estruturas semelhantes, que possuem influência na reologia e gelificação da estrutura Efeitos da Temperatura na Hidratação do Cimento Na presença de uma fonte de energia térmica, as fases de hidratação do cimento ocorrerão muito mais rapidamente. Por causa disso, os tempos de pega da pasta serão bem menores. Um dos testes mais comuns em campo para se ver se a pasta já se enrijeceu, consiste em colocar uma amostra do cimento em um copo plástico e aguardar até que ocorra a pega do cimento dentro do copo. O erro nesse procedimento existe na temperatura ambiente, bastante inferior à do interior da terra. 2.5 Desenvolvimento da Pasta Cimentante Conforme bem nos lembra Cook, as propriedades das pastas cimentantes devem ser modificadas de forma a preencher as demandas de trabalhos específicos. Essas modificações são realizadas com o uso de aditivos específicos, que alteram a dinâmica de hidratação do cimento Na tabela abaixo, temos uma listagem com os aditivos mais comuns e seus usos. Na prática, dezenas de produtos químicos já foram, comprovadamente, eficientes na mudança das propriedades das pastas de cimento Portland. Todos esses aditivos possuem (logicamente) um efeito primário no cimento, que é benéfico para a pasta. Por outro lado, o mesmo elemento pode possuir efeitos secundários, quem nem sempre são benéficos. Esses efeitos, tanto secundários quanto primários, são alterados de acordo com o tipo de aditivo, quantidade dele ou, ainda, interações sinérgicas com outros aditivos. As principais propriedades alteradas por 30

32 Revisão Bibliográfica esses aditivos são: tempo de pega, resistência à compressão, reologia, perda de filtrado, estabilidade e água livre. Uma pasta, quando bem projetada, lembra-nos COOK (2004), deve ter propriedades que a permitam ser utilizada nas condições do poço a ser cimentado. A pasta ideal não deve ter água livre, deve promover controle de filtrado para evitar danificar as formações, ser retardada o suficiente para não se enrijecer durante o tempo de bombeamento, e manter sua densidade, para promover controle hidrostático suficiente. Em geral, quando se projeta uma pasta, deve se ter em mente vários critérios (que, logicamente, afetarão as propriedades da pasta), como a profundidade do poço, qualidade da água de mistura, temperatura no local da cimentação, água livre, tipo de fluido de perfuração, qualidade do cimento (puro), regime de fluxo no bombeamento, densidade da pasta, aditivos, perdas de circulação, crescimento da resistência da pasta, possibilidade de migração de gás, tempo de bombeio e, até mesmo, pessoal de laboratório. 2.6 Aditivos Conforme já foi anteriormente dito, os aditivos são utilizados para modificar as propriedades do cimento, com base nas propriedades requeridas para cada operação de cimentação. Esses aditivos se dividem em várias categorias: aceleradores de pega, retardadores, controladores de filtrado, agentes expansivos, aditivos que alteram a densidade da pasta, entre vários outros. A seguir, iremos analisar brevemente cada um deles, incluindo os produtos mais comuns Aceleradores de Pega Os aceleradores de pega diminuem o tempo de espessamento da pasta, reduzindo o tempo necessário para que as reações ocorram. Os aceleradores de pega são bastante desejados principalmente nas situações onde se utilizam cimentos com baixa densidade (ou 31

33 Revisão Bibliográfica seja, pouco teor de cimento), assim como em formações com baixo gradiente geotérmico, ou baixa temperatura no local da cimentação. O acelerador de pega mais utilizado é o cloreto de cálcio (CaCl 2 ). O principal motivo para isso é seu baixo custo e farta disponibilidade. Além disso, ao contrário de outros sais, quando o cloreto de cálcio é usado, independentemente de sua concentração, o mesmo sempre atua como acelerador de pega. Em geral, sua concentração ótima é de 1 a 4% em massa. Acima desses valores, a pasta pode ficar bastante instável e promover a gelificação da mesma. Outro sal bastante utilizado é o cloreto de sódio (NaCl), sal de cozinha. Ao contrário do cloreto de cálcio, em concentrações altas o NaCl pode atuar como retardador de pega, e em qualquer concentração atua como dispersante. Comumente, o cloreto de sódio pode ser usado como acelerador em até 10% de concentração. O cloreto de potássio também pode ser usado como acelerador de pega, com um efeito secundário bastante benéfico em argilas e por não alterar o funcionamento de controladores de filtrado Retardadores de Pega Do lado dos aceleradores de pega, os retardadores de pega possuem uma participação essencial na indústria de petróleo: os cimentos Portland padrão não possuem um tempo de pega alto o suficiente para serem aplicados em temperaturas superiores a 38ºC. Isso é um problema principalmente em poços profundos, onde o tempo de deslocamento da pasta pode ser bastante elevado. O retardador mais usado atualmente são os ligno sulfonatos, sais metálicos derivados do processamento de rejeitos de madeira. Os mais comuns são os lignosulfonatos de cálcio e sódio. Os derivados de celulose também são bastante usadas como retardadores de pega. A hidroxietil celulose (HEC) e carboxi-metil-hidroxi-etil-celulose (CMHEC). Outra função do CMHEC é como controlador de filtrado. Por fim, como já citamos anteriormente, os sais também podem ser usados como retardadores. Concentrações acima de 20% podem efetivamente retardar a pega do cimento em várias horas. Essas pastas super salinas são bastante utilizadas para cimentações através de domos salinos, e ajudam a proteger zonas com argilas, prevenindo maiores danos à formação. 32

34 Revisão Bibliográfica Por outro lado, as pastas super salinas são muito dispersadas, e requerem grandes quantidades de controladores de filtrado Extendedores A densidade de uma pasta de cimento padrão é em torno de 15 lb/gal. Entretanto, vários fatores podem fazer com que essa densidade de pasta seja demasiado alta: em zonas naturalmente fraturadas, com histórico de perda de fluido para a formação, ou até mesmo zonas com baixo gradiente de fratura, se exige um cimento de baixa densidade, capaz de reduzir o gradiente hidrostático da coluna de fluido. Para isso, se utilizam materiais chamados de extendedores. Existem diversos tipos de extendedores, entre eles os extendedores físicos (argilas e compostos orgânicos, além da vermiculita, usada neste trabalho), extendedores pozolânicos, extendedores químicos e gases. Na prática, qualquer material que tenha densidade inferior à do cimento pode ser usado como extendedor. Esses materiais abaixam a densidade da pasta por um dentre esses três métodos: os extendedores físicos ocupam o lugar do cimento, diminuindo a densidade total da mistura. Os extendedores químicos (e os físicos, em menor proporção), absorvem água, permitindo que mais água seja adicionada à mistura, diminuindo a densidade do cimento sem que se produza água livre. Os gases, por fim, agem de maneira diferente, já que são usados para se produzir cimentos com densidades extremamente baixas, ao mesmo tempo em que retém resistências compressivas aceitáveis. Os extendedores físicos são os mais comuns de todos. Em geral eles funcionam ao aumentar a quantidade possível de água na pasta, ou por diminuição da densidade conjunta do sistema. Os extendedores físicos mais usados são a bentonita, perlita, além, claro, da vermiculita, usada nesse trabalho. A bentonita é um mineral argiloso composto basicamente de montmontrilonita sódica (NaAl 2 (AlSi 3 O 10 ) 2OH). O uso de bentonita é tão comum que a mesma foi tratada em uma especificação da API. A bentonita pode ser adicionada a qualquer cimento API, e seus usos mais comuns, além da diminuição da densidade da pasta, são para prevenir a segregação dos sólidos, reduzir água livre, reduzir filtrado e aumentar o rendimento da pasta. Geralmente, se limita a concentração de bentonita até 16% de concentração mássica. 33

35 Revisão Bibliográfica A Perlita vulcânica é um extendedor constituído de rocha vulcânica, tratada de forma a gerar um material com grande teor de ar em seu interior, resultando em uma baixa densidade. Exatamente por causa dessa característica, a Perlita tem grande tendência a se segregar do resto da pasta. Por isso, é necessário se adicionar cerca de 6% de bentonita. Por fim, a Perlita possui baixa compressibilidade, o que diminui consideravelmente a resistência compressiva das pastas com esse material Extendedores Pozolânicos Outra classe de extendedores bastante comum são os extendedores pozolânicos. Em geral, se utilizam, nesses casos, cinzas, micro sílica, metacaulim, micro esferas de vidro, entre outros. Em comparação com outros aditivos, os extendedores pozolânicos podem ser usados em grandes concentrações. As cinzas, por exemplo, podem ser adicionadas em volumes até quatro vezes superiores aos do cimento, sendo o material pozolânico mais usado, sendo classificados em dois tipos, Classe F e Classe C, sendo a Classe F a mais usada. A maior vantagem desse material é seu baixo custo e abundância. As características das cinzas variam pouco entre suas bateladas, desde que a fonte seja constante. As micro esferas são usadas quando se desejam pastas com densidades entre 8,5 a 11 lb/gal. Elas consistem em pequenas esferas ocas, em geral, cinzas ocas, e estão sempre presentes em cinzas de Classe F, mas em quantidades reduzidas, e sua superfície é vítrea com aluminossilicatos, e seu interior é composto de gases de combustão, como CO 2, NO 2, SO 2. Já as esferas sintéticas são de vidro com borosilicato e criadas de forma a possuir grande resistência contra quebra, e em geral são preenchidas com nitrogênio. A maior desvantagem do uso dessas esferas está exatamente em sua possibilidade de quebra durante a mistura e bombeamento da pasta pela coluna, e quando expostas a pressões hidrostáticas maiores do que o esperado. O principal efeito negativo disso é o aumento da densidade da pasta, aumento da viscosidade, diminuição do volume da pasta e pega antecipada. Certamente, se o projeto da pasta for bem executado, há a possibilidade de se obter vários efeitos positivos, como grande crescimento da resistência mecânica da pasta, controle da perda de fluido e água livre. Microsílica, também conhecida como pó de silício, é uma forma de sílica finamente dividida, com alta área superficial e que pode ser obtida tanto na forma líquida quanto em pó. 34

36 Revisão Bibliográfica Além da diminuição de densidade, a micro sílica promove outros benefícios à pasta. Por causa de seu reduzido diâmetro, as partículas de sílica preenchem as zonas entre as partículas maiores de cimento, resultando em uma matriz estrutural densa e resistente. Além disso, ocorre uma melhoria significativa das propriedades reológicas, já que as partículas agem como se fossem micro esferas. A concentração mássica desejada de micro sílica deve ser da ordem de 3 a 30% da pasta. O maior problema da micro sílica é seu custo. Tratada como rejeito há alguns anos, a micro sílica passou a ser intensamente utilizada, o que acabou por dificultar o acesso ao material. As propriedades da sílica a fazem ser útil em diversas outras aplicações: desde melhorias na compressibilidade da pasta até melhoria das propriedades tixotrópicas do cimento para squeezes, perda de circulação, migração de gás e controle de filtrado Extendedores Químicos Diversos materiais são eficientes como extendedores químicos. Os mais comumente usados na indústria do petróleo são o silicato de sódio e a gipsita. O silicato de sódio pode ser até seis vezes mais eficiente do que a Bentonita quando usado como extendedor, sendo eficiente para criação de pastas com até 11,5 lb/gal Cimento Aerado É possível se desenvolver pastas cimentantes com densidades variando de 4 a 18 lb/gal, se aproveitando da aeração das pastas. Esses cimentos são compostos, geralmente, por uma mistura de cimento, agentes aeradores e um gás, em geral nitrogênio. Esse gás é injetado a alta pressão em uma pasta que tenha previamente recebido um agente aerante e um estabilizador de espuma. Esse processo leva a criação de uma pasta bastante leve, composta de milhares de pequenas bolhas que não coalescem, formando uma matriz de baixa densidade e alta resistência. 35