INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS REOLÓGICOS NA EFICIÊNCIA DE DESLOCAMENTO DE FLUIDOS

Transcrição

1 INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS REOLÓGICOS NA EFICIÊNCIA DE DESLOCAMENTO DE FLUIDOS 1 Aline Abdu, 2 Bruno Fonseca 3 Mônica F. Naccache e 3 Paulo R. de Souza Mendes 1 Engenheira Mecânica do Grupo de Reologia GReo/PUC-Rio 2 Técnico de Laboratório do Grupo de Reologia GReo/PUC-Rio 3 Professor do Departamento de Engenharia Mecânica/PUC-Rio 1,2,3 Departamento de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universiadade Católica do Rio de Janeiro. Rua Marquês de São Vicente, 225, Prédio Cardeal Leme, Rio de Janeiro-RJ, CEP ) naccache@puc-rio.br RESUMO - O processo de cimentação de um poço de petróleo é de extrema importância, pois o êxito desta operação garante a vida útil do poço. A operação é considerada adequada quando ocorre uma distribuição homogênea da pasta de cimento na parede do poço. Para isso, é necessária a perfeita remoção do fluido de perfuração contido no espaço anular formado entre a rocha da formação e a coluna de perfuração, pela injeção da pasta de cimento. Para reduzir a contaminação da pasta de cimento pelo fluido de perfuração, são injetados fluidos espaçadores entre eles. Os fluidos envolvidos no processo podem apresentar comportamento não Newtoniano. No presente trabalho foi realizada uma investigação experimental do processo de deslocamento de fluidos durante a cimentação, para avaliar a influência de parâmetros reológicos e configuração geométrica do poço na eficiência de deslocamento, a fim de otimizar o processo de cimentação. O comportamento não newtoniano dos fluidos foi definido utilizando a equação constitutiva de fluido newtoniano generalizado com a função viscosidade de Herschel-Bulkley. O sucesso da operação foi avaliado considerando os efeitos da vazão, da excentricidade e dos parâmetros reológicos dos fluidos. Palavras-Chave: operação de cimentação, poços de petróleo, reologia, fluidos não Newtonianos INTRODUÇÃO Depois da perfuração de um poço de exploração de petróleo, a lama de perfuração que tem a função de lubrificar, resfriar a broca e remover o cascalho produzido, deve ser removida e substituída por uma pasta de cimento. Esta, após o tempo de cura, tem a função de garantir a integridade estrutural do poço. A cimentação é uma operação crucial na vida de um poço de petróleo. Para uma operação bem feita, é preciso assegurar que foi removida a maior quantidade possível de lama de perfuração existente na região anular entre a formação rochosa e a coluna perfuradora ( casing ) ou de revestimento. Esse processo é feito de tal maneira que o cimento desloca a lama num escoamento que pode ser em regime laminar ou turbulento, numa geometria anular, em geral excêntrica. Uma vez deslocada a lama pelo cimento, este adere à parede do poço e durante um período de tempo vai adquirindo as propriedades mecânicas de interesse como aderência, resistência à compressão e impermeabilidade. Numa operação real, procura-se evitar que o cimento entre em contato com a lama impedindo uma indesejável contaminação e por conseqüência perda das propriedades de interesse. Entre eles escoam fluidos intermediários chamados colchões (espaçadores e lavadores). Ao contrário da lama e do cimento que são fluidos de comportamento mecânico não Newtoniano, os colchões são simples soluções de água e detergente, e tem comportamento Newtoniano. A forma da interface entre os dois líquidos tem importante papel para um bom deslocamento. Interfaces chatas visualmente estão associadas com bons deslocamentos, em contrapartida, interfaces acentuadas e pontiagudas sugerem um fenômeno chamado de channeling ou canalização. Em outras palavras, o fluido deslocador tende a atravessar o deslocado, tornando o processo bastante ineficaz. Esse fenômeno indesejado pode ser provocado pelo fato do fluido deslocador ter menor viscosidade do que o deslocado, pela diferença de densidades entre os fluidos, pela assimetria do perfil de velocidade, ocasiona-

2 do pela excentricidade do espaço anular, ou pelo regime de escoamento (laminar ou turbulento). Alguns trabalhos (Haut e Crook, 1979; Haut e Crook, 1981; Sauer, 1987; Lockyear e Hibbert, 1989) citam como principais parâmetros que governam o processo de deslocamento de fluidos em poços verticais, a reologia dos fluidos ou a razão de viscosidades entre eles, a excentricidade coluna-formação, a vazão, a diferença de densidades entre os fluidos e a inclinação do poço. A influência da razão de viscosidades, da força de empuxo e do grau de turbulência no deslocamento da lama num anular excêntrico, foi analisada experimentalmente em Jakobsen et al. (1991). Os resultados obtidos mostram que o deslocamento na região mais larga é mais eficiente do que na região anular mais estreita, e que a turbulência reduz a tendência da canalização na lama na região mais estreita. Tehrani et al. (1992) estudaram teórica e experimentalmente o escoamento laminar adjacente de fluidos de perfuração através de espaços anulares, para diferentes excentricidades. Observou-se que quanto maior a excentricidade pior é o deslocamento. Para o caso do anular na vertical, quanto maior a diferença entre a densidade do fluido deslocador, que deve ser mais denso, e a do fluido deslocado, mais eficiente é o processo. Vefring et al. (1997) analisaram numérica e experimentalmente o deslocamento da lama de perfuração pelo cimento, variando parâmetros reológicos e de escoamento. Os resultados obtidos indicam que a simulação numérica pode ser utilizada de forma satisfatória neste tipo de problema. Frigaard et al. (2002 e 2003) apresenta, para uma modelagem 2D, resultados teóricos do deslocamento de cimento através de anulares excêntricos, e mostra que para certas combinações de propriedades físicas, a frente de deslocamento pode atingir o regime permanente. Nestes casos, é obtida uma expressão analítica para a forma da interface. Guillot et al. (1990) fez uma análise teórica aproximada do escoamento de um colchão empurrando a lama de perfuração, em espaços anulares excêntricos. Foram obtidos resultados para casos em que o colchão tinha densidade maior do que a lama, e os autores concluíram que os escoamentos turbulentos apresentam menores distorções na forma da interface do que nos casos laminares. O presente trabalho tem como objetivo analisar experimentalmente o escoamento através de anulares concêntricos e excêntricos, vertical e inclinado à 45, de um fluido newtoniano deslocando dois fluidos de perfuração diferentes. Os efeitos da vazão, da excentricidade e dos parâmetros reológicos dos fluidos na eficiência de deslocamento serão investigados. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A bancada experimental do simulador físico é composta por um tubo de acríilico de diâmetro interno igual a 34.5 mm e por um tarugo interno de diâmetro externo igual a 16 mm. O comprimento total é de 1070 mm. Dessa forma, apenas o espaço anular é preenchido de fluido. Toda a estrutura que sustenta os tubos também é composta de acrílico tornando a estrutura mais leve. A fig.1 apresenta em detalhes a bancada experimental. A montagem do experimento permite que o controle da excentricidade seja feita pelo deslocamento do tarugo interno em dois eixos horizontais, localizados na parte superior e inferior do tubo externo. Para modificar a excentricidade dos tubos não é necessário desmontar os tubos, agilizando a execução dos testes além de permitir qualquer valor de excentricidade. É possível alterar a inclinação da seção de testes também. O ângulo de inclinação é medido por um transferidor preso na parte inferior da montagem. Na saída do anular foi acoplado um densitômetro. Esse equipamento permite que a aquisição dos dados do teste sejam realizados através do software ProLink III. Com esse software é possível obter as informações de densidade, vazão mássica ou volumétrica, temperatura, etc em função do tempo. O deslocamento dos fluidos é realizado utilizando uma bomba de deslocamento positivo, permitindo um melhor controle da vazão imposta. Figura 1 Bancada Experiemental.

3 Para a execução dos testes, o espaço anular é preenchido com o fluido a ser deslocado. A seguir a bomba de deslocamento positivo é acionada e o fluido deslocador começa a deslocar o fluido que se encontra no espaço anular. Na saída do anular, o densitômetro encontra-se conectado ao computador e assim é realizada a aquisição dos dados da densidade dos fluidos na saída em função do tempo. A eficiência de deslocamento será avaliada pela curva de densidade do fluido na saída do anular pelo volume de fluido bombeado. Os fluidos utilizados nos testes foram n- parafina, BRMul1 e BRMul2. A n-parafina foi o fluido deslocador em todas as situações. A n- parafina é um fluido newtoniano enquanto os fluidos de perfuração (BRMul1 e BRMul2) apresentam um comportamento não newtoniano. Utilizando medições realizadas no laboratório, as curvas de viscosidade dos fluidos de perfurção BRMul 1 e BRMul 2 foram modelados pela equação de Herschel-Bulkley (eq.1). Tabela 2 Propriedades dos fluidos de perfuração. As tabelas 1 e 2 apresentam as propriedades dos fluidos medidas no laboratório e a fig.2 as flow curves para o BRMul1 e BRMul2. RESULTADOS A tabela 3 apresenta os casos estudados. A n-parafina foi o fluido deslocador em todos os testes. Foram utilizadas as seguintes configurações de geometria: concêntrica e 75% excêntrica e para cada uma delas vertical e inclinada (45º). Para cada configuração foram testadas duas vazões. Tabela 3 Casos realizados. (1) Os resultados serão apresentados através da curva de ρ* em funçãoo de V*. A densidade adimensional ρ* é definida pela eq.1, sendo ρs a densidade medida pelo densitômetro na saída do anular, ρ1 a densidade inicial do fluido que será deslocado e ρ2 a densidade do fluido deslocador. O volume adimensional V* (eq.2) dado pela razão entre o volume de fluido bombeado na saída e o volume de um anular, que é igual a m³. (2) Figura 2 Parâmetros reológicos do fluidos de perfuração. (3) Tabela 1 Propriedades da n-parafina. BRMul 1 e n-parafina: Caso concêntrico Os resultados mostram os gráficos da densidade adimensional ρ* em função do volume adimensional bombeado V*. A excentricidade da geometria é de 75% para o poçoo vertical e 45.

4 Para cada teste foram utilizados dois valores de Re, 187 e 438. No caso vertical (fig.3), o aumento do Re não melhora a eficiência de deslocamento. Para ambos os casos são necessários o equivalente a três volumes do anular para remover o BRMul 1. Para o caso inclinado (fig.4), até um volume de fluido bombeado, a menor vazão é mais eficiente, mas ao final do processo, é com a maior vazão que ocorre uma melhor remoção do BRMul 1. Os testes para a geometria excêntrica obtiveram resultados semelhantes ao que ocorreu para o caso concêntrico, como mostram as figs.5 e 6. Ao final de um volume bombeado, no caso inclinado mais BRMul foi removido. No entanto, ao final do processo com a geometria vertical a eficiência é melhor, em que a n-parafina removeu o BRMul em aproximadamente três volumes bombeados. Figura 5 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 1 para Re = 187 e Re = 438 na posição excêntrica vertical. Figura 3 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 1 para para Re = 187 e Re = 438 na posição concêntrica vertical. Figura 6 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 1 para Re = 187 e Re = 438 na posição excêntrica inclinado 45. BRMul 2 e n-parafina: Caso concêntrico Figura 4 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 1 para para Re = 187 e Re = 438 na posição concêntrica inclinado 45. O mesmo comportamento observado no caso com o BRMul 1 foi observado com o BRMul 2. Ao final de um volume bombeado, no caso inclinado mais BRMul foi removido. No entanto, ao final do processo a eficiência é semelhante para os dois casos (figs.7 e 8). BRMul 1 e n-parafina: Caso excêntrico

5 Figura 7 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 2 para Re = 187 e Re = 438 na posição concêntrica vertical. Figura 10 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 2 para Re = 187 e Re = 438 na posição excêntrica inclinado 45. COMENTÁRIOS FINAIS Em todas as análises os resultados obtidos para o BRMul1 e BRMul2 foram semelhantes. Praticamente em todos os testes houve a remoção do BRMul em aproximadamente três volumes bombeados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 8 Fluido n-parafina deslocando BR- Mul 2 para Re = 187 e Re = 438 na posição concêntrica inclinado 45. BRMul 2 e n-parafina: Caso excêntrico Observa-se que ao final de um volume bombeado, no caso inclinado mais BRMul 2 foi removido. No entanto, ao final do processo a eficiência é semelhante para os dois casos (figs.9 e 10). Figura 9 N-parafina deslocando BRMul 2 para Re = 187 e Re = 438, excêntrica vertical. Barnes, H. A., 2000, A Handbook of Elementary Rheology, The University of Wales. Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassanger O., 1987, Dynamics of Polymeric Liquids, vol. 1, Wiley, ANSYS Fluent User s Guide, Fluent Inc., Frigaard I. A., Bittleston S. H., Ferguson J., 2002 Mud Removal and Cement Placement During Primary Cementing of an Oil Well Society of Petroleum Engineers Kluwer Academic Publishers. Frigaard I. A., Pelipenko S., 2003 Effective and Ineffective Strategies for Mud Removal and Cement Slurry Desing Society of Petroleum Engineers (SPE) # Guillot D., Couturier M., Hendriks H., Callet F., 1990 Design Rules and Associated Spacer Properties for Optimal Mud Removal in Eccentric Anulli Society of Petroleum Engineers (SPE) # Haut, R. C., Crook, R. J., 1979 Primary Cementing: The Mud Displacement Process Society of Petroleum Engineers (SPE) #8253. Haut, R. C., Crook, R. J., 1981 Laboratory Investigation of Lightweight, Low-Viscosity Cementing Spacer Fluids Society of Petroleum Engineers (SPE) #10305.

6 Jakobsen J., Sterri N., Saasen A., Aas B., Kjosnes I., Vigen A., 1991 Displacement in Eccentric Annuli During Primary Cementing in Deviated Wells Society of Petroleum Engineers (SPE) # Lockyear, C. F., Hibbert, A. P., 1989 Integrated Primary Cementing Study Defines Key Factors for Field Success Society of Petroleum Engineers (SPE) # Macosko, C. W., 1994, Rheology Principles, Measurements, and Applications, Wiley- VCH. Sauer, C. W., 1987 Mud Displacement During Cementing: A State of the Art Society of Petroleum Engineers (SPE) # Tehrani A., Ferguson J., Bittleston S.H., 1992 Laminar Displacement in Annuli: A Combined Experimental and Theoretical Study Society of Petroleum Engineers (SPE) # Vefring E. H., Bjorkevoll K. S., Hansen S. A., Sterri N., Saevareid O., Aas B., Merlo A., 1997 Optimization of Displacement Efficiency During Primary Cementing Society of Petroleum Engineers (SPE) # AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte financeiro fornecido pelo CNPq, CAPES e CENPES/Petrobras.