ESTUDO DO DESLOCAMENTO DE FLUIDOS EM POÇOS DE PETRÓLEO

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1 ESTUDO DO DESLOCAMENTO DE FLUIDOS EM POÇOS DE PETRÓLEO Introdução Aluna: Hannah Alves Pinho Orientador: Mônica F. Naccache e Aline Abdu Foram realizados testes experimentais utilizando fluidos modelos para a análise da eficiência de deslocamento de fluidos em espaços anulares, a fim de analisar o processo de cimentação em poços de petróleo, quando a pasta de cimento desloca o fluido de perfuração. Neste processo, ambos os fluidos tem comportamento não Newtoniano. Os fluidos utilizados no presente projeto foram goma xantana, carbopol e laponita e soluções de glicerina. Os casos realizados foram as soluções de glicerina deslocando a goma xantana, carbopol, laponita e o caso inverso. A operação adequada ocorre quando a distribuição de pasta de cimento em poços é homogênea. Para este efeito é preciso assegurar que houve o deslocamento completo da lama da perfuração existente na região anular entre a formação rochosa e a coluna perfuradora ( casing ) ou de revestimento e se a interface entre os fluidos é plana (deslocamento eficiente), ou apresenta grandes curvaturas indicando canalização. Para reduzir a contaminação da pasta de cimento pelo fluido de perfuração, são injetados fluidos espaçadores entre eles. Os fluidos envolvidos nos processos podem apresentar comportamento não Newtoniano. Neste trabalho foi feito um experimento do processo de deslocamento de fluidos durante a cimentação, para avaliar as influências 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. Objetivo Estudar o processo de cimentação de poços e entender como a interface entre os fluidos e a eficiência do deslocamento dependem dos diferentes parâmetros governantes, para tentar aperfeiçoar a eficiência do processo, garantindo a vida útil do poço. Para isso, é feita uma análise experimental do escoamento através de anulares concêntricos e excêntricos, vertical e inclinado á 45, de um fluido newtoniano deslocando dois fluidos de perfuração diferentes, observando os efeitos da vazão, da excentricidade e dos parâmetros reológicos dos fluidos na eficiência de deslocamento. Metodologia Para o procedimento experimental usaremos uma bancada e a representação do poço por um tubo de acrílico de diâmetro interno igual a 34.5 mm e por um tarugo interno de diâmetro externo igual 16 mm e o comprimento total é de 1070mm onde podemos mudar sua excentricidade e inclinação de acordo com o objetivo do projeto. A bancada experimental é mostrada na Fig. 1.

2 Figura 1- Bancada experimental O controle da excentricidade é feito pelo deslocamento do tarugo interno em dois eixos horizontais, localizados na parte superior do tubo externo. O ângulo de inclinação é medido por um transferidor preso na parte inferior da montagem do experimento. É preenchido apenas o espaço anular. Na saída do anular foi acoplado um densitômetro. Esse equipamento permite que os resultados dos dados do teste sejam realizados através do é software ProLink III. Com esse software possível obter as informações de densidade, vazão mássica ou volumétrica, temperatura em função do tempo. O deslocamento dos fluidos é realizado utilizando uma bomba de deslocamento positivo, facilitando o controle de vazão imposta. Depois de deslocado, o tarugo é fixado por um parafuso localizado na parte superior e inferior do tarugo interno, na saída do anular, o densítômetro encontra-se conectado ao computador e assim é realizado os resultados dos dados de densidade dos fluidos na saída em função do tempo. A eficiência do deslocamento será avaliada pela curva de densidade do fluido na saída do anular pelo volume de fluido bombeado. Os resultados que serão mostrados são da goma xantana com a glicerina. Foram preparadas goma xantana em diferentes concentrações, uma primeira de 0.1% e uma segunda de 0.08%. A densidade da goma xantana é igual a da água (1000 kg/m3). A reologia da goma xantana foi obtida no laboratório de caracterização de fluidos. A goma xantana de 0.1% é mais viscosa que a goma xantana de 0.08%. Além da goma xantana, soluções de glicerina de 30% e 60% foram utilizadas como fluido deslocador. Primeiramente, uma validação com par de fluidos newtonianos foi realizada. Os fluidos utilizados foram água como fluido deslocado e etilenoglicol com fluido deslocador. A solução numérica para o caso foi obtida utilizando os softwares ANSYS Fluent e OpenFOAM. Após a validação da seção de testes e da modelagem numérica, o fluido não newtoniano escolhido foi a goma xantana. A goma xantana é um fluido não newtoniano sem tensão limite de escoamento. Duas diferentes concentrações, 0.1% e 0.08% foram utilizadas. Nesta etapa deseja-se investigar a eficiência de deslocamento de fluidos sem tensões limite de escoamento. A tabela 1 mostra um resumo de todos os casos estudados. É apresentado o par de fluidos do teste, geometria do poço, posição, número de Re, razão de densidades e viscosidade ( ) eficiência de deslocamento ( ). Os casos inversos (goma xantana 0.1% deslocando as soluções de 30% e 60%) foram realizados apenas para o Re=77, correspondente a maior vazão da bomba.

3 Tabela1 - Casos Estudados Figura 2 - Influência do número de Reynolds- Caso concêntrico vertival Figura 3 - Influência do número de Reynolds- Caso excêntrico vertical

4 Preparo dos Fluídos Para fazermos todas as análises experimentais foi necessário o preparo dos fluidos para poder assim realizar os testes na bancada. Para o preparo da goma xantana e glicerina o procedimento foi: Preparo de Goma Xantana Materiais Reagentes Balde Goma Xantana 3 béckeres Água Deionizada Espátula Benzoato de Sódio Balança Analítica Sorbato de Potássio Misturador Mecânico Impelidor tipo Âncora Procedimento: 1. Pesar os reagentes de acordo com a concentração (ver tabela) a ser usada; 2. Colocar o balde com água no agitador mecânico (Fisaton, modelo 723) com a pá âncora, utilizando a rotação de 300 rpm; 3. Acrescentar cuidadosamente a goma xantana pesada, para que não disperse muito (dica: jogue entre a pá e a parede do balde); 4. Agitar nessa rotação por 15 minutos; 5. Acrescentar os bactericidas pesados e agitar por 1 hora; 6. Deixar repousar de 24 horas antes dos testes. Preparo de Glicerina Materiais Balde Espátula Balança Analítica Reagentes Glicerina Procedimento: 1. Pesar a água e a glicerina de acordo com a concentração (ver tabela) a ser usada; 2. Colocar a glicerina no balde com água. De acordo com o teste da semana era feita uma quantidade especifica de fluido. E pela tabela do excel era variado o volume ou a concentração da solução da goma xantana e glicerina para obter o peso de cada reagente que iria ser utilizado.

5 Goma Xantana 0.08% -8L Goma Xantana 0.08% -10L Goma Xantana 0.1% -8L Glicerina 60% - 10L Glicerina 60% - 10L

6 Conclusão Através de um modelo de poço simplificado foi possível analisar o processo de deslocamento de fluidos no interior de um poço de petróleo em diferentes configurações. Os resultados mostram que quanto menor a razão de densidade e viscosidade, menor é a eficiência de deslocamento. Além disso, ao comparar os resultados concêntrico e excêntrico, a eficiência do caso excêntrico é menor para as duas soluções de glicerina em comparação tanto com o caso concêntrico quanto comparando as razões de densidade e viscosidade. Notou-se a influência do número de Re no deslocamento dos fluidos para configuração concêntrica e vertical. Para o deslocamento da goma xantana 0.1% pela glicerina de 30% para Re=242 a eficiência de deslocamento é 98.53% e para Re=570 igual a 97.52%. Já para o caso em que a glicerina 60% é o fluido deslocador, a maior eficiência é obtida com o maior Re. Para Re=49 a eficiência é de 96.44% e para Re=116 é de 98.77%. As razões de densidades e viscosidades para os quatro casos estudados mostram que a maior eficiência ocorre para o caso da glicerina de 60% com o maior Re, onde tem-se as maiores razões de densidade e viscosidade. Referência 1 - Effective and Ineffective Strategies for Mud Removal and Cement Slurry Desing Society of Petroleum Engineers (SPE) #80999.