Estudo de Cimentação de Poços Erodidos

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1 Estudo de Cimentação de Poços Erodidos Orientadoras: Mônica F. Naccache e Priscilla Varges Aluno: João Pedro Pimenta Introdução No processo de cimentação de poços, a operação é considerada satisfatória quando a pasta de cimento é capaz de deslocar completamente o fluido de perfuração presente no poço. Ao longo do poço podem aparecer regiões de alargamentos repentinos da seção reta, e nestas regiões deve-se garantir também o deslocamento total do fluido de perfuração, a fim de não comprometer a estabilidade do poço. Tanto o fluido de perfuração como a pasta de cimento são fluidos complexos, com comportamento não Newtoniano. Em geral, estes fluidos podem ser considerados fluidos puramente viscosos, pseudoplásticos ou viscoplásticos. Os fluidos pseudoplásticos são aqueles em que a viscosidade cai com a taxa de deformação, e os viscoplásticos, além de apresentarem esta característica, possuem também uma tensão limite de escoamento, abaixo da qual o fluido se comporta como um sólido, i.e., com viscosidade infinita. Dessa forma, a análise do escoamento de fluidos viscoplásticos através de passagens que variam de seção reta abruptamente, é um tema de grande interesse industrial, em especial para a análise do processo de cimentação de poços. O principal objetivo deste trabalho é determinar os parâmetros que afetam o processo de deslocamento e as faixas ótimas de operação, para evitar o acúmulo do fluido de perfuração nas zonas de alargamento do poço. Como mostra a figura 1, este acúmulo de fluido de perfuração prejudica severamente a qualidade do revestimento, de modo que a limpeza inadequada do reboco na parede do poço pode alterar o posicionamento do cimento, comprometendo a cimentação da região. Figura 1 Processo de cimentação em uma região com arrombamento de poço antes e após a cura, respectivamente. Objetivo

2 O principal objetivo do estudo é fazer uma análise experimental qualitativa da influência dos parâmetros governantes do escoamento desses fluidos complexos em regiões com o aumento do diâmetro da seção reta. Pretende-se avaliar a quantidade de fluido retido nas regiões de aumento da seção a fim de observar como o escoamento se desenvolve e assim, fazer uma analogia ao comportamento dos fluidos de perfuração em processos que envolvem a cimentação e perfuração de poços arrombados. Espera-se obter resultados experimentais para diversas combinações de parâmetros, como a reologia do fluido e a geometria utilizada, e em seguida realizar uma adimensionalização dos parâmetros governantes. Desse modo, pode-se estender a analogia desenvolvida para os dados de campo. Por fim, procura-se determinar valores críticos para tais parâmetros adimensionais para que seja possível maximizar a eficiência do deslocamento. Parâmetros e Equações Governantes Um esquema da geometria analisada é mostrado na figura 2. O fluido entra por um anular (diâmetros d e d ), escoa para um anular de diâmetro externo maior e igual a D. Inicialmente, iremos analisar apenas o escoamento de um único fluido através da tubulação, primeiramente um fluido Newtoniano e depois um fluido viscoplástico. Figura 2 Esquema da geometria analisada Os parâmetros relevantes podem ser separados em três grupos diferentes: -Parâmetros geométricos: ; -Parâmetros de Escoamento: -Parâmetros Reológicos: No caso de fluido Newtoniano, a viscosidade é o único parâmetro. No caso de fluido viscoplástico, os parâmetros relevantes seriam a tensão limite de escoamento y e uma viscosidade característica c.

3 Além disso, são utilizadas equações, descritas abaixo, para o calculo da vazão do escoamento e para o numero de Reynolds, para fluidos viscosos, a fim de determinar se os efeitos inerciais podem ser desconsiderados. Geometria Para analisar a eficiência do deslocamento é feita uma visualização na seção do alargamento. A figura 3 mostra o aparato experimental e detalhes da seção de testes.

4 Figura 3 Detalhes do aparato experimental e seção de testes Procedimento Experimental O experimento realizado em laboratório consiste num circuito hidráulico composto por uma bomba de deslocamento positivo, um pulse dampner, um reservatório de armazenamento de fluido, válvulas e mangueiras. A visualização do escoamento é feita através de fotos, tiradas por uma câmera fotográfica digital, de planos gerados por um laser continuo, cuidadosamente alinhados a fim de minimizar efeitos da luz natural nas fotos do plano de laser. Figura 4 Detalhes do aparato experimental e fotos de um experimento Tiram-se fotos do escoamento até que uma imagem ideal seja obtida mostrando da forma a fratura do escoamento do fluido, isto é, deve ser nítida a região onde se observa estagnação do fluido. Na sequencia, mantendo a câmera imóvel, um vídeo é feito do escoamento, que será posteriormente utilizado para um cálculo mais preciso da eficiência do deslocamento. Para a visualização do escoamento são inseridas partículas no fluido, e o escoamento é analisado a partir da imagem gerada pelo movimento das partículas. A figura 4 mostra um exemplo de foto de um escoamento. Observa-se na figural central que as partículas encontram-se estagnadas, e na figura da direita nota-se que as partículas descrevem linhas contínuas em quase todas a seção, identificando uma zona de escoamento, mas estão estagnadas nas regiões próximas aos cantos zonas de estagnação do fluido. A fronteira entre as duas zonas indica a região onde ocorre a fratura do fluido. Depois do término das fotos, calcula-se a vazão mássica do escoamento utilizando uma balança e um cronômetro, que será utilizada para obter os valores da velocidade do escoamento desenvolvido no tubo. Reologia A reologia do fluido representa uma parte importante do estudo, pois ela interfere não só em valores absolutos de propriedades do fluido, como a tensão limite, mas também qualitativamente, de modo que a mesma modifica o comportamento do escoamento

5 observado, por isso, procurou-se durante o experimento fixar uma reologia padrão, a fim de diminuir as variáveis analisadas. O fluido viscoplástico escolhido para o experimento foi a solução aquosa de carbopol, um polímero hidrossolúvel utilizado pela indústria para estabilizar emulsões e dar viscosidade a soluções tais como produtos em gel, em 0,1% de volume. A partir da curva de escoamento obtida, mostrada na figura 5, foram obtidos os parâmetros reológicos do fluido, modelado pela equação de Herschel-Bulkley: Figura 5 Curvas de escoamento para o Carbopol. A figura 5 mostra os valores obtidos para o Carbopol utilizado. A tensão limite de escoamento é igual a 2,299 Pa, o índice de consistência k é igual a 1,454 Pa.s n, e o índice de comportamento n é igual a 0,434. Procedimento Numérico A partir dos vídeos e fotos obtidos durante o experimento, são desenvolvidas rotinas no MATLAB a fim de obter valores precisos para a eficiência observada nas fotos, através do método de subtração, que procura subtrair um frame do vídeo pelo outro, diversas vezes, buscando eliminar as partículas traçantes que não se movimentam. Assim, pode-se obter uma foto final que apresenta de forma bastante precisa as regiões de deslocamento e as regiões de estagnação do fluido. A eficiência é definida como a razão entre a área de fluido escoando (região branca na Fig. 6) e a área total do duto (soma das regiões branca e preta na Fig. 6).

6 Figura 6 Demonstração da imagem utilizada pelo método de subtração para o calculo da eficiência e como a mesma se apresenta após o tratamento. Depois disso, os valores obtidos para a eficiência são utilizados para o desenvolvimento de um gráfico que pode, qualitativamente, extrapolar o comportamento do escoamento observado a dimensões próximas as utilizadas. Resultados A partir dos valores obtidos, pode-se observar que a quantidade de fluido estagnado no escoamento através da região de seção reta aumentada varia com os valores de L/D e D/d. Figura 7 Eficiência encontrada em função da velocidade adimensional. A figura 7 mostra os valores da eficiência no deslocamento de Carbopol em função da velocidade adimensional, para diferentes valores de L/D e D/d. Observa-se que a eficiência do deslocamento apresentada aumenta quando L/D aumenta e decresce quando D/d aumenta. As Fig. 8 e 9 mostram as fotos de escoamentos em diferentes geometrias e vazões, onde pode-se visualizar os resultados encontrados para a eficiência.

7 Figura 8 Visualização de escoamentos em geometrias de diferentes L/D Figura 9 Visualização de escoamentos em geometrias de diferentes D/d Além disso, foi possível observar ainda uma relação mais sutil entre a eficiência e a velocidade do escoamento, provavelmente relacionadas às propriedades do fluido, que apesar de viscoso, não possui tensão limite alta. Conclusão A partir do estudo que vem sendo conduzido, destaca-se a relação entre a região não deformada (zonas de estagnação do fluido, quando a tensão está abaixo da tensão limite de escoamento) e os parâmetros reológicos e geométricos, que vem se mostrando mais determinantes para a variação da eficiência do deslocamento do que os parâmetros de escoamento, como a velocidade adimensional (u * ). Próximos Passos Apesar dos resultados promissores, a condução de mais experimentos de visualização em que são observados D/d intermediários serão necessários para identificar o comportamento da estagnação do fluido em função da geometria utilizada. Além disso, a introdução do parâmetro excentricidade também fornecerá importantes informações sobre o comportamento do fluido viscoplástico durante o escoamento. Outro fator importante a ser observado é a mudança da reologia do fluido viscoplástico utilizado no experimento, a fim de observar possíveis mudanças qualitativas no comportamento apresentado pelo fluido durante o aumento abrupto da seção reta estudada. Posteriormente serão também analisados os casos de maior interesse industrial de um fluido deslocando outro, ambos com comportamento não Newtoniano. Referências Bibliográficas

8 [1] P.R. de Souza Mendes, E.S.S. Dutra, Viscosity function for yield-stress liquids, Appl. Rheol. 14 (6) (2004) [2] P.R. de Souza Mendes, E.S.S. Dutra, J.R.R. Siffert, M.F. Naccache, Gas displacement of viscoplastic liquids in capillary tubes, J. Non-Newtonian Fluid Mech., in press. [3] P.R. de Souza Mendes, M. Naccache, P.R. Varges, F.H. Marchesini, Flow of viscoplastic liquids through axisymmetric expansions-contractions, J. Non-Newt. Fluid Mech. 142 (2007)