ANÁLISE REOLÓGICA DE FLUIDOS DE INJEÇÃO COM GOMA XANTANA EM RESERVATÓRIOS PRODUTORES DE PETRÓLEO Fernanda Gois Alves Pereira 1, Anderson do Nascimento Pereira 1, Deovaldo de Moraes Júnior 2 e Vitor da Silva Rosa 2 1 Departamento de Engenharia de Petróleo Universidade Santa Cecília - Rua Oswaldo Cruz 277 Santos São Paulo Brasil. E-mail: fernandagois96@outlook.com 2 Departamento de Engenharia Química Universidade Santa Cecília - Rua Oswaldo Cruz 277 Santos São Paulo Brasil. E-mail: victor@unisanta.br RESUMO Os polímeros são utilizados em muitas operações na exploração e produção de petróleo e gás natural. Uma das aplicações está na injeção de soluções poliméricas nos reservatórios, com intuito de reduzir a mobilidade do fluido injetado e aumentar a produção de óleo, uma técnica proeminente é a adição de polímeros a água de injeção. Neste processo é importante conhecer as propriedades reológicas da solução injetada em função das condições operacionais. Nas plataformas, geralmente essas soluções com polímeros são feitas com água do mar, o que torna difícil a caracterização reológica da solução devido à água marinha ter uma concentração variável de sais. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar reologicamente soluções aquosas de goma xantana com diferentes concentrações, salinidade e temperatura. As soluções foram preparadas nas concentrações de 0,5% e 1%, com água deionizada e água do mar, totalizando 4 soluções. Cada solução foi submetida à análise em um reômetro Brookfield modelo DV-III em três temperaturas: 20 C, 40 C e 60 C. Foi adicionado em cada solução, benzoato de sódio com teor de 0,1%, para evitar proliferação de bactérias. No reômetro foram obtidos os dados de tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento para cada solução em função da temperatura. Avaliou-se os dados experimentais com os modelos reológicos de Herschell Bulkley e o de Casson, e, verificou-se que o modelo de Herschell Bulkley forneceu o melhor ajuste para os dados reológicos em todas as soluções estudadas, com um erro médio de 2%. Com o modelo reológico estabelecido, verificou-se que a solução de goma xantana com a água deionizada fornece os maiores valores de tensão quando comparados com a solução preparada com água do mar. Logo, pode-se concluir que o sal contido na água do mar provoca uma diminuição na viscosidade aparente. Palavras Chaves: goma xantana; injeção; petróleo; reologia.
1. INTRODUÇÃO Os métodos denominados EOR, do inglês enhanced oil recovery (recuperação avançada de óleo), englobam técnicas avançadas como térmica, química, miscível, microbiana e eletromagnetica. Os diferentes métodos são utilizados quando as recuperações primárias e secundárias já foram implementadas, e uma parte considerável do óleo original (OOIP- Original Oil in Place) permanece no reservatório. A injeção de polímeros (por exemplo, a goma xantana) é um dos métodos químicos mais difundidos na recuperação avançada de óleo, este método consiste em alterar as propriedades reológicas do fluido de deslocamento pela adição de polímeros a água de injeção, com intuito de aumentar a viscosidade e reduzir a permeabilidade da fase aquosa, promovendo uma maior eficiência de deslocamento pela redução da saturação de óleo residual. Esta avaliação é possível através do cálculo de mobilidade (M) e Número capilar (Nc). A água utilizada na injeção em reservatórios de petróleo geralmente é a água marinha, devido a sua disponibilidade, boa eficiência e baixo custo. Entretanto, caracterizar reologicamente soluções poliméricas de goma xantana com água do mar é relativamente difícil, pois a composição da água do mar possui diferentes teores de sais, que podem alterar propriedades da solução, como por exemplo, a viscosidade da fase aquosa. Por esta razão é imprescindível investigar o comportamento reológico das soluções poliméricas de goma xantana para então definir melhores condições operacionais de pressão, temperatura e composição da água de mistura. Por serem fluidos não-newtonianos estas soluções também sofrem alteração na viscosidade em função da taxa de deformação a que estão submetidas, como no processo de injeção, na interface poço-formação e no escoamento no meio poroso. O estudo de reometria feito para caracterizar as soluções aquosas é realizado em reômetros de tensão e/ou taxa de deformação controlada. Existem diversos modelos matemáticos para avaliar o comportamento reológico de cada fluido, como a Lei da potência ou Ostwald-de-waele, Herschell Bulkley, Casson, Carreau e vários outros. A aplicação destes modelos vai depender da curva reológica de tensão cisalhante versus taxa de deformação apresentada por cada fluido. 2. OBJETIVO O presente trabalho teve como objetivo caracterizar reologicamente soluções aquosas de goma xantana com diferentes concentrações, salinidade e temperatura.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A aplicação de polímeros vem sendo desenvolvido mundialmente na indústria do petróleo, isso se deve ao fato dos polímeros alterarem as propriedades físicas do fluido no meio onde se encontram, seja por interferência na viscosidade ou na interação molecular coesiva. Os polímeros podem ser utilizados tanto na fase de exploração, como por exemplo, na aditivação dos fluidos de perfuração, quanto na fase de produção onde se destaca nos métodos químicos de recuperação avançada de petróleo (ceor - chemical Enhanced Oil Recovery).Nos diferentes métodos químicos aplicáveis na recuperação avançada está à injeção de polímeros. Dois tipos de polímeros são empregues na recuperação de petróleo, um é o Polímero Sintético, como as Poliacrilamidas Parcialmente Hidrolisada (HPAM), e a outra são os Biopolímero, como a goma xantana. Sua aplicabilidade depende de estudos de resistência mecânica e térmica, efeitos de adsorção, dureza, biodegradabilidade e de tolerância à salinidade. O polissacarídeo ou goma xantana são produzidos pela bactéria Xanthomonas campestris, e comercialmente produzidos por um processo de fermentação bacteriológica. A xantana apresenta uma estrutura primária composta de repetidas unidades pentassacarídicas e possui cadeias longas, cuja principal é formada por celulósica. As soluções de goma xantana, comparativamente a outros polímeros, são resistentes à degradação pelo calor, mantêm-se a elevadas temperaturas por prolongados períodos de tempo, sem nenhuma grande alteração de viscosidade. 3.1 Reologia Reologia é a ciência que estuda a deformação de um corpo, ou ainda, o estudo da mobilidade dos fluidos (SHAW, 1975; MACHADO, 2002). Existem duas maneiras gerais de estudar aspectos reológicos: a primeira consiste em desenvolver expressões matemáticas, que possam descrever os fenômenos reológicos sem fazer maiores referências a suas causas, e a segunda consiste em correlacionar o comportamento mecânico observado com a estrutura detalhada do material em questão (SHAW, 1975). O deslocamento da goma xantana no meio poroso caracteriza- se pelo forte efeito não- newtoniano e um comportamento altamente pseudoplástico, ou seja, a viscosidade diminui com o aumento da taxa de deformação, mas recupera rapidamente a viscosidade na remoção da tensão de cisalhamento, logo o fenômeno da histerese não é pronunciado (ROCKS, 1971).
O estudo dessa reologia complexa tem atraído cada vez mais a atenção da indústria do petróleo (MAEGAVA, 1986). Portanto, a adequada compreensão dos fenômenos que descrevem as propriedades reológicas das soluções de goma xantana é extremamente importante. Os fluidos newtonianos são caracterizado por apresentarem uma viscosidade constante, que independe da taxa de deformação, e com tensão de cisalhamento proporcional à taxa de deformação. A Equação (1) mostra a Lei de viscosidade de Newton, em uma dimensão. τ = μ dv... (1) dy dv = γ... (2) dy τ = μ γ... (3) Sendo a Tensão de cisalhamento (τ) função da taxa de deformação (γ) e da constante de proporcionalidade, denominada de viscosidade (µ). A viscosidade representa a resistência ao movimento pelo fluido, sendo função principalmente da temperatura. Nessa classe de fluidos incluem-se os óleos, as soluções salinas e o querosene utilizado nos testes de deslocamento imiscível. Os fluidos não Newtonianos não podem ser caracterizados por um único valor de viscosidade, pois, em geral, a viscosidade varia com a taxa de deformação. No entanto define-se uma viscosidade aparente, como sendo a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, tomada ponto a ponto na curva reológica (MAEGAVA, 1986), tal como definido pela Equação (4). A resistência ao escoamento destes fluidos é denominada de viscosidade aparente η app, sendo definida como a razão entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. η app = τ γ...(4) η app, é função da taxa de deformação, da temperatura e da pressão. Para este comportamento existe uma relação de taxa de deformação e tensão de cisalhamento que não é constante, ou seja, uma relação não linear. Além disso, os fluidos não newtonianos podem ser classificados em: fluidos viscoelásticos, dependentes e independentes do tempo. As soluções poliméricas utilizadas na recuperação avançada de petróleo apresentam um comportamento reológico pseudoplástico ("shear-thinning") e a maneira tradicionalmente utilizada para representar tal comportamento é um gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento, conforme pode ser visto na figura 1 para soluções poliméricas de xantana a várias concentrações.
Figura 1- Viscosidade Aparente versus Taxa de Cisalhamento, para Diferentes Concentrações (Xantana) Fonte: Sorbie Adaptada 4. MATERIAL E MÉTODO Os experimentos foram realizados no laboratório de operações unitárias da Universidade Santa Cecília, em Santos. Foram preparadas soluções aquosas de goma xantana com concentrações em massa de 0,5% e 1,0%, em água deionizada e água do mar (recolhida na praia de Santos), totalizando 4 soluções. Visando evitar a proliferação de bactérias nas soluções, foi adicionada em cada solução benzoato de sódio na concentração mássica de 0,1%. Cada solução foi agitada por 40 minutos com um impulsor mecânico do tipo axial com 4 pás inclinadas a 45. Após a agitação, cada solução foi colocada em repouso por 24 horas a uma temperatura de 15 C em uma câmara refrigerada. Após o repouso, retirou-se cada solução da câmara refrigerada e aguardou a sua ambientação com a temperatura do laboratório que era de 25 C. Foi retirada uma amostra de cada solução, a qual foi submetida a um reômetro Brookfield modelo DV-III acoplado com um banho termostatizado. Cada solução foi analisada reologicamente em três temperaturas distintas: 20 C, 40 C e 60 C. Na Figura 2 está apresentado o reômetro empregado no estudo, o qual foi cedido para esse experimento pelo Laboratório de Separações Térmicas e Mecânicas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP).
Reômetro Banho termostático Jaqueta para controle de temperatura da amostra Solução polimérica Cilindro externo Spindle Figura 2- Reômetro. O reômetro DV-III tem como parâmetro de entrada o controle da taxa de cisalhamento, arbitrandose uma rotação ao Spindle (cilindro interno móvel). Com a rotação do Spindle, a amostra exerce uma resistência ao movimento, deformando uma mola no interior do equipamento devido ao torque gerado, a partir do qual é calculada uma tensão de cisalhamento. Cada solução foi submetida a 10 rotações do spindle, medindo-se dessa maneira 10 valores de tensão de cisalhamento. Visando obter resultados confiáveis, as rotações foram escolhidas entre 20% e 80% da deformação da mola, evitando trabalhar em condições extremas. Cada análise foi executada esperando 30 segundos para leitura, afim de evitar leituras com o escoamento em desenvolvimento e sim com um escoamento plenamente desenvolvido. 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Apresenta-se nas Figuras 3 e 4 as curvas de tensão de cisalhamento por taxa de deformação para as soluções de goma xantana a 0,5% e 1%, respectivamente. Ressaltando quem em ambas as Figuras as soluções foram preparadas com água do mar.
14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 ɤ (1/s) 20 C 40 C 60 C Figura 3 - Solução de goma xantana 0,5% com água do mar 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 ɤ (1/s) 20 C 40 C 60 C Figura 4 - Solução de goma xantana 1% com água do mar Analogamente, nas Figuras 5 e 6 as curvas de tensão de cisalhamento por taxa de deformação para as soluções de goma xama xantana a 0,5% e 1%, respectivamente. Ressaltando nesse caso as soluções foram preparadas com água deionizada.
18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 ɤ (1/s) 20 C 40 C 60 C Figura 5 - Solução de goma xantana 0,5% com água deionizada 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 20 C 40 C 10,0 5,0 60 C 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 ɤ (1/s) Figura 6 - Solução de goma xantana 1% com água deionizada Analisando o reograma das soluções de goma xantana preparadas com a água do mar, notou-se que a 20 C, tanto para as soluções de 0,5% e 1,0%, foi nessa temperatura que os maiores valores de tensão de cisalhamento foram encontrados. O que indica que a maior resistência ao escoamento, portanto, uma maior viscosidade aparente, se encontra nessa condição. No entanto, a 40 C e 60 C houve praticamente uma sobreposição dos resultados obtidos e os valores de tensão foram cerca de 15% em média inferior aos valores encontrados com 20 C. Esses
resultados já eram esperados, visto que conforme a temperatura da fluido líquido aumenta, esperase uma diminuição no valor da viscosidade aparente. Todavia, analisando os reograma das soluções preparadas com a água deionizada foi observada pouca variação nos valores da tensão de cisalhamento conforme a mudança da temperatura. Essa diferença em relação ao preparo com a água do mar, indica que o cloreto de sódio (sal predominante na água marinha) provoca uma modificação na reologia das soluções de goma xantana. Com os resultados obtidos experimentalmente, constatou-se que as soluções de goma xantana nas condições estudadas possuem um comportamento não-newtoniano. Dessa forma foram testados alguns modelos reológicos como o de Herschell- Bulkley e o de Casson, apresentados nas equações (5) e (6). τ = k γ n + τ 0...(5) τ 1 2 = μ 1 2 γ 1 2 + τ 0 1 2...(6) Na Figura 7 está apresentada o ajuste dos modelos de Herschell Bulkley e Casson para os dados experimentais para a solução de goma xantana a 0,5% preparada com água do mar, com uma temperatura de 20 C. 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Experimental Herschell - Bulkley Casson 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 γ (1/s) Figura 7 Solução de goma xantana 0,5% - água do mar 20 C Ajuste dos dados experimentais
Foi observado na Figura 7 que o modelo de Herschell Bulkley possui um melhor ajuste aos dados experimentais, quando comparado com o modelo de Casson, o que ficou ligeiramente abaixo dos dados experimentais, na temperatura de 20 C. Nas outras temperaturas, 40 C e 60 C, e com as soluções preparadas tanto com água do mar e com água deionizada, o modelo de Herschell Bulkley forneceu a melhor predição dos resultados observados. Na Figura 8, de forma análoga a Figura 7, está apresentada o ajuste dos modelos de Herschell Bulkley e Casson aos dados observados experimentalmente para a solução de goma xantana a 1% preparada com água deionizada com uma temperatura de 20 C. 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 Experimental Herschell - Bulkley Casson 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 γ (1/s) Figura 8 Solução de goma xantana 1,0% - água do mar 20 C Ajuste dos dados experimentais Nesse caso observou-se que os dois modelos se ajustaram de forma satisfatória aos dados obtidos experimentalmente. O mesmo foi visto nas temperaturas de 40 C e 60 C com as outras soluções, independentemente se foram preparadas com água do mar ou água deionizada. 6. CONCLUSÕES As soluções de goma xantana preparadas com água do mar (tentando representar uma situação mais real possível) e com a água deionizada nas temperaturas de 20 C, 40 C e 60 C apresentaram uma caracterização reológica de pseudoplásticas com tensão inicial ou simplesmente plásticos não lineares.
Visando fornecer equações para predição das propriedades reológicas (tensão e viscosidade aparente) verificou-se que para a solução de goma xantana com concentração de 0,5%, independente se foi preparada com água do mar ou água deionizada, recomenda-se o uso do modelo de Herschell Bulkley, em função do melhor ajuste aos dados experimentais. No entanto, com a solução de goma xantana a 1%, independente da temperatura e do tipo de água, tanto o modelo de Herschell Bulkley como o de Casson se apresentaram de forma satisfatória. Porém, recomenda-se o uso do modelo de Herschell Bulkley devido a facilidade de uso da sua equação em relação ao modelo de Casson. Por fim, concluiu-se que o cloreto de sódio presente na água marinha provoca uma variação na reologia das soluções de goma xantana, diminuindo a resistência ao escoamento das mesmas conforme a temperatura vai aumentando. 7. REFERENCIAS [1] CANNELLA, W. J. et ai., Prediction of Xanthan Rheology in Porous Media, SPE-18089, 1988. [2] CRAIG, Forrest F. The reservoir engineering aspects of waterflooding. Richardson, TX: Henry L. Doherty Memorial Fund of AIME, Society of PetroleumEngineers, 1993. [3] LAKE L. W. Enhanced Oil Recovery, University of Texas at Austin, Prentice Hall: New Jersey, USA, 1989. [4] LOPES, L. F.; SILVEIRA, B. M. O.; MORENO, R. B. Z. L. RheologicalEvaluation of HPAM fluidsfor EOR Applications. International Journal of Engineering&Technology IJET-IJENS, v. 14, n. 03, p. 35 41, 2014. [5] MACHADO, J. C. V. Reologia e Escoamento de Fluido. Editora Interciência, Rio de Janeiro, 2002 [6] MAEGAVA, L. M. Escoamento de Soluções Poliméricas: A Redução do Arraste. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Química, Campinas - São Paulo: Dissertação (Mestrado em Enenharia Química), 1986. [7] ROSA, Adalberto José; DE SOUZA CARVALHO, Renato; XAVIER, José Augusto Daniel. Engenharia de Reservatórios de Petróleo. Interciência, 2006. [8] THOMAS, J. E.Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Editora Interciência, Rio de Janeiro, 2001.