ASPECTOS FUNDAMENTAIS DO AQUECIMENTO E SECAGEM DE CASCALHO DE PERFURAÇÃO POR MICROONDAS

ASPECTOS FUNDAMENTAIS DO AQUECIMENTO E SECAGEM DE CASCALHO DE PERFURAÇÃO POR MICROONDAS Arley S. Rossi 1, Marcella G. Faria 2, Marina S. Pereira 3, Carlos H. Ataíde 3 1 Bolsista de Doutorado PPGEQ/UFU/MG 2 Aluna iniciação Cientifica Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 3 Professora Substituta da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 4 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 1, 2, 3, 4 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100 e-mail: chataide@ufu.br RESUMO - Cascalhos contaminados com fluido de perfuração não aquosos são um resíduo da indústria do petróleo que tem ganhado particular atenção, uma vez que as leis ambientais que regem o seu descarte estão cada vez mais severas. A mistura cascalho/fluido que retorna do poço passa por uma série de etapas de separação a fim de promover a recuperação do fluido para posterior reutilização. O cascalho proveniente deste sistema de separação deve ser descartado e, para isso, deve atender determinados limites estabelecidos pela legislação vigente. O aquecimento e a secagem por microondas para promover a descontaminação desse resíduo tem sido estudada ao longo dos últimos anos e tem se mostrado uma tecnologia promissora. O trabalho desenvolvido objetivou investigar aspectos fundamentais do aquecimento e secagem de cascalho por microondas. Para isso, avaliou-se a cinética de aquecimento de dois fluidos mais comumente empregados nas operações de perfuração de poços. Também foi estudada a cinética de secagem de cascalhos contaminados com esses dois fluidos de perfuração. Foi avaliado o comportamento individual de remoção das bases orgânicas e da água no processo de secagem por microondas. Palavras-Chave: secagem por microondas, cascalho de perfuração, bases orgânicas. INTRODUÇÃO Em processos de exploração e perfuração de poços de petróleo o fluido de perfuração é basicamente utilizado com o objetivo de manter a estabilidade hidrostática do poço, resfriar a broca, lubrificar a coluna além de manter em suspensão os cascalhos gerados ao longo da perfuração transportando-os até a superfície. Esses cascalhos, contaminados com fluido de perfuração, constituem o resíduo da etapa de perfuração. Os sólidos derivados desse processo contém certa quantidade de base orgânica aderida, o que impede o seu descarte em alto mar. Deste modo, é inevitável a utilização de um equipamento que promova essa separação para ajustar o cascalho aos parâmetros ambientais vigentes na legislação atual. No Brasil, em processos de perfuração de poços de petróleo, quando se emprega fluidos com base sintética, o teor aderido ao cascalho desta base orgânica não deve ultrapassar 6,9% em massa para ser descartado em alto mar (Pereira et al., 2014). A centrífuga filtrante ou secador de cascalhos é na atualidade o equipamento responsável por promover essa descontaminação do cascalho proveniente da perfuração de poços. Mas, devido a algumas limitações quanto à segurança e eficiência, o presente equipamento trabalha no limiar da legislação ambiental vigente. Com o propósito de melhorar a descontaminação de cascalho de perfuração e ultrapassar as limitações da centrifuga filtrante, o processo de secagem térmica se mostra uma tecnologia viável. O aquecimento e secagem por microondas desponta, na atualidade, como uma tecnologia inovadora para promover a descontaminação de cascalho com fluido de perfuração. Nos últimos anos vários trabalhos foram publicados nessa área e, em sua grande maioria, apresentam cascalhos com teores orgânicos residuais abaixo de 1% (em massa), tendo ainda a possibilidade de recuperação

da fase orgânica e possível reutilização na formulação de novos fluidos de perfuração (Pereira, 2013; Petri, 2014; Santos, 2014). Tradicionalmente, em processos térmicos, a energia é transferida através da condução, convecção e/ou radiação. A energia de microondas, por sua vez, é fornecida diretamente aos materiais por meio da interação molecular com o campo eletromagnético formado pelas microondas. A distribuição de temperatura interna de um material exposto a um aquecimento convencional é limitada por sua condutividade térmica, ao passo que no processo de aquecimento por microondas os elementos do material são aquecidos individualmente e instantaneamente. Desta forma, cerca de apenas 1% do tempo requerido é utilizado no aquecimento por microondas quando se comparado com outras técnicas tradicionais de aquecimento (Meredith, 1998; Barranco et al., 2010). Segundo Shang et al., (2006) existem três classificações universais para o desempenho de materiais frente as microondas. 1 - Materiais transparentes: as microondas passam pelo material com pouca absorção (baixo fator de perdas dielétrica). 2 - Materiais opacos: as microondas são refletidas pelo material e não são absorvidas. 3 - Materiais absorventes: as microondas são absorvidas com base na intensidade do campo eletromagnético e o fator de perda dielétrica. O processamento por microondas tem algumas vantagens para o tratamento de materiais que contêm uma mistura de material absorvente e transparente. As microondas são absorvidas pelas substâncias com alto fator de perda dielétrica (absorventes) e passam através dos componentes com baixo fator de perda dielétrica (transparentes), resultando em um aquecimento seletivo. Neste caso, economias significativas de energia são possíveis uma vez que o material dielétrico pode ser aquecido sem que ocorra o aquecimento de toda a matriz (Shang at al., 2006). O presente trabalho tem como objetivo investigar e estudar os aspectos fundamentais da cinética de aquecimento e secagem de fluidos de perfuração a base de n-parafina e olefina e do cascalho de perfuração misturados com esses dois fluidos. Os resultados obtidos foram comparados com a cinética de aquecimento e secagem de cascalhos contaminados apenas com água. Também foi investigado o comportamento individual do aquecimento e remoção das bases orgânicas e da água no processo de secagem utilizando a tecnologia de microondas. MATERIAIS E MÉTODOS Unidade experimental A unidade de aquecimento e secagem por microondas que foi utilizada neste trabalho era composta de um microondas comercial da marca SHARP modelo R-23GT com 1600 W de potência de saída, freqüência de 2,45 GHz, cavidade de aço inox com dimensões internas de 330x330x181 mm e sistema de exaustão de vapores. Foram feitas algumas adaptações no equipamento para aferição de temperaturas e pressão, assim como, injeção de gás inerte (N 2 ) e ar comprimido. A Figura 1 mostra essa unidade de secagem com todas as adaptações feitas. Figura 1 - Unidade experimental de aquecimento e secagem de microondas. Onde: 1 - Manômetro transmissor de pressão NOVUS TP-691 faixa de -1 a +1bar com 0,3%FS de precisão; 2 - Anemômetro de fio quente TSI VelociCalc PLUS 8386 faixa 1,27-78,7 ft/min com +/- 3% de FS; 3 - Sistema de válvulas de alimentação de inerte (N 2 ) e ar comprimido; 4 - Termopar tipo K ALUTAL faixa 60ºC à 200ºC para aferição de temperaturas do vapor; 5 - Termopar tipo K ALUTAL faixa 35ºC à 305ºC para aferição de temperaturas do leito; 6 - Disco giratório original do equipamento para melhor distribuição das microondas na cavidade; 7 - Recipiente de borosilicato responsável por dispor o material no interior da cavidade e realização dos testes. Esta unidade permite ainda um controle do tipo on/off da temperatura do material. Para isso, determina-se um valor de set point e o equipamento busca manter essa temperatura ligando e desligando automaticamente as fontes de microondas. Materiais Os materiais empregados neste trabalho foram:

1 - Fluido de perfuração à base de n-parafina e olefina; 2 - Cascalho de perfuração; 3 - Água de torneira. Os itens de 1 e 2 foram fornecidos pela Petrobras. Os cascalhos recebidos continham pequeno teor de umidade e fase orgânica. Para eliminar completamente a fase orgânica e a água presentes no cascalho, este mesmo foi submetido a um processo de extração com álcool isopropílico em extratores Soxhlet e em seguida foram submetidos à secagem em estufa a 105 C por 24h para remoção completa da água. Ensaios experimentais Quatro diferentes ensaios experimentais foram propostos para este trabalho com o intuito de atender aos objetivos propostos. Ensaio 1: cinética de aquecimento da á- gua e fluidos de perfuração nas mesmas condições. Objetivo: comparar a curva de aquecimento dos fluidos de perfuração frente à ação das microondas. Procedimento: aquecer 400 g de cada material durante determinado tempo (até o limite do equipamento). Variável resposta: temperatura ao longo do tempo. Ensaio 2: Aquecimento do fluido de perfuração em diferentes tempos de aquecimento. Objetivo: estudar a remoção da água e da fase orgânica. Procedimento: aquecer 400 g de fluido de perfuração em cinco diferentes tempos (3, 6, 9, 12 e 15 minutos). Análise de retorta inicial e final em cada tempo. Variável resposta: variação no teor de água e fase orgânica com o tempo. temperatura ao longo do tempo. Ensaio 3: Secagem de cascalho contaminado com água e fluido de perfuração com medida da massa a cada minuto. Objetivo: estudar a cinética de secagem do cascalho contaminado com água e fluido de perfuração. Procedimento: Secagem de 400 g de cascalho contaminado com 20% de água ou fluido de perfuração. A cada minuto a operação é parada para pesagem da massa. Os teores de água e fase orgânica (retorta) foram medidos apenas ao inicio e ao final do experimento. Variável resposta: variação da massa de água ou fluido de perfuração com o tempo. Ensaio 4: Secagem de cascalho contaminado com fluido de perfuração em diferentes tempos com controle de temperatura. Objetivo: avaliar a remoção de água e fase orgânica individualmente ao longo do tempo e em diferentes temperaturas de controle. Procedimento: secagem de 400 g de cascalho contaminado com 20% de água ou fluido de perfuração em diferentes tempos (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 minutos) com controle de temperatura em 150 e 200 C. Os teores de água e fase orgânica (retorta) forma medidos no inicio e no final de cada ensaio. Variável resposta: variação no teor de água e fase orgânica. Avaliação do comportamento individual de remoção das bases orgânicas através da cinética de aquecimento do cascalho. Todos os ensaios foram realizados em duplicata e o teor de água e fase orgânica presentes no cascalho no inicio e ao final dos testes foram determinados através do método de retorta, equipamento usualmente empregado na indústria do petróleo. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 2 mostra a curva de aquecimento dá água e dos dois fluidos de perfuração descritos (Ensaio 1). Nota-se que os dois fluidos de perfuração, apesar de possuírem bases orgânicas diferentes, demonstram uma cinética de a- quecimento semelhante. Figura 2 - Curva de aquecimento dos fluidos de perfuração e da água. A curva de aquecimento da água apresenta comportamento tradicional com patamar de evaporação em 100 C. Nas curvas de aquecimento do fluido de perfuração, observase uma inclinação inicial entre 0 e 2 minutos, neste intervalo ocorre aquecimento de todo o material e evaporação de parte da água com possível arraste de fase orgânica. A partir desse ponto e até aproximadamente 7 minutos, toda água já foi completamente removida. A partir de 7 minutos, ocorre aquecimento dos sólidos e da

fase orgânica restante. Uma vez que, o ponto de ebulição de ambas as bases são: n-parafina, entre 173 e 289 o C, e olefina, entre 268 e 367 o C, espera-se que a curva de aquecimento sofra uma nova inflexão à medida que a temperatura aumenta, neste ponto ocorreria a evaporação das bases orgânicas contidas no fluido de perfuração. A Figura 3 mostras os resultados obtidos no Ensaio 2, ou seja, a temperatura final ao longo do processo de secagem no forno microondas com fluidos a base de n-parafina (Figura 3a) e olefina (Figura 3b) e a variação da massa de água e base orgânica nesse processo. Os resultados obtidos corroboram com o que foi elucidado para a Figura 2. A variação da temperatura mostrou-se bastante semelhante para ambos os fluidos de perfuração. (a) (b) Figura 3 - Temperatura final da secagem de fluido à base de n-parafina (a) e de olefina (b) e variação da massa de água e fase orgânica. Como os dois fluidos de perfuração tinham concentrações semelhantes de água e base orgânica, a variação de massa de água residual, ao longo do processo de secagem, também se manteve semelhante. Em ambos os casos, a água foi completamente removida em aproximadamente 9 minutos. Por outro lado, a variação de massa das bases orgânicas, apresentou diferenças significativas. No aquecimento do fluido a base de n-parafina (Figura 3a), a fase orgânica foi removida consideravelmente, observando-se que nos primeiros 9 minutos a água, por arraste, conseguiu remover boa parte da fase orgânica. Porém, a partir de 9 minutos a temperatura alcançada supera os 200 o C, e a n-parafina é então removida por evaporação, a uma taxa superior apresentando, depois de 15 minutos, níveis consideravelmente baixos de teor residual de base orgânica no cascalho. A parafina é composta por materiais orgânicos com diferentes tamanhos de cadeia carbônica, apresentando, portanto, um faixa de temperatura de ebulição já mencionada. Esta temperatura de 200 C está dentro da faixa de temperatura de ebulição da n- parafina, portanto, neste ponto a mesma começa a ser removida efetivamente por evaporação. Além disso, acredita-se que devido ao efeito dos chamados hot spots, podem haver pontos no material que estejam a uma temperatura superior à medida, nos quais esteja ocorrendo também a evaporação da n-parafina à uma taxa maior que a do local de tomada de temperatura. No aquecimento do fluido a base de olefina (Figura 3b), a massa de olefina sofreu pouca variação quando comparado à massa de parafina. Neste caso, a remoção por arraste pela água, nos primeiros 9 minutos foi pouco significativa. Esse fato pode ser atribuído ao maior peso molecular da olefina em relação à parafina. Enquanto a parafina é composta por hidrocarbonetos com cadeias de 10 a 13 carbonos, a olefina possui cadeias com 15 a 18 carbonos. Além disso, a faixa de temperatura de ebulição da olefina, que inicia em 268 o C, foi alcançada a partir de 15 minutos de aquecimento, portanto, neste experimento, não houve remoção efetiva por evaporação. No entanto, conduzindo o Ensaio 2 para a olefina até pouco mais de 16 minutos de secagem, observou-se uma leve tendência a mudança de inclinação na curva da massa residual de olefina. Espera-se que a evaporação da olefina inicie neste ponto, pois as temperaturas alcançadas ficaram dentro da faixa de ebulição desta base orgânica. A Figura 4 mostra a variação de massa de água, fluido de perfuração a base de n- parafina e fluido de perfuração a base de olefina na secagem de cascalhos contaminados com esses materiais, resultados obtidos com o Ensaio 3. No geral, o comportamento observado na secagem de cascalhos é semelhante, independente do material com o qual este está contaminado (água ou fluidos de perfuração). A grande diferença, porém, está na taxa com que esses materiais são removidos. Para cascalho contaminado apenas com água, em 4 minutos esta foi completamente removida. Para cascalhos contaminados com fluidos a base de n-parafina, neste mesmo intervalo de tempo a água foi praticamente

removida por completo e a remoção de fase orgânica ficou em torno de 44% (Tabela 1). Como também pode ser observada na Tabela 1, a temperatura final do material foi de 176 C, portanto a remoção do material orgânico por evaporação foi praticamente desprezível. A quantidade de material orgânico removido devese, sobretudo, ao arraste pela evaporação da água. Figura 4 - Variação da massa total de cascalho contaminado com água, fluido a base de n- parafina e fluido a base de olefina ao longo do aquecimento por microondas. esses fluidos (Figura 5b). Os resultados são provenientes dos Ensaios 2 e 4, respectivamente. Os resultados mostram que o comportamento de remoção de água por microondas é exatamente o mesmo quando ela é removida do fluido de perfuração ou do cascalho contaminado. No caso da secagem de cascalho (Figura 5b), embora o comportamento seja muito semelhante, observa-se que a remoção da água quando o cascalho está contaminado com fluido a base de olefina é menor em relação à contaminação com fluido a base de n-parafina. Além disso, para contaminação com mesmo tipo de fluido a temperatura de controle da secagem não afeta a cinética de remoção de água. Esse comportamento é devido ao fato de que ambas as temperaturas estudadas são superiores à de ebulição da água. A Figura 6 mostra a cinética de secagem por microondas da fase orgânica presente nos fluidos de perfuração a base de n-parafina e olefina (Figura 6a) e também no cascalho contaminado com esses fluidos (Figura 6b). Esses resultados também são provenientes dos Ensaios 2 e 4, respectivamente. Para cascalho contaminado com fluido a base de olefina, neste ponto (4 min), a água também foi removida praticamente por completo e a remoção de fase orgânica ficou em torno de 32%. Neste ensaio, a temperatura final do material foi de 203 C, portanto a temperatura de ebulição da olefina (319 C) não foi alcançada e a quantidade de material orgânico removido devese, sobretudo, ao arraste pela evaporação da água. Tabela 1 - Massa de água e fase orgânica no cascalho de perfuração com diferentes contaminações antes e após aquecimento. Cascalho contaminado com: Massa (g) Fluido à base Fluido à base Água de n-parafina de olefina Início Final Início Final Início Final Água 80 1,15 31,36 3,02 30,59 4,21 Base orgânica - - 44,80 25,21 45,92 31,38 Temperatura ( C) 295 176 203 Esses resultados mostram também que para um mesmo nível de energia (ou tempo de secagem), a remoção de n-parafina é mais eficiente que a de olefina. Isto se deve, sobretudo, às diferenças entre suas propriedades físico-químicas, como peso molecular e temperatura de ebulição. A Figura 5 ilustra a cinética de secagem por microondas da água presente nos fluidos de perfuração à base de n-parafina e olefina (Figura 5a) e também no cascalho contaminado com (a) (b) Figura 5 - Cinética de secagem da água presente em fluido de perfuração a base de n- parafina e olefina (a) e em cascalho contaminado com fluidos de diferentes bases e seco em diferentes temperaturas (b). Quando no fluido de perfuração, o comportamento da n-parafina e da olefina se diferem

significativamente. Essa divergência se dá, como já foi dito, sobretudo, pela diferença em suas propriedades. No entanto, quando presentes no cascalho de perfuração a curva de cinética de remoção dessas bases orgânicas presentes no fluido é bastante semelhante, diferindo apenas na eficiência da remoção. Tanto o teor de n-parafina, quanto o de olefina decrescem linearmente na secagem de cascalho contaminado. Ao contrário da cinética de remoção da água, a temperatura de controle, neste caso, embora não influencie o comportamento, altera a eficiência de remoção da fase orgânica. Para uma mesma base orgânica (n-parafina ou olefina), a remoção com controle de temperatura a 200 C é mais efetiva que a 150 C. de fase orgânica, que a secagem de cascalho contaminado com fluido a base de olefina e temperatura de controle de 200 C. CONCLUSÕES Com base nos aspectos fundamentais do aquecimento e secagem de cascalho de perfuração contaminado com fluidos a base de n- parafina e olefina avaliados, pode-se concluir que os dois fluidos possuem comportamentos distintos quando submetidos ao aquecimento por microondas. Por outro lado, quando associadas ao cascalho de perfuração, o comportamento observado é semelhante, apresentando uma variação nos teores de base orgânica linearmente decrescente. A eficiência na secagem de cascalho, em termos de remoção de base orgânica, é maior quando este está contaminado com fluido a base de n-parafina. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (a) (b) Figura 6 - Cinética de secagem dos compostos orgânicos presentes em fluido de perfuração a base de n-parafina e olefina (a) e em cascalho contaminado com fluidos de diferentes bases e seco em diferentes temperaturas (b). Além disso, comparando agora a remoção das duas bases à mesma temperatura, nota-se que a n-parafina é removida de forma mais eficiente que a olefina. A secagem de cascalho de perfuração contaminado com fluido a base de n-parafina e temperatura de controle de 150 C tem a mesma eficiência, em termos de remoção BARRANCO, R.; BRADLEY, M.S.A.; BRADSHAW, S.M.; ROBINSON, J.P.; KINGMAN, S.W.; SHANG, H.; SNAPE, C.E. 2010. Scale-up and design of a continuous microwave treatment system for the processing of oil-contaminated drill cuttings. Chemical Engineering Research and Design, v. 88, p. 146-154. MEREDITH, R. 1998. Handbook of Industrial Microwave Heating, London, Institute of Electrical Engineers. PEREIRA, M. S., 2013. Aplicação de Secagem por Micro-ondas no tratamento de cascalho de perfuração, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia-MG. (Tese de Doutorado ), 55p. PEREIRA, M. S., PANISSET, C. M. A., MARTINS, A. L. ATAÍDE, C. H., 2014. Microwave treatment of drilled cuttings contaminated by synthetic drilling fluid. Sep. Purif. Technol, 124, 68-73. PETRI, I. J., 2014. Secagem por microondas na descontaminação de cascalho de perfuração, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia-MG. (Dissertação de Mestrado), 131p. SANTOS, J. M., 2014. Remediação de sólidos de perfuração via aquecimento por micro-ondas, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia-MG. (Dissertação de Mestrado), 97p. SHANG, H., SNAPE, C. E., KINGMAN, S. W., ROBINSON, J. P., 2006. Microwave treatment of oil-contaminated North Sea drill cuttings in a high power multimode cavity, Separation and Purification Technology, v. 49(1), p. 84-90. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro da CAPES e Petrobras.