UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET
PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS – PETROBRAS – PRH - PB - 222
LABORATÓRIO DE PESQUISA EM PETRÓLEO - LAPET
Bruno Henrique de Albuquerque Pereira
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DOS POLISSACARÍDEOS E SAIS ORGÂNICOS NAS
PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO AQUOSOS
Dezembro – 2015
Natal – RN
Bruno Henrique de Albuquerque Pereira
Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas propriedades
físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao curso de Química do
Petróleo – Bacharelado, da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, como
parte integrante dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de bacharel em
Química do Petróleo.
Orientador: Profª. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban
Dezembro – 2015
Natal – RN
Catalogação da Publicação na Fonte
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Pereira, Bruno Henrique de Albuquerque.
Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas
propriedades físico-químicas de fluidos de perfuração aquosos /
Bruno Henrique de Albuquerque Pereira. - Natal, 2016.
37f: il.
Orientador: Rosangela de Carvalho Balaban.
Monografia (Bacharel em Química do Petróleo) - Universidade
Federal do Rio Grande do Norte. Instituto de Química.
Coordenação de Química do Petróleo.
1. Físico-Quimica. 2. Fluido de perfuração. 3. Salmoura.
4. Biopolímeros. I. Balaban, Rosangela de Carvalho. II.
Título.
RN/UF/BSE-IQ CDU 544
Bruno Henrique de Albuquerque Pereira
Estudo da influência dos polissacarídeos e sais orgânicos nas propriedades físico-
químicas de fluidos de perfuração aquosos
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao curso de Química do
Petróleo – Bacharelado, da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, como
parte integrante dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de bacharel em
Química do Petróleo.
Aprovado em de dezembro de 2015.
____________________________________
Profª. Dra. Rosangela de Carvalho Balaban
Orientadora – UFRN
____________________________________
Profª. Dra. Ana Catarina da Rocha Medeiros - UFRN
____________________________________
Dr. Oldemar Ribeiro Cardoso - UFRN
Aos meus pais...
“I am the master of my fate.
I am the captain of my soul.”
William Ernest
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, aos meus pais e ao meu irmão por todo o amor e
compreensão que tiveram durante todo esse processo, onde mesmo distantes fisicamente,
fizeram o possível para que eu sentisse que os tinha ao meu lado.
Ao meu outro núcleo familiar, pois sei que todos torcem pelo meu sucesso.
Aos meus melhores amigos Jonilson, Vitor e Ariel, por todas as horas de conversa e
por me mostrarem um novo significado de família. Quando foi difícil pra eu ser eu mesmo,
vocês fizeram com que eu me sentisse abraçado.
Aos meus grandes amigos, que sempre estiveram ao meu lado Afonso, Andressa,
Beatriz, Geddara, Natália, Nathália, Nayara e Priscila, vocês ajudaram a construir a pessoa
que eu sou hoje. Obrigado por me mostrarem uma nova forma de amor.
Aos meus mais antigos amigos Artur, Altair, Bia, Bruno, Damácio, Dannylo, Juliette e
Victor, e também ao que adentrou ao grupo recentemente, Vinícius. Vocês são pessoas
incríveis e que me apoiaram sempre, sou muito grato por vocês estarem presentes em minha
vida.
Aos meus amigos de curso Alyxandra, Bruna, Fernanda, Gabizinha, Gabizona,
George, Isadora, Letícia, Maxwell e Victor. Eu não esperava conhecer pessoas tão incríveis
quanto vocês, obrigado por me ajudarem durante todo esse processo. Em especial quero
agradecer a Gabriel, Nathália e Tatyane, por todos os conselhos dados e histórias
compartilhadas.
À professora Drª. Rosangela de Carvalho Balaban pela orientação, por todo o
conhecimento passado, pelo constante incentivo à evolução pessoal como aluno e pesquisador
e por acreditar em mim.
À equipe do LAPET, em especial a Luciana Carvalho, por todo o conhecimento
compartilhado e disposição para ajudar sempre que foi necessário.
Ao PRH-PB-222 pelo incentivo financeiro fornecido durante todos esses anos e pela
concessão do título de capacitação de recursos humanos na área de petróleo e gás natural.
À UFRN e ao Instituto de Química pelo conhecimento adquirido durante toda a
jornada.
RESUMO
Em decorrências das grandes restrições ambientais quanto ao uso de fluidos de
perfuração à base de óleo, os biopolímeros assumem grande importância na composição dos
fluidos à base de água, em decorrência das propriedades que eles proporcionam à lama.
Porém, a relação entre a estrutura química do polissacarídeo e as propriedades dos fluidos de
perfuração não é tão comumente estudada. Este trabalho apresenta um estudo da contribuição
dos polissacarídeos nas propriedades dos fluidos de perfuração aquosos, procurando
estabelecer a correlação entre a estrutura química da Goma Xantana, Goma Guar e o
Hidroxipropilamido e as propriedades observadas na lama. As gomas Xantana e Guar
apresentaram desempenho significativo como modificadores reológicos. Isso ocorre, dentre
outros fatores, pela sua elevada massa molar e conformação adotada pela cadeia polimérica
em solução. O Hidroxipropilamido, por sua vez, se destacou não como modificador reológico,
mas como agente controlador de filtrado, formando um reboco de baixa permeabilidade.
Estudou-se também as mudanças causadas nos parâmetros reológicos e de filtração com a
alteração da salmoura de NaCl para salmoura de sais orgânicos, no caso, o formiato de sódio
(HCOONa), formiato de potássio (HCOOK), acetato de sódio (CH3COONa) e acetato de
potássio (CH3COOK), pois isso acarretaria um ganho ambiental elevado, já que muitas vezes
o descarte dos fluidos de perfuração em sondas on-shore ocorre de forma indiscriminada.
Quando a salmoura constituinte do fluido é composta por NaCl, o íon Cl- lixivia o solo e pode
contaminar aquíferos, tornando a água imprópria para o uso. Foi verificado que a alteração da
salmoura de NaCl por salmouras de sais orgânicos não apresentou prejuízos nos parâmetros
reológicos e de filtração, sugerindo que os sais orgânicos podem propiciar fluidos de
perfuração tecnicamente viáveis e de menor impacto ambiental. Entretanto, os sais orgânicos
apresentam como desvantagem o seu maior custo.
Palavras-chave: Fluidos de perfuração, salmoura, polímeros
ABSTRACT
Due to the main environmental restrictions regarding the use of oil-based drilling
fluids, there is an increasing interest in the use of biopolymers in the composition of water-
based fluids, due to the properties they provide to the mud. However, the relation between the
polysaccharide's chemical structure and the drilling fluids properties is not commonly studied.
The following work intends to establish the polysaccharide's contributions into aqueous
drilling fluids properties, seeking to set a correlation among the chemical structure of Xanthan
Gum, Guar Gum and Hydroxypropyl Starch, and the properties observed on mud. Xanthan
Gum and Guar Gum showed a significant performance as rheological modifiers. This occurs,
among other factors, because their high molar mass and employed conformation by the chain
in the solution. The Hydroxypropyl Starch did not stand out as a rheological modifier, but as a
filtrate controller agent, forming a low permeability cake. Furthermore, it was studied the
changes caused in rheological and filtration parameters altering the brine of NaCl to an
organic salts brine, in this case, Sodium formate (HCOONa), Potassium formate (HCOOK),
Sodium acetate (CH3COONa) and Potassium acetate (CH3COOK), because this would cause
a high environmental gain, since the disposal of drilling fluids at on-shore probes often occurs
indiscriminately. When the constituted brine is composed of NaCl, the Cl- ion leaches the soil
and can pollute aquifers, making the water unsafe for usage. it was verified that the change
from the NaCl brine to the organic salts brine did not present any detriment in the rheological
and filtration parameters, thus showing the organic salts can provide technically feasible
fluids with less environmental impact. Although, regarding the salt's cost, the use of organic
salts presents the downside of being considerably more expensive.
Key-words: Drilling fluid, brine, biopolymers
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Representação esquemática da estrutura química da Goma Xantana........... 15
Figura 2 Representação esquemática da estrutura química da Goma Guar................ 16
Figura 3 Representação esquemática da estrutura química do Hidroxipropilamido... 16
Figura 4 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em água
industrial, a 1022s-1 e 25°C...........................................................................
28
Figura 5 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de
NaCl 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C..............................................................
29
Figura 6 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de
HCOONa e HCOOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C....................................
30
Figura 7 Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de
CH3COONa e CH3COOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C............................
30
Figura 8 Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma
xantana, goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de
NaCl, a 25°C.................................................................................................
31
Figura 9 Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma
xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmoura de
NaCl, a 25°C nas taxas de cisalhamento entre 100 e 1000 s-1......................
32
Figura 10 Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma
xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmouras de
HCOONa e HCOOK, a 25°C........................................................................
33
Figura 11 Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma
xantana, goma guar e hidroxipropilamido na presença de salmouras de
CH3COONa e CH3COOK, a 25°C................................................................
33
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Composição do fluido de perfuração a ser estudado....................................... 26
Tabela 2 Volume de filtrado dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma
xantana e goma guar, a 25°C e 100 psi...........................................................
34
SUMÁRIO
1 Introdução.......................................................................................................... 11
2 Objetivos............................................................................................................. 14
3 Referencial teórico............................................................................................. 15
3.1 Os polímeros utilizados....................................................................................... 15
3.2 Os sais utilizados................................................................................................. 17
3.3 Fluidos de perfuração.......................................................................................... 17
3.4 Propriedades de filtração..................................................................................... 18
3.5 Propriedades reológicas....................................................................................... 18
3.6 Estudos reportados na literatura.......................................................................... 19
4 Materiais e métodos........................................................................................... 25
4.1 Análises físico-químicas dos fluidos de perfuração............................................ 25
5 Resultados e discussão...................................................................................... 28
6 Conclusão........................................................................................................... 35
Referências......................................................................................................... 36
11
1. INTRODUÇÃO
São diversas as abordagens sobre a definição de um fluido de perfuração. Segundo o
Instituto Americano de Petróleo (API), o fluido de perfuração é o fluido circulante apto
a tornar a operação de perfuração executável. Dando um enfoque químico a isso, o mesmo
pode ser caracterizado como uma suspensão, dispersão coloidal, ou emulsão (Silva, 2003). Na
indústria petrolífera, existem fluidos de perfuração de diferentes tipos, sendo classificados de
acordo com a fase contínua, que é aquela onde os aditivos serão dispersos, podendo ser:
fluidos à base de água, fluidos à base de óleo e pneumáticos ou fluidos à base de gás. Uma
nova categoria vem sendo otimizada, que são os fluidos sintéticos, onde os compostos
químicos constituintes são ésteres, éteres, polialfaolefinas, glicóis, glicerinas, entre outros
(Caenn et. al, 1995).
O tipo de fluido escolhido para uma operação de perfuração depende da formação a
ser perfurada, da profundidade, da resistência mecânica do poço, da pressão de poro, entre
outros. Independente do tipo de fluido de perfuração, as suas principais atribuições são:
estabilização do poço, carreamento de cascalhos, formação de um reboco fino e pouco
permeável na parede do poço, controle da pressão de formação e o resfriamento e lubrificação
da broca (González et. al, 2011; Amorim et. al, 2005).
Não existe um fluido que seja adequado para todas as situações. O êxito de uma
operação de perfuração depende de forma direta da escolha do fluido de perfuração
apropriado para aquele poço. A seleção do fluido de perfuração a ser utilizado depende de
diversos fatores a serem estudados, como: (a) impacto ambiental; (b) temperatura e pressão da
zona a ser perfurada; (c) características geológicas da zona a ser perfurada; (d) trajetória do
poço (inclinação do poço); (e) economicidade (Thomas, 2004).
Como dito, existem variados tipos de fluidos de perfuração, e alguns são
extremamente poluentes. A necessidade de um desenvolvimento sustentável nos campos de
petróleo tornou imprescindível a introdução de fluidos de perfuração de baixo potencial de
contaminação. Esses fluidos são, normalmente, à base de água e recebem a aditivação de
biopolímeros, devido a sua disponibilidade, comportamento reológico expressivo e baixo
impacto ambiental (Dolz et. al, 2006).
Os fluidos biopoliméricos já vêm sendo utilizados desde os anos 80. A sua
característica primordial é o fato de fluidos à base de água se assemelharem muito a fluidos à
base de óleo quando os biopolímeros são utilizados como aditivos. Estes são utilizados em
situações severas, surgindo como alternativa aos fluidos à base de óleo. Apesar do elevado
12
custo, esse tipo de fluido apresenta vantagens como um baixo teor de sólidos em suspensão,
altas velocidades de penetração da broca e maior grau de inibição do inchamento de argilas
presentes na formação rochosa.
Com o crescimento da preocupação dos impactos ambientais causados pelos fluidos de
perfuração base óleo, resultado da implementação de uma legislação ambiental extremamente
rígida, ocorreu um aumento significativo quanto ao uso dos fluidos à base de água. Um
aspecto importante dos fluidos base água é a escolha e teste de polímeros solúveis em meio
aquoso para o controle de alguns dos principais parâmetros, assegurando as funções primárias
de fluidos: equilíbrio de propriedades reológicas, controle de filtrado e estabilidade do poço.
Os polímeros mais utilizados são os derivados de polissacarídeos e os polímeros sintéticos. Os
critérios de escolha para aplicação envolvem as estabilidades química, térmica e mecânica,
que são propriedades afetadas pelas condições da formação (pH, salinidade, temperatura e
pressão, etc) (Xie & Lecoutier, 1991).
Nos últimos anos, a indústria dos fluidos de perfuração tem obtido avanços
significativos quanto à otimização dos fluidos para uma minimização dos danos ao
reservatório. Estudos vêm sendo desenvolvidos quanto à seleção de biopolímeros e amidos
modificados para aplicação nos fluidos. Apesar de os fluidos à base de água não afetarem a
molhabilidade do reservatório, foi percebido que eles podem reduzir a permeabilidade deste,
isso ocorre por causa da estrutura química dos diferentes polímeros utilizados, que tendem a
adsorver em componentes hidrofílicos da rocha reservatório. Grande parte dos estudos
desenvolvidos sobre a tecnologia de fluidos foi focado na seleção de um material de ponte,
objetivando a redução do volume de filtrado durante os primeiros minutos de invasão e
redução na taxa total de invasão por filtração (Audibert-Hayet et. al, 2006).
Quando se trata de formações de folhelhos reativos, é muito comum o uso de sais
inorgânicos de cloreto, como o NaCl, que irá atuar saturando o fluido de perfuração, evitando
influxo de fluidos da formação por meio do efeito de osmose.
No desenvolvimento desse estudo foram inicialmente analisadas as
propriedades reológicas de três biopolímeros em meios salino e aquoso, são eles: a Goma
Xantana, a Goma Guar e o Hidroxipropilamido. Seguido a isso foi estudada a influência dos
polissacarídeos em fluidos de perfuração à base de água, observando a correlação existente
entre as propriedades físico-químicas do fluido e a estrutura química do polissacarídeo
adicionado. Além disso, foi investigada a possibilidade de mudança do sal utilizado na
salmoura de dispersão dos aditivos, que passou de NaCl para formiatos e acetatos de sódio e
13
potássio, visando a redução nos impactos ambientais causados pelo descarte dos fluidos,
principalmente em sondas on-shore.
A Goma Xantana é um biopolímero ramificado, de caráter aniônico e apresenta alta
massa molar. É obtida por meio de fermentação microbiológica em condições aeróbias, pela
bactéria Xanthomonas campestris. Devido a sua estabilidade térmica e propriedades
reológicas, é muito utilizada em fluidos de perfuração (Petri et. al, 2009). Ela pode adotar
conformação de simples, dupla ou tripla hélice (Hamed et. al, 2009). A Goma Guar pertence a
grande família das galactomananas, ocorrendo na natureza no endosperma de sementes de
leguminosas, em particular da Cyamopsis tetragonolobus, onde pode atuar como materiais de
reserva para germinação. É um polímero de elevada massa molar, que quando dissolvido em
meio aquoso apresenta a conformação de novelo aleatório. O comportamento reológico das
soluções de goma guar ainda é objeto de debate, não sendo completamente claro devido as
associações complexas das cadeias, que não se relacionam com nenhum modelo específico
(Sandolo et. al, 2007). Por sua vez, o Hidroxipropilamido é um polímero de baixa massa
molar, quando comparado com os outros dois polissacarídeos supracitados, derivado do
amido (geralmente do milho), sendo obtido por meio de uma reação de eterificação.
As zonas de perfuração que estão sob condições extremas, que são comumente
conhecidas como zonas críticas, demandam um estudo aprofundado dos fluidos de perfuração
a serem utilizados no decorrer do processo. Há vários anos os fluidos poliméricos são
amplamente estudados para aplicação na perfuração de tais zonas e emprego em poços
horizontais. (Bradshaw et. al, 2006) Isso é resultado de uma legislação que tem se tornado
cada vez mais severa quanto à utilização de fluidos de base oleosa.
O descarte desse fluido, principalmente em sondas off-shore, se dá pelo despejo do
mesmo em um campo, e uma das caracterísricas dos íons Cl- é a sua capacidade de lixiviação.
Logo, ao descartar esse fluido em uma região que esteja acima de um lençol freático, os íons
Cl- em solução podem penetrar no solo e contaminar a reserva de água, onde há uma
delimitação por parte da CONAMA (Conselho Nacional Do Meio Ambiente) na concentração
de cloretos na água. Segundo a resolução CONAMA nº357/2005, a concentração máxima de
cloreto em água doce é de até 250ppm. Visando a diminuição nos impactos causados pelo
descarte inadequado, foi estudada a possibilidade de alteração do sal utilizado na formulação
dos fluidos.
14
2. OBJETIVOS
A principal contribuição científico-tecnológica desta pesquisa é a de fornecer um
enfoque químico ao estudo das propriedades reológicas e de filtrado dos fluidos de perfuração
aquosos quanto à adição de polissacarídeos em sua composição, mostrando a correlação entre a
estrutura química do mesmo e o comportamento observado no fluido, buscando justificar a
utilização de tais compostos na composição dos fluidos. Além disso, propõe-se a substituição
do sal utilizado na formulação, onde o mais amplamente utilizado é o NaCl, por sais
orgânicos, como formiatos e acetatos de sódio e potássio ocorrendo sem prejuízo nas
propriedades do fluido.
15
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 Os polímeros utilizados
Segundo Mano (1999), polímeros são macromoléculas caracterizadas por seu
tamanho, estrutura química e interações intra- e intermoleculares. Possuem unidades químicas
ligadas por covalências, repetidas regularmente ao longo da cadeia, denominadas meros. De
acordo com Pradella (2006), os biopolímeros são materiais poliméricos classificados
estruturalmente como polissacarídeos, poliésteres ou poliamidas. A matéria-prima utilizada
em sua manufatura provém de fontes de carbono renovável, onde é comumente utilizado
carboidrato derivado de plantios comerciais de larga escala, como milho e cana-de-açúcar.
Além disso, pode ser produzido também por meio de óleos vegetais.
A literatura sobre o estudo da Goma Xantana como aditivo em fluidos de perfuração
remete à 1991, com Xie e Lacoutier. Esta goma se caracteriza por ser um exopolissacarídeo
de caráter aniônico, produzido por fermentação pela bactéria Xanthomonas Campestris a
partir de carboidratos extraídos do milho ou cana-de-açúcar. Sua estrutura química foi
primariamente descrita como sendo constituída por unidades de (1-4) β-D-glucopiranosil,
tendo uma substituição em C-3 em todo resíduo de glucose com uma cadeia lateral de
trissacarídeo carregada. A Figura 1 é uma representação da estrutura química da Goma
Xantana (Khouryieh et al., 2007; Pradella, 2006; Xie et al., 1991).
Figura 1: Representação esquemática da estrutura química da Goma Xantana
Fonte: Banerjee et. al
A Goma Guar é um polissacarídeo que apresenta a estrutura geral das galactomananas.
Consiste de uma cadeia principal com unidade de (1-4) β-D-manopiranosil substituída em O-6
com uma cadeia lateral do monossacarídeo de α-D-galactopiranose. A goma guar é obtida da
semente da planta Guar, Cyamopsis tetragonolobus, é um heteropolissacarídeo hidrofílico de
elevada massa molar e que pode formar extensivas ligações de Hidrogênio em meio aquoso,
resultando em uma solvatação alta e elevada viscosidade. Ela apresenta um vasto uso como
16
viscosificante e agente estabilizante, principalmente na indústria farmacêutica. O estudo de
suas propriedades como agente viscosificante remete aos anos 80. Em solução, o polímero
apresenta conformação de novelo aleatório com certo grau de rigidez. Sua estrutura química
pode ser vista na Figura 2, com as devidas representações de seus ângulos de rotação por Φ
(Kapoor et. al, 2013; Khouryieh et. al, 2007; Laguna et. al, 2003; Robinson et. al, 1982).
Figura 2: Representação esquemática da estrutura química da Goma Guar.
Fonte: Laguna et. al
O hidroxipropilamido é um polímero de amido, geralmente obtido pela modificação
química do amido extraído de milho. A reação de produção do polissacarídeo em questão é
uma eterificação. A literatura sobre o uso desse polímero em específico é reduzida. A
estrutura química deste polissacarídeo pode ser observada na Figura 3.
Figura 3: Representação esquemática da estrutura química do Hidroxipropilamido
6,8
Fonte: Thormann
O uso de polímeros na indústria petrolífera já é conhecido desde 1950, onde foram
estudadas as seguintes gomas: Shiraz, Ghatti e Tragacanto. Os fluidos de perfuração
poliméricos foram desenvolvidos com a expectativa de substituição dos fluidos de perfuração
à base de óleo em poços de angulação crítica. Diversos sistemas constituídos primariamente
por água e polímero vêm sendo usados em poços horizontais, onde os sistemas mais
17
comumente utilizados são: (1) fluidos de celulose polianiônica, (2) fluidos de poliacrilatos, (3)
fluidos de poliacrilamida parcialmente hidrolisada. A aplicação dos polissacarídeos como
aditivos nas fluidos de perfuração se tornou comum, já tendo um vasto acervo na literatura de
estudos do emprego de diferentes polímeros (Caenn et. al, 1995; Chillingarian et. al, 1950;
Kimball et. al, 1991; Amorim et. al, 2005; Wan et. al, 2011; Bu et. al, 2013).
3.2 Os sais utilizados
O cloreto de sódio (NaCl) foi o primeiro sal a ser utilizado, isso é devido ao seu vasto
uso na indústria petrolífera, que é justificado pela sua grande disponibilidade, baixo custo e
alta eficiência no processo, além de ser o sal mais abundante na água do mar. É um sal que
produz soluções eletrolíticas que são capazes de restringir o fluxo hidráulico para a formação
rochosa (Rabe, 2003).
Howard (1995) estudou o uso de formiatos em fluidos para a estabilização de
folhelhos, justificando que as vantagens de seu uso são, primariamente, na sua habilidade de
reduzir o fluxo hidráulico do fluido para o folhelho por meio da alta viscosidade de seus
fluidos, e também devido a sua baixa atividade sob altas concentrações, capazes de gerar altas
pressões osmóticas. O contra fluxo é capaz de restringir o fluxo de fluido existente em direção
aos folhelhos.
Quando comparado aos cloretos, os formiatos apresentam como vantagem os fatos de
possuírem uma baixa toxicidade, serem biodegradáveis, compatíveis com polímeros, com os
sais presentes nos poros, possuírem um baixo potencial de corrosão e uma alta tolerância à
contaminação por sólidos. Além disso, eles inibem o crescimento microbiano e a formação de
gás (Rabe, 2003).
A utilização dos acetatos como aditivo em formulações de fluidos de perfuração não é
comumente reportada na literatura.
3.3 Fluidos de perfuração
A maior parte da literatura existente sobre fluidos de perfuração lista entre dez e vinte
funções e características que esses fluidos devem apresentar durante o processo. Em geral, as
mais importantes são: (1) Carrear os cascalhos formados no fundo do poço e permitir sua
separação na superfície, (2) Resfriar e lubrificar a broca, (3) Reduzir a fricção entre o drillpipe
e as paredes do poço, (4) Manter a estabilidade do poço, (5) Prevenir o influxo de fluidos da
formação, (6) Formar um reboco fino e de baixa permeabilidade, (7) Não danificar a
formação e (8) Não ser ofensivo ao meio ambiente (Chilingarian et. al, 1983; Darley et. al,
1988).
18
Pesquisas são continuamente feitas para melhorar o desempenho dos fluidos de
perfuração e novos aditivos são desenvolvidos com o intuito de afetar uma ou mais
propriedades, de acordo com o que é especificado pela API (American Petroleum Institute).
Grande parte do trabalho em novos compostos envolve o desenvolvimento de polímeros
modificados, ou até mesmo novos polímeros.
As propriedades a serem analisadas nos fluidos podem ser classificadas de duas
formas diferentes, são elas: propriedades físicas e propriedades químicas. As propriedades
físicas mais comumente medidas são os parâmetros reológicos, a densidade, forças géis,
parâmetros de filtração e o teor de sólidos. Estas são medidas para qualquer tipo de fluido,
enquanto que as propriedades químicas são utilizadas para distinguir certos tipos de fluido.
Dentre as propriedades químicas analisadas, destacam-se: o pH, os teores de cloreto e
bentonita, a alcalinidade e o teor de Cálcio e Magnésio (Thomas, 2004).
3.4 Propriedades da filtração
As propriedades da filtração necessárias para a efetividade das operações dependem
diretamente do tipo de formação a ser perfurada. No caso de formações constituídas por
carbonatos densos, arenitos e folhelhos, que são estáveis e com baixa permeabilidade, são
passíveis de serem perfuradas com um controle de filtrado mínimo. Porém, no caso de
formações que são constituídas por xistos muito sensíveis à água, o controle da filtração é
extremamente necessário, pois quando estas formações entram em contato com a água, elas
desenvolvem pressões de inchamento que provocam alargamento do poço. As propriedades
de filtrado nos poços de petróleo são normalmente estimadas através do teste de filtração API.
Nesse teste, o fluido de perfuração é submetido a filtrações estáticas através de papel de filtro
por 30 minutos, e o volume do filtrado e a espessura do reboco são medidos. Em um projeto
de programa de fluido, certo valor máximo é frequentemente estabelecido para o filtrado API,
sabendo que quanto menor o filtrado, maior a garantia de que as propriedades de filtração
adequadas serão mantidas. Entretanto, apenas o controle do volume do filtrado é altamente
duvidoso, devendo-se levar em consideração outros fatores, tais como: espessura do reboco,
permeabilidade, distribuição do tamanho de partículas e composição química do filtrado
(Gray et al., 1980).
3.5 Propriedades reológicas
Segundo Machado (2002), reologia é a ciência da deformação e do fluxo da matéria. É
um ramo da física relacionada com a mecânica dos corpos deformáveis.
O controle das propriedades reológicas é necessário para a efetividade da operação de
perfuração, já que a partir do comando destas propriedades, pode-se ter diversos ganhos,
19
como: (1) Minimização dos custos de bombeamento, (2) Maximização da velocidade de
penetração da broca, (3) Maior eficiência no deslocamento dos cascalhos gerados, (4)
Diminuição nas pressões do poço e da requerida para circular o fluido, (5) Maior facilidade na
separação dos sólidos perfurados e gás aprisionado no fluido na superfície e (6) Minimização
da erosão do poço. Essas propriedades influenciam o progresso da perfuração de muitas
outras formas. O desempenho insatisfatório pode levar a sérios problemas, tais como
desmoronamento do poço, prisão de ferramenta, velocidade de perfuração reduzida,
alargamento do poço, perda de circulação e mesmo um blowout. Em campo, a viscosidade do
fluido é medida principalmente de duas formas, por meio do funil Marsh ou do viscosímetro
de indicação direta. O funil Marsh é de grande utilidade, pois permite que seja possível
reportar periodicamente a consistência do fluido. Os viscosímetros de indicação direta são
equipamentos que se utilizam de cilindros concêntricos que permitem a avaliação da tensão de
cisalhamento em função da taxa de cisalhamento. (Gray et al., 1980).
3.6 Estudos reportados na literatura
Xie e Lecoutier analisaram em 1991 o comportamento da Goma Xantana em fluidos
de perfuração aquosos para aplicação em situações onde a salinidade do meio é elevada. Para
isso, o polieletrólito foi avaliado como um componente de suspensões argila/polímero, onde o
enfoque do estudo foi na estabilização polimérica, parâmetros reológicos e estabilidade
térmica das suspensões. Como resultado se obteve que as soluções de goma xantana são
estáveis na presença de elevadas concentrações de NaCl, com o pH variando entre 6 e 10.
Entretanto, a estabilidade na presença de Cálcio depende da natureza da amostra de goma,
especialmente no grau de substituição pelo piruvato. A estabilidade das suspensões
argila/goma xantana é afetada de acordo com a natureza e concentração dos polieletrólitos.
Um mínimo de concentração de goma xantana é requerido para que a suspensão seja
estabilizada. O mecanismo proposto para isso foi uma combinação de estabilização estérica e
eletrostática. Consequentemente, a eficiência de estabilização é afetada pela dependência da
goma xantana com a salinidade e das interações das partículas de argila. A viscosidade das
suspensões diminuiu com o aumento na salinidade, até mesmo com cátions divalentes, como
o Ca+2. A dependência da viscosidade com a temperatura está associada com a transição
conformacional das moléculas de goma xantana, que oscila entre ordenada e desordenada,
que, por sua vez, depende da salinidade. Além disso, a estabilidade térmica das suspensões é
garantida, principalmente, pelas moléculas de goma xantana em dupla hélice. As suspensões
ficam intactas até 120°C, em salinidade relativamente alta.
20
Kadaster et. al, em 1992, apresentaram resultados da aplicação de fluidos aquosos à
base de PHPA (poliacrilamida parcialmente hidrolisada) na perfuração de poços em diferentes
países. Eles concluíram que, a partir de algumas mudanças de procedimentos, tais como (1)
manutenção da concentração de poliacrilamida ativa no fluido em 1.0 lb/bbl e a
complementação periódica do polímero devido a eventuais perdas (degradação térmica); (2)
controle contínuo do volume de filtrado e (3) uso seletivo da água do mar ou NaCl para
inibição do inchamento das argilas, é possível se realizar operações com resultados
excepcionais a menores custos.
Pastor et. al analisaram em 1994 os efeitos da concentração de goma xantana, pH e
salinidade nas características de fluxo de soluções do polissacarídeo, em sua
pseudoplasticidade, consistência e outros fatores. O estudo foi realizado em 48 amostras que
foram preparadas seguindo um design fatorial, tendo 8 concentrações de goma xantana (0.05-
0.40%, w/v), dois valores de pH (3.5 e 6) e três valores de concentração de salinidade
diferentes (0, 0.25 e 0.50% de NaCl, m/v). Em geral, os efeitos da salinidade e do pH
dependem da concentração do hidrocolóide. A salinidade aumentou a pseudoplasticidade da
solução, porém sem mudança significativa entre 0.25% e 0.50% m/v de NaCl. A interação
entre a concentração de hidrocolóide e a salinidade foi significativa para os parâmetros de
consistência e plasticidade da solução. As amostras com a concentração de polímero superior
a 0.25% m/v e na presença de sal foram mais viscosas e mais plásticas. A interação entre
concentração e pH foi significante apenas para os valores de índice de consistência, onde
quando a concentração de polímero era inferior a 0.35% m/v, amostras com pH de 3.5
apresentavam elevados índices de consistência.
Em 2002, Bland et. al avaliaram o desempenho de fluidos de perfuração obtidos pela
combinação de duas fases: uma fase aquosa contendo poli (propileno glicol) e uma fase não
aquosa contendo um produto capaz de melhorar a velocidade de penetração do fluido/broca,
chamado “drilling enhancer”. Eles verificaram que o fluido de duas fases obtido apresentou
equivalência técnica e econômica comparável a dos fluidos de base sintética (fluido não
aquoso). Resultado semelhante foi obtido por Hoover et. al (2009), na perfuração de poços no
Texas.
Dolz et. al realizaram em 2005 o estudo de um fluido de perfuração oleoso
emulsionado em uma base aquosa, proporcionando um baixo índice de contaminação,
objetivando estudar as características de fluxo do fluido e o comportamento tixotrópico deste.
O fluido era composto por bentonita, em concentração que variava entre 6-12% (m/m) e
21
carboximetilcelulose sódica em duas concentrações diferentes. O estudo do comportamento
de fluxo resultou em uma fórmula empírica que aponta a tensão cisalhante como função da
concentração na formulação de bentonita e carboximetilcelulose sódica, tempo de agitação e a
taxa de cisalhamento. Para o estudo da tixotropia das diferentes formulações foi utilizado o
método dos ciclos de histerese. Cálculos foram feitos das áreas de tixotropia, obtendo uma
equação semi-empírica para essas áreas. Os resultados foram analisados com base na área
tixotrópica relativa e a tixotropia relativa total. Concluiu-se que as formulações estudadas
envolvendo bentonita e carboximetilcelulose sódica sob diferentes concentrações em água
exibiram um comportamento pseudoplástico. Um parâmetro foi encontrado que permite
comparar a tixotropia relativa entre os fluidos, concluindo que as formulações com menores
concentrações de bentonita e carboximetilcelulose sódica são as mais tixotrópicas.
Amorim et al. estudaram em 2005 o impacto causado nos parâmetros reológicos e de
filtração dos fluidos de perfuração hidroargilosos como resultado da adição de aditivos
poliméricos à base de celulose à formulação dos fluidos. Os aditivos poliméricos em questão
foram três amostras de carboximetilcelulose que divergiam na capacidade viscosificante,
sendo elas a CMC BV, a CMC BV1 e a CMC AV e uma amostra de celulose polianiônica.
Depois de preparados os fluidos, o estudo reológico foi feito em um viscosímetro Fann 35A,
e o volume de filtrado foi determinado em um filtro Prensa Fann. Concluiu-se que para as
argilas bentoníticas de Boa Vista (PB), os parâmetros reológicos e de filtração são
vigorosamente influenciados pela interação bentonita/polímero, que é consequência do
tamanho da cadeia do polímero e grau de viscosidade deste. O trabalho contribuiu de forma a
otimizar formulações que podem vir a ser utilizadas em campo.
Fluidos de perfuração base água poliméricos foram utilizados com sucesso na
perfuração de poços de alta temperatura, em torno de 150°C, na Indonésia (Bradshaw, 2006).
Um estudo ao longo de dois anos foi desenvolvido para a seleção dos aditivos, onde se
priorizou o uso dos polímeros naturais, como goma xantana, escleroglucana e amido como
agentes viscosificantes e controladores de filtrado, visando maior facilidade de eliminação dos
polímeros após a completação do poço. A formulação de melhor desempenho foi constituída
de goma xantana, formiato de sódio, amido e um copolímero de vários ácidos carboxílicos,
que atuou como inibidor de incrustação.
Gholizadeh-Doonechaly et al (2009) desenvolveram fluidos base água poliméricos
pelo uso combinado de um poli (alquil diamina etoxilada) e um encapsulador polimérico
(poliacrilamida parcialmente hidrolisada) para inibição de inchamento de argilas, um agente
lubrificante/defloculante de alto desempenho e um controlador de filtrado. O sistema
22
projetado apresentou ótimas propriedades reológicas e inibição de argilas, e um desempenho
próximo ao dos fluidos base óleo. A poli (alquil diamina etoxilada) é um polímero de baixo
grau de toxicidade e de alto grau de inibição das argilas. O fluido de perfuração obtido
apresentou estabilidade térmica aumentada em torno de 90ºC, comparada aos fluidos base
água convencionais.
Na Europa, onde as leis ambientais proíbem o uso de fluidos base óleo, os poços de
alta temperatura são perfurados com fluidos base água HPHT (high pressure and high
temperature), em que os lignosulfonatos de cromo são aditivos comumente empregados para
conferir volumes de filtrado e reologia adequados aos fluidos. Entretanto, tem se tornando
urgente a substituição desse aditivo em função da presença do metal pesado cromo. E novas
formulações de fluidos base água HPHT vêm sendo buscadas. Recentemente, Tehrani et al
(2009) descreveram o desenvolvimento de um novo fluido base água HPHT constituído de
argila e polímeros sintéticos (copolímeros de acrilamida/monômero
sulfonatado/vinilpirrolidona). Alguns desses polímeros foram reticulados para se alcançar
uma rigidez ótima, e, consequentemente, um balanço adequado entre controle de filtrado e
propriedades reológicas.
O controle do volume de filtrado de um fluido é geralmente alcançado pelo aumento
da viscosidade e desenvolvimento de rebocos (filter cakes) na parede do poço, através do uso
de aditivos controladores de viscosidade e de filtrado, respectivamente. Se os agentes
viscosificantes e redutores de filtrado não forem adequadamente selecionados, ambos os
mecanismos podem levar a uma significante redução de permeabilidade da rocha. Além disso,
um aumento de viscosidade do fluido não seria desejável devido às perdas de carga no anular.
Dehghanpour et al (2009) desenvolveram um estudo de escoamento de misturas de poli
(óxido de etileno) em meio poroso, com o intuito de verificar o efeito da distribuição de massa
molar sobre a viscoelasticidade do polímero e as características do reboco formado. Eles
constataram que a filtração do polímero através do meio poroso poderia ser significativamente
reduzida pelo controle da distribuição da massa molar.
Hamed et. al em 2009 realizaram um estudo comparativo do comportamento de dois
polissacarídeos em fluidos de perfuração à base de água, sendo eles a Goma Xantana e a
Goma Escleroglucana. A escolha foi baseada no fato de que entre os polímeros hidrofílicos,
os polissacarídeos são atóxicos e bem aceitos pelos órgãos de regulamentação, pronpondo
assim um fluido de perfuração que não fosse tão danoso ao meio ambiente. O fluido proposto
era constituído de um biopolímero viscosificante, aditivo controlador de filtrado (amido),
bactericida (paraformaldeído), adensante (CaCO3), alcalinizante (NaOH), eletrólito (KCl) e
23
argila. A análise foi realizada em etapas, buscando encontrar valores de concentração ideais
de alguns dos aditivos, observando como a variação na concentração alteraria o
comportamento reológico. Inicialmente, variou-se a concentração de argila mantendo
constantes as concentrações dos outros aditivos, seguido a isso foi feito o mesmo tipo de
análise para o aditivo adensante e o eletrólito. Após a determinação das concentrações de
aditivos a serem utilizadas, foi feito um estudo reológico dos biopolímeros nos fluidos de
perfuração, usando um reômetro modular RS600 da ThermoHaake, sob temperatura de 25°C
± 1°C. O estudo concluiu que o modelo reológico de Herschel-Bulkley descreve todas as
formulações e que há um equilíbrio significativo entre a baixa toxicidade dos aditivos e sua
aplicação para reservatórios de alta permeabilidade, não causando danos. A escolha do
biopolímero tem que ser feita de forma cuidadosa, considerando as características do
reservatório e a natureza das formações geológicas. Por fim, o estudo demonstrou que a Goma
Escleroglucana apresenta capacidade como modificador reológico mais significante que a
Goma Xantana quando na presença de sal.
Por sua vez, Wan et. al, em 2011, estudaram o desenvolvimento de uma nova classe de
aditivos poliméricos para fluidos de perfuração base água. Os aditivos foram obtidos por meio
da copolimerização de acrilamida, ácido acrílico e 4-estirenossulfonato de sódio por
polimerização de microemulsão inversa. A solução de copolímero e o fluido foram
analisados. Os resultados indicaram que a adição do copolímero ao fluido de perfuração tem
um impacto positivo significativo nas propriedades reológicas dos fluidos, nas propriedades
de filtração e na morfologia do reboco formado, apresentando um ótimo corportamento
tixotrópico, alta estabilidade térmica e resistência à salinidade. Logo, o fluido pode ser
aplicado em ambientes de elevada salinidade e temperatura.
Bu et. al em 2013 sintetizaram um terpolímero por meio de uma reação de
polimerização por radicais livres, consistindo de acrilamida, ácido 2-acrilamido-2-
metilpropanosulfônico e estireno sulfonato. Fluidos de perfuração baseados no terpolímero
foram preparados e utilizados em poços de alta temperatura e alta pressão (HTHP). Foi
encontrado que as propriedades reológicas do fluido de perfuração em condições de alta
pressão e alta temperatura podem ser descritas pelo modelo de Casson. Um modelo
matemático foi proposto para prever a viscosidade do fluido de perfuração contendo o
terpolímero no interior do poço, em condições HTHP.
Como se pode observar, a literatura no campo do uso de polímeros como aditivos em
fluidos de perfuração é vasta. É possível perceber que a estes compostos são atribuídas as
24
mais diversas funções no campo, sendo assim justificada a necessidade de um estudo cada vez
mais incisivo nessa área, já que estes apresentam uma grande versatilidade.
25
4. MATERIAIS E MÉTODOS
A seleção dos polissacarídeos a serem estudados foi o primeiro passo a ser tomado, os
parâmetros considerados para essa análise foram a utilização dos polímeros em campo, sua
disponibilidade de mercado e viabilidade comercial. A Goma Xantana já é utilizada há anos
na indústria petrolífera, assim como a goma guar. O uso do amido, também, é muito comum.
Assim sendo, foi selecionado o amido modificado, o Hidroxipropilamido.
O procedimento experimental seguido no projeto foi dividido em duas etapas
principais: a análise da capacidade viscosificante dos polissacarídeos quando estão em meio
aquoso e quando estão em meio salino, e em seguida o estudo da influência dos
polissacarídeos nas propriedades reológicas e de filtrado de fluidos de perfuração à base de
água. Foram utilizadas amostras de goma xantana de massa molar média 4,2x105g/mol e de
goma guar com massa molar média de 5,9x105g/mol, valores esse obtidos em testes realizados
previamente. O Hidroxipropilamido não teve a sua massa molar média determinada.
Os polímeros foram inicialmente solubilizados em água industrial e em salmouras de
NaCl, CH3COONa, CH3COOK, HCOONa e HCOOK, por 24h, sob agitação constante em
misturadores RH basic 2 IKAMAG, para garantir completa hidratação das cadeias
poliméricas.
O comportamento reológico dos polissacarídeos foi estudado em um viscosímetro
Fann 35A, a 25ºC.
No caso das soluções em que o polímero estava solubilizado em meio salino, a
concentração de sal utilizada foi de 30.000 ppm, e os polissacarídeos foram analisados em
cinco concentrações diferentes, variando de 1 até 5 lb/bbl.
O resultado obtido no viscosímetro é referente ao ângulo de deflexão, em graus, que
pode então ser convertido em viscosidade aparente e viscosidade plástica por meio de relações
matemáticas.
4.1 Análises físico-químicas dos fluidos de perfuração
Após a determinação da concentração de polímero a ser utilizada, foi investigado o
comportamento dos polissacarídeos selecionados junto a outros aditivos em um fluido de
perfuração, cuja composição é mostrada na Tabela 1.
26
Tabela 1: Composição do fluido de perfuração a ser estudado
Aditivo Concentração
H2O 1 bbl
Polímeros 3 lb/bbl
NaOH 0,5 lb/bbl
Sal 30.000 ppm
Bactericida 0,3 lb/bbl
BaSO4 9 lb/bbl
Fonte: próprio autor
Como o Hidroxipropilamido apresentou desempenho insuficiente como modificador
reológico, quando na formulação dos fluidos de perfuração, o mesmo passou a ser analisado
não como agente viscosificante, mas sim como controlador de filtrado. Seu desempenho foi
avaliado apenas para os fluidos em que o sal em questão era o NaCl.
A ordem de adição dos aditivos ao fluido é a indicada na Tabela 1 (de cima para
baixo). A água foi o meio de dispersão dos compostos, caracterizando assim o fluido como
sendo aquoso. Os biopolímeros goma guar e goma xantana foram adicionados com o objetivo
de funcionarem como agentes viscosificantes, de acordo com os resultados obtidos
previamente. O hidroxipropilamido foi adicionado em formulações específicas com o intuito
de avaliar as suas propriedades como aditivo controlador de filtrado, como foi supracitado. O
NaOH agiu como controlador de pH (agente alcalinizante), evitando a corrosão de
componentes da perfuração e tornando o meio impróprio para a proliferação de bactérias. O
sal teve como função primária a de saturar o fluido, evitando influxo de fluidos da formação
por diferencial de concentração, motivado pela osmose, agindo também na inibição de
formações de folhelhos ativos. A triazina funcionou como bactericida, prevenindo a
proliferação de bactérias que degradariam os polímeros presentes na formulação, que fariam
com que o fluido perdesse muitas de suas propriedades, comprometendo o processo de
perfuração. A barita, ou sulfato de bário, caracterizou-se por ser um sólido inerte e é o aditivo
adensante.
Inicialmente foram preparados dez fluidos de perfuração, sendo que em cinco deles o
polímero viscosificante foi a Goma Xantana, e nos outros cinco fluidos o polímero
viscosificante foi a Goma Guar. Nos cinco fluidos de cada um dos polímeros, o sal utilizado
na formulação variou entre NaCl, CH3COONa, CH3COOK, HCOONa e HCOOK. Os fluidos
foram preparados em um misturador Hamilton Beach HMD200. Em seguida, foi realizada a
análise do comportamento reológico destas fluidos, que foi analisada pelo uso de um
27
viscosímetro Fann 35A à 25°C. O volume de filtrado foi medido em um filtro Prensa API, à
temperatura de 25°C e 100 psi de pressão.
Para a análise do comportamento do hidroxipropilamido como controlador de filtrado,
foram produzidos mais dois fluidos, um com Goma Guar e outro com Goma Xantana. A
concentração de hidroxipropilamido em questão foi igual a do outro polímero utilizado, ou
seja, 3 lb/bbl. A escolha do fluido de cloreto de sódio se deu pelo fato de este ser mais
amplamente utilizado em campo, podendo-se assim obter um resultado com aplicação mais
facilitada.
No teste reológico, o copo do viscosímetro foi preenchido com o fluido, formando um
espaço anular entre o bulbo e o rotor cilíndrico. Em seguida, o rotor foi girado a uma
velocidade conhecida, e o torque transmitido ao bulbo pelo fluido foi medido pelo
tensionamento de uma mola que, conectada a um dial, fornece valores de leitura em graus de
deflexão da mola, permitindo-se a conversão em viscosidade por meio de equações simples.
No caso do teste de filtrado API, uma célula constituinte do filtro prensa foi
preenchida com o fluido a ser estudado. Em seguida, o fluido foi filtrado através de um filtro
de papel especialmente endurecido (Whatman N° 50) à pressão de 100psi por 30 minutos, e o
volume de filtrado anotado. A área padrão do papel filtro foi de 7,1±0.1 pol2 (45 cm2).
28
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O potencial dos polímeros na atuação como modificadores reológicos foi inicialmente
avaliado em soluções que continham unicamente o polímero e água industrial, como forma de
simular a aplicação em campo, onde a água utilizada na formulação é comum, não passando
por processo de destilação. A variação da viscosidade com a mudança na concentração dos
polímeros pode ser observada na Figura 4.
Figura 4: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em água industrial, a
1022s-1 e 25°C
(Fonte: próprio autor)
A viscosidade aparente das soluções foi calculada a partir de formulações já pré-
definidas. O valor de L600 é alusivo ao tensionamento gerado pelo fluido à mola conectada
ao dial no viscosímetro para uma taxa de cisalhamento de 1022s-1.
Dos três polímeros analisados em água industrial, as gomas Xantana e Guar foram,
claramente, os que apresentaram melhor capacidade viscosificante. Esse resultado pode ser
justificado pela estrutura química dessas macromoléculas. A viscosidade da solução de um
polímero é função do tamanho, forma e conformação de suas moléculas no meio. A goma
xantana é um polímero de alta massa molar que apresenta cadeias laterais de trissacarídeos
que possuem cargas negativas. Todas essas características contribuem bastante para a
expansão da macromolécula e o seu grande volume hidrodinâmico no meio. Já a goma guar é
também um polímero de alta massa molar, porém contendo apenas substituintes
monossacarídicos (galactose) ligados à cadeia principal e não apresenta cargas em seu
esqueleto polimérico, com isso, apresenta um volume hidrodinâmico menor que a goma
xantana, resultando em viscosidade também menor. Por sua vez, o hidroxipropilamido é um
polímero obtido a partir da modificação química de uma mistura de polímeros (amilose e
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Concentração (lb/bbl)
Goma Xantana
Goma Guar
Hidroxipropilamido
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amilopectina). A amilose é um polímero de glicose linear, enquanto a amilopectina é
altamente ramificada. Um polissacarídeo altamente ramificado apresenta um volume
hidrodinâmico bem menor que um de cadeia linear de mesma massa molar, resultando em
menor viscosidade. O aumento de viscosidade da solução com a concentração de polímero é
devido tanto ao aumento das interações intermoleculares, quanto à formação de
entrelaçamentos (Lopes, 1989).
A Figura 5 mostra a variação da viscosidade das soluções aquosas com a concentração
dos polissacarídeos estudados na presença de NaCl em uma concentração de 30.000 ppm.
Figura 5: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de NaCl
30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C
(Fonte: próprio autor)
Comparando-se as Figuras 4 e 5, observa-se que o perfil de comportamento reológico
foi mantido. Entretanto, a solução de goma xantana sofreu uma redução bastante significativa
de viscosidade, comparada à goma guar. Em água industrial (Figura 4), as cadeias de goma
xantana encontravam-se estendidas em razão da repulsão eletrostática entre os sítios
aniônicos, adquirindo assim uma conformação desordenada de grande volume (Lopes, 1989).
Na presença de elevada concentração de sal (Figura 5), os grupos aniônicos da goma xantana
são blindados pelos íons Na+, o que propicia a redução da repulsão eletrostática seguida de
transição conformacional da cadeia polimérica de novelo para hélice, diminuindo o seu
volume hidrodinâmico e a viscosidade.
Além da salmoura de cloreto de sódio, foi analisado também o comportamento dos
polímeros como modificadores reológicos em outras quatro salmouras: (1) formiato de sódio;
(2) formiato de potássio; (3) acetato de sódio; (4) acetato de potássio.
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Concentração (lb/bbl)
Goma Xantana
Goma Guar
Hidroxipropilamido
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As Figuras 6 e 7 mostram a variação da viscosidade das soluções aquosas com a
concentração dos polissacarídeos estudados na presença de HCOONa, HCOOK, CH3COONa
e CH3COOK em uma concentração de 30.000 ppm.
Figura 6: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de HCOONa e
HCOOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C.
(Fonte: próprio autor).
Figura 7: Variação da viscosidade com a concentração de polímero em salmoura de CH3COONa e
CH3COOK 30.000 ppm, a 1022s-1 e 25°C.
(Fonte: próprio autor).
Como pode ser visto a partir dos resultados apresentados nas Figuras 6 e 7, a mudança
da salmoura de NaCl para as salmouras HCOONa, HCOOK, CH3COONa e CH3COOK não
modifica significativamente a viscosidade do meio. Como a concentração salina utilizada é
excessiva e todos os sais utilizados apresentam elevada solubilidade em meio aquoso, o
comportamento do polímero como agente viscosificante não irá sofrer mudanças. A goma
xantana continua a ter seus sítios aniônicos blindados pela presença dos cátions no meio, e a
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Formiato de Sódio
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Formiato de Sódio
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Formiato de Potássio
Goma Guar em
Formiato de Potássio
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Concentração (lb/bbl)
Goma Xantana em
Acetato de Sódio
Goma Guar em
Acetato de Sódio
Goma Xantana em
Acetato de Potássio
Goma Guar em
Acetato de Potássio
31
goma guar permanece não sofrendo alterações significativas em sua reologia. A leve
diminuição da viscosidade da goma guar quando comparada as soluções de salmoura e água
industrial pode ser atrelada ao fato de a quantidade de água livre para hidratação das cadeias
poliméricas ser menor quando há presença de sal no meio. Assim, quando não há sal, a água
interage unicamente com as cadeias poliméricas, hidratando-as.
As Figuras 8 e 9 mostram as curvas de viscosidade correspondentes aos fluidos de
perfuração quando o sal utilizado na formulação foi o NaCl, conforme composição
apresentada na Tabela 1. No entanto, em duas amostras de fluidos, a Goma Guar e a Goma
Xantana foram associadas com o Hidroxipropilamido (HPA).
Figura 8: Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana,
goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de NaCl, a 25°C
(Fonte: próprio autor).
O comportamento dos fluidos contendo goma xantana apresentou disparidade
considerável quando estavam sob baixas taxas de cisalhamento, onde os fluidos contendo
Goma Xantana apresentaram valores mais elevados de viscosidade plástica. Apesar do HPA,
quando sozinho em solução aquosa, não contribuir para o aumento de viscosidade, ele foi
capaz de causar um pequeno aumento na viscosidade dos fluidos de goma guar e goma
xantana. O efeito foi ainda mais acentuado quando o polímero modificador reológico foi a
goma guar, onde foi possível observar um aumento na viscosidade em toda a faixa de taxa de
cisalhamento estudada. No caso da goma xantana foi possível observar mudanças na
viscosidade quando o fluido encontrava-se em elevadas taxas de cisalhamento, onde a
presença do Hidroxipropilamido influenciou positivamente na viscosidade. Esse acréscimo na
viscosidade foi visto, possivelmente, por ter ocorrido interações específicas entre os diferentes
polímeros.
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NaCl / HPA
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A Figura 9 mostra as curvas de viscosidade correspondentes aos fluidos de perfuração
quando o sal utilizado na formulação foi o NaCl, com foco no intervalo de taxas de
cisalhamento correspondente a 100<�̇�1000 s-1, podendo-se assim observar com clareza as
diferenças no comportamento reológico dos fluidos num intervalo menor de taxas de
cisalhamento.
Figura 9: Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana,
goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmoura de NaCl, a 25°C, na faixa de taxa
de cisalhamento 100<�̇�1000 s-1
(Fonte: próprio autor).
A viscosidade dos fluidos contendo Goma Guar superou a dos fluidos contendo Goma
Xantana apenas em taxas de cisalhamento bastante elevadas, que seriam correspondentes a
um regime de fluxo turbulento. Uma das possíveis justificativas para esse comportamento está
no fato de que a goma xantana apresenta conformação em hélices duplas em meio salino e
essas hélices tendem a se agregar, contribuindo para o aumento da viscosidade. Com o
aumento da taxa de cisalhamento, esses agregados seriam desfeitos, reduzindo a viscosidade
(Lopes, 1989).
Como dito anteriormente, procurou-se também estudar os efeitos da substituição do sal
constituinte da salmoura a ser utilizada nos fluidos de perfuração, procurando oferecer um
enfoque puramente químico à análise. As Figuras 10 e 11 mostram as curvas de viscosidade
correspondentes aos fluidos de perfuração quando os sais utilizados na formulação foram o
HCOONa, HCOOK, CH3COONa e CH3COOK, conforme suas composições apresentadas na
Tabela 1.
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Taxa de cisalhamento (1/s)
Goma Guar/ NaCl
Goma Xantana/ NaCl
Goma Guar/ NaCl/
HPA
Goma Xantana/
NaCl/ HPA
33
Figura 10: Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana,
goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmouras de HCOONa e HCOOK, a 25°C.
(Fonte: próprio autor).
Figura 11: Curvas de viscosidade dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana,
goma guar e Hidroxipropilamido na presença de salmouras de CH3COONa e CH3COOK, a
25°C.
(Fonte: próprio autor).
Como pode ser visto, o comportamento reológico do fluido não sofreu alterações com
a mudança na salmoura, os fluidos contendo goma xantana continuam a apresentar
viscosidade expressivamente mais elevada que os de goma guar quando a taxa de
cisalhamento é baixa.
Este resultado atesta que há a possibilidade de alteração do sal utilizado sem perdas na
viscosidade do fluido, o que pode levar a um ganho ambiental significativo, principalmente
quando se trata de sondas on-shore, onde o descarte de fluidos ocorre, muitas vezes, de forma
1
10
100
1000
10000
1 10 100 1000 10000
Vis
cosi
da
de
Plá
stic
a (
cP)
Taxa de cisalhamento (1/s)
Goma Xantana /
Formiato de Sódio
Goma Guar /
Formiato de Sódio
Goma Xantana /
Formiato de Potássio
Goma Guar /
Formiato de Potássio
1
10
100
1000
10000
1 10 100 1000 10000
Vis
cosi
da
de
Plá
stic
a (
cP)
Taxa de Cisalhamento (1/s)
Goma Xantana /
Acetato de Sódio
Goma Guar / Acetato
de Sódio
Goma Xantana /
Acetato de Potássio
Goma Guar / Acetato
de Potássio
34
indiscriminada em terrenos. A salmoura contendo íons Cl- lixivia o solo, atingindo aquíferos e
contaminando reservas.
A Tabela 2 apresenta os volumes de filtrado obtidos para os fluidos de perfuração
contendo goma xantana e goma guar na presença de todas as salmouras supracitadas.
Tabela 2: Volume de filtrado dos fluidos de perfuração aquosos contendo goma xantana e goma guar,
a 25°C e 100 psi.
Polímero Sal utilizado na formulação Volume de Filtrado (mL)
Goma Xantana NaCl 10,6
HCOONa 12
HCOOK 12,5
CH3COONa 12
CH3COOK 12,3
NaCl - HPA 7,6
Goma Guar NaCl 9,3
HCOONa 8,0
HCOOK 8,9
CH3COONa 7,6
CH3COOK 7,9
NaCl - HPA 6,7
(fonte: próprio autor)
Percebe-se que a goma guar contribui claramente de forma mais significativa para a
redução do volume de filtrado que a goma xantana, onde todos os fuidos contendo goma guar
apresentaram um volume de filtrado inferior ao seu correspondente quando o polímero era a
goma xantana. Além disso, o HPA atuou como um bom redutor de filtrado para os fluidos de
ambos os polímeros. Apesar do hidroxipropilamido não apresentar propriedades significativas
como um eficiente modificador reológico, ele é capaz de contribuir para a formação de um
reboco de menor permeabilidade, como evidenciado pela redução do volume de filtrado,
podendo assim funcionar como um agente controlador de filtrado. Foi percebido também que
quando comparados os fluidos contendo acetatos e formiatos, os fluidos com acetato
apresentaram um melhor desempenho no controle de filtrado.
A mudança do sal constituinte da salmoura não comprometeu a performance do fluido
em suas propriedades reológicas e de filtração, o que corrobora a ideia antes proposta da
substituição da salmoura.
35
6. CONCLUSÕES
Os três polímeros avaliados como aditivos em fluidos de perfuração se mostraram
eficientes em propriedades diferentes. A Goma Xantana e Goma Guar apresentaram boas
propriedades como modificadores reológicos, tendo a goma guar apresentado melhor
desempenho que a goma xantana em meio salino, quando avaliado apenas o desempenho do
polímero em solução. Porém, quando avaliada a performance dos polímeros nos fluidos, a
goma xantana apresentou uma melhor capacidade viscosificante, principalmente sob baixas
taxas de cisalhamento, uma das justificativas para isso é a influência das agregações das
hélices duplas da goma xantana em meio salino.
O Hidroxipropilamido não foi capaz de contribuir significativamente para o aumento
de viscosidade das soluções aquosas, entretanto, apresentou bom desempenho como redutor
de filtrado.
Os resultados mostram que a utilização de polímeros auxiliam os fluidos de forma
expressiva, onde mesmo sob baixas concentrações acabam por conceder propriedades
consideráveis, podendo atuar como um ótimo modificador reológico, dependendo do tamanho
e forma de sua cadeia e da presença ou não de cargas na mesma. Além disso, não é apenas
como modificador reológico que os polissacarídeos podem atuar, como foi possível ser
observado no caso do hidroxipropilamido, onde por meio da formação de um reboco de baixa
permeabilidade dificulta o processo de filtração, viabilizando a perfuração de poços.
A substituição da salmoura de NaCl por HCOONa, HCOOK, CH3COONa e
CH3COOK foi possível sem prejuízos significativos aos parâmetros reológicos e de filtração,
mostrando que é uma possibilidade viável. Esta alteração pode conceder um benefício
ambiental significativo, já que os sais propostos são biodegradáveis, não contaminando
reservas de água.
36
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