X Congresso Brasileiro de Engenharia Química Iniciação ...pdf. ?· 1Aluno do DEQ/UFRRJ 2 Mestrando…

Embed Size (px)

Text of X Congresso Brasileiro de Engenharia Química Iniciação ...pdf. ?· 1Aluno do DEQ/UFRRJ 2...

  • Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Universidade Severino Sombra

    Vassouras RJ Brasil

    X Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica Iniciao Cientfica

    Influncia da pesquisa em Engenharia Qumica no desenvolvimento tecnolgico e industrial brasileiro

    *Bolsista UFRRJ.

    AVALIAO DA PERDA DE CARGA E DA VARIAO DA DENSIDADE EM PASTA

    DE CIMENTO DE ALTA COMPACIDADE.

    PEREIRA*1, C. E. G.; CABRAL

    1, E. A.; SANTOS

    2, D. S.; PARAISO

    3, E. C. H.;

    SCHEID4, C. M. e CALADA

    4, L. A.

    1Aluno do DEQ/UFRRJ

    2 Mestrando do DEQ/UFRRJ

    3 Pesquisador do LEF/DEQ/UFRRJ

    4 Professor do DEQ/UFRRJ

    Departamento de Engenharia Qumica - Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

    Endereo UFRRJ, BR 465, km 07, Seropdica, CEP. 23.890-000, RJ,

    email: scheid@ufrrj.br

    RESUMO - A perfurao de poos exploratrios de petrleo ocorre em diversos

    cenrios e em diferentes formaes rochosas. Durante o processo de perfurao, a etapa

    de cimentao essencial, pois proporciona estabilidade ao poo, cria uma zona de

    isolamento, garantindo sua integridade. Na cimentao de poos com formaes

    rochosas frgeis, utiliza-se pasta de cimento com baixa densidade. Neste trabalho,

    analisamos uma pasta de alta compacidade e densidade reduzida por meio da adio de

    microesferas cermicas ocas. Foram realizados experimentos para avaliar a quebra

    dessas microesferas atravs do acompanhamento da densidade da pasta, em diferentes

    taxas de cisalhamento. Alm disso, avaliamos correlaes que viabilizam a previso da

    perda de carga durante o escoamento da pasta em uma unidade experimental. A

    importncia de ambos os testes se deve necessidade do controle da presso durante o

    bombeio da pasta no poo. Para a previso da perda de carga foram avaliadas

    correlaes de fator de atrito e modelos reolgicos. Os resultados dos testes mostraram

    uma variao significativa na densidade, proveniente da quebra das microesferas,

    havendo uma relao desta com a energia de mistura. No escoamento da pasta na

    unidade, chegou-se a um conjunto de correlaes que adequadamente previram a perda

    de carga.

    Palavras chave: cimentao, microesfera oca de cermica, energia de mistura.

    INTRODUO

    Com o intuito de atender a demanda por

    hidrocarbonetos, novos poos de petrleo em

    diferentes cenrios vm sendo estudados e

    explorados. Para que essa explorao se torne

    vivel e alcance seu total potencial de

    produo, a etapa de cimentao, que uma

    operao crtica e fundamental para uma longa

    vida do poo, deve ser feita adequadamente.

    As principais metas da cimentao so:

    propiciar a integridade do poo atravs da

    zona de isolamento evitando, assim, a

    migrao de fluidos no anular; manter a

    estabilidade mecnica do poo; suportar os

    tubos de revestimento, dando sustentao a

    Blucher Chemical Engineering ProceedingsDezembro de 2014, Volume 1, Nmero 1

  • coluna e proteg-lo da corroso por fluidos

    (Miranda, 2008).

    A escolha da pasta a ser utilizada na

    cimentao depende das caractersticas do

    poo. Fatores limitantes na determinao da

    massa especfica e de outras propriedades

    fsico-qumicas das pastas de cimento a serem

    utilizadas so as presses de fratura e de poros

    do poo.

    A presso hidrosttica na formao deve

    ser menor que a presso de fratura, para evitar

    a entrada da pasta para o interior da formao;

    e em geral, maior que a presso de poros para

    impedir a invaso de fluidos da formao para

    o poo. Em condies onde a zona de

    formao fraca, esgotada ou inconsolidada,

    possuindo baixa presso de fratura, ou em

    situaes onde se utilizado uma extensa

    coluna de cimento faz-se necessrio o uso de

    uma pasta leve, de baixa massa especfica

    (Miranda, 2008).

    Neste trabalho foi utilizada uma

    formulao para pasta de cimento leve,

    contendo microesfera cermica oca. As

    principais motivaes foram avaliar as

    mudanas de densidade e reologia da pasta

    oriundas da quebra dessas microesferas

    durante a mistura da pasta. O intuito dessa

    avaliao fomentar as possveis diferenas

    obtidas no preparo da pasta no laboratrio e no

    campo atentando a possveis mudanas na

    determinao da presso de bombeio.

    REVISO BIBLIOGRFICA

    Modelos Reolgicos

    A escolha dos modelos avaliados se

    baseia na referncia de Nelson (1990) que

    afirma que os modelos de Bingham (Equao

    1) e potncia (Equao 2) so os mais usuais

    na cimentao. Alm desses, avaliamos o

    modelo de Herschel-Buckley (Equao 3), que

    possui caractersticas dos dois modelos

    anteriores.

    BB LEVP (1)

    nk (2)

    HB

    n

    HB LEkHB (3)

    Determinao do Fator de Atrito

    O fator de atrito experimental de

    Fanning (Equao 4) obtido por meio da

    equao de perda de carga distribuda na

    equao modificada de Bernoulli,

    considerando um trecho reto e sem acidentes.

    2

    2 vL

    PDf

    (4)

    Nos fluidos no newtonianos, a

    viscosidade varia com a taxa de deformao.

    Com isso, no regime laminar, cada modelo

    reolgico possui uma equao desenvolvida

    para o fator de atrito, como mostra a Tabela 1.

    Tabela 1 Correlaes utilizadas na

    avaliao do fator de atrito no regime

    laminar. Modelos Equaes

    Herschel-

    Buckley

    Potncia

    Bingham

    P

    fRe

    16 nnP

    n

    n

    D

    vk

    Dv

    4

    138Re

    1

    73

    4

    Re3Re61

    Re

    16

    B

    B

    B

    B

    B f

    HeHef

    B

    BVP

    DvRe

    2

    2

    B

    BB

    VP

    LEDHe

    HBn

    HBHB

    HB AHe

    f ][Re

    16

    Re

    22

    ),,(f][ HBwHB nLEA

    2Re2

    HB

    HB

    w

    HB

    f

    HeLE

    HB

    HBHB

    n

    HBHBHB

    nn

    HBnnk

    vD

    /132

    8Re

    2

    (6)

    (7)

    (8) (9)

    (11)

    (12)(10)

    (13)

    (5)

    2

    2

    v

    LEReHe HBHBHB

    (14)

    As correlaes para o clculo do fator de

    atrito no regime turbulento, e seus respectivos

    autores, so apresentadas na Tabela 2. Estas

    correlaes esto presentes em Paraiso (2011).

    Tabela 2 Correlaes utilizadas na

    avaliao do fator de atrito no regime

    turbulento. Autores

    Gomes (1987)

    Equaes

    Tomita (1959)

    Churchill

    (1977)

    Darby et al .

    (1992)

    Darby e

    Melson (1981)

    Ellis e George

    (1977)

    4f 2,0

    2Relog2

    1

    12

    1

    23

    121

    Re

    82

    BAf

    161

    9,0

    27,0Re

    7ln457,2

    DA

    161Re37530 B

    70,0Re645,000454,0 f

    193,0Re

    10a

    Tf )109,2exp(146,01378,15 Hea

    193,0Re

    10a

    Tf )109,2exp(146,0147,15 Hea

    223,0462,0 Re060,0 nf

    235,0666,0 Re069,0 nf

    287,0616,0 Re110,0 nf

    DMGomes

    OWGomes

    FSGomes

    (16)(15)

    (17)

    (18) (19)

    (20)

    (22)(21)

    (24)(23)

    (25)

    (26)

    (27)

  • Energia de Mistura

    Miranda (2008) apresenta a equao de

    energia de mistura (Equao 28).

    (28)

    Nesse caso, o volume de pasta utilizado foi de

    0,6 L.

    MATERIAIS E MTODOS

    Formulao da Pasta de Cimento

    Materiais slidos: Os materiais slidos

    consistem de cimento classe G fornecido pela

    empresa Holcim, microesfera oca de cermica

    fornecida pela empresa R&D International e

    slica ativa fornecida pela empresa Dow

    Corning Silcio do Brasil.

    Materiais lquidos: Os materiais lquidos

    consistem de gua doce e aditivos como:

    antiespumante (D175), dispersante (D080) e

    retardador de pega (D801), fornecidos pela

    empresa Schlumberger.

    Experimento de Bancada

    Primeiramente foi feita a pesagem dos

    materiais slidos e, em seguida, a

    homogeneizao dos mesmos. No copo do

    misturador (Figura 1a) foi feita a adio e

    pesagem dos materiais lquidos. No incio da

    agitao, toda a mistura slida foi adicionada

    aos poucos em um perodo de 60 segundos.

    Aps esse tempo de adio dos slidos,

    iniciou-se a contagem do tempo de mistura

    analisado. Foram feitas anlises nos tempos de

    420, 540, 900 e 1200 segundos, nas rotaes

    de 4000, 5000 e 6000 RPM. Em cada conjunto

    tempo-rotao foi feito um ensaio reolgico no

    viscosmetro FANN 35A (Figura 1b). Alm

    disso, a densidade foi medida atravs da

    balana de lama (Figura 1c) e a temperatura

    tambm foi anotada.

    Figura 1 (a) Misturador Waring Blendor,

    Chandler; (b) Viscosmetro Fann-VG

    Meter, Modelo 35A; (c) Balana de Lama,

    Fann.

    Experimento na Unidade Piloto

    Assim como no experimento de bancada,

    os materiais slidos so misturados

    previamente, nesse caso, em um misturador Y.

    O material lquido e a mistura slida so

    homogeneizados no tanque e a circulao da

    pasta por toda a unidade experimental (Figura

    2) iniciada. Aps estabilizao da densidade,

    a coleta de dados de vazo e diferena de

    presso feita em diferentes rotaes da

    bomba. Os experimentos so feitos nas

    temperaturas de 15, 25 e 60C. Amostras da

    pasta, em rotaes pr-determinadas, so

    retiradas p