Fluido de perfuração

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

FLUIDOS DE PERFURAÇÃO PROFESSOR: ALCIDES WANDERLEY

Fluidos de Perfuração Definição Flui Fluido doss de perf perfur uraç ação ão são são mist mistur uras as com complex plexas as de sólidos, líquidos, e algumas vezes, gases. Do ponto de vista químico, os fluidos podem assumir aspectos de suspensão, dispersão coloidal ou emulsão, dependendo do estado físico dos componentes. Eles deve devem m ser ser espe especi cififica cado doss de form forma a a gara garant ntir ir uma uma perfuração rápida e segura.

Fluidos de Perfuração Definição Flui Fluido doss de perf perfur uraç ação ão são são mist mistur uras as com complex plexas as de sólidos, líquidos, e algumas vezes, gases. Do ponto de vista químico, os fluidos podem assumir aspectos de suspensão, dispersão coloidal ou emulsão, dependendo do estado físico dos componentes. Eles deve devem m ser ser espe especi cififica cado doss de form forma a a gara garant ntir ir uma uma perfuração rápida e segura.

Fluido armazenado no tanque

Fluidos de Perfuração Características Desejáveis 

ser estável quimicamente;



ser facilmente separado dos cascalhos na superfície;



não causar danos às formações produtoras;



aceitar qualquer tratamento, físico e químico;



ser bombeável;



ter baixo grau de corrosão e abrasão;



facilitar interpretações geológicas: – cascalhos – perfilagem



ter baixo custo.

Funções do Fluido de Perfuração 

Controlar pressões de subsuperfície;



Remover os cascalhos para a superfície;



Limpar, resfriar e lubrificar a coluna de perfuração e a broca;



Evitar desmoronamento das paredes do poço;



Manter os cascalhos em suspensão quando não houver circulação;



Transmitir potência hidráulica a broca;



Reduzir os esforços na torre pelo efeito da flutuação.

Trajetória do Fluido de Perfuração SUPERFÍCIE FUNDO DO POÇO SUPERFÍCIE

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold

Shale Shaker Header Tank

Active Pit System Sand Trap

Various Casing Points

Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Top Drive

Stand Pipe

Rig Floor

Blow out Preventors

X

Stand Pipe Manifold




Mud Pumps

X

X

Drill Pipe

Reserve Pit System

Annulus Open Hole

Sistema de Circulação do Fluido de Perfuração

BOMBAS DE LAMA

TANQUES DE LAMA

Fluidos de Perfuração Propriedades Físicas e Químicas  As

propriedades físicas são mais genéricas e são medidas em qualquer tipo de fluido;  As

propriedades químicas são mais específicas e são determinadas para distinguir certos tipos de fluidos; Propriedades físicas mais freqüentemente medidas: densidade, parâmetros reológicos, forças géis, parâmetros de filtração, teor de sólidos, coeficiente de lubricidade, resistividade e estabilidade elétrica; 

Propriedades químicas mais freqüentemente medidas: pH, teores de cloreto e de bentonita, alcalinidade, excesso de cal, teor de cálcio e de magnésio, concentração de H2S, concentração de potássio. 

Propriedades do Fluido de

Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS Massa Específica (Conhecida no campo como “ PESO ESPECÍFICO”)









M V

M – Massa da Amostra V – Volume da Amostra

Equivalência entre as Unidades:

1g/cm³ = 1kg/ l = 8,34 lb/ gal = 62,4 lb/ pe³ 

Viscosidade A resistência interna que o fluido oferece ao fluxo. Maior viscosidade maior pressão de bombeamento.

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS  Densidade:

– Seu valor é definido em função da pressão de poros

(pressão do fluido que se encontra nos poros da rocha), e pela pressão de fratura das formações expostas. Para aumentar a densidade adiciona-se normalmente baritina, BaSO4, que tem densidade de 4,25, enquanto a densidade dos sólidos perfurados é em média de 2,6. – Para reduzir a densidade dos fluidos à base água,

dilui-se com água (densidade 1).

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS 

Balança para medição da densidade:

– Mede o peso aparente, pois não elimina totalmente o ar

incorporado ao fluido. – Calibração é feita com água (8,33 lb/gal).


Parâmetros Reológicos:

– Define o comportamento do escoamento de um fluido. – Estes parâmetros influem diretamente no cálculo das perdas de

cargas dentro da tubulação e no anular, e no cálculo da velocidade de carreamento de cascalhos. Os parâmetros normalmente calculados são: viscosidade aparente, viscosidade plástica, limite de escoamento.


Viscosímetro Marsh:

– Serve somente como indicativo da viscosidade do fluido e

não pode ser usado para cálculo da perda de carga. – Mede o tempo (em seg) de escoamento de 946 ml do fluido. – Calibração: água -> t=26 seg a 70 °F

Modelos Reológicos Modelo Newtoniano viscosidade aparente ( μ)

Modelo Binghamiano viscosidade plástica (VP) limite de escoamento (LE)

Modelo Potência índice de comportamento (n’) índice de consistência (k’)

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS



Viscosímetro Fann


Forças Géis:

– Alguns fluidos são tixotrópicos, ou seja, adquirem um estado

semi-rígido quando estão em repouso e voltam a adquirir um estado de fluidez quando estão em movimento. A força gel é um parâmetro também de natureza reológica que indica o grau de gelificação devido à interação elétrica entre as partículas dispersas. – A força gel inicial mede a resistência inicial para colocar o

fluido em fluxo. – A força gel final mede a resistência do fluido para reiniciar o

fluxo após um certo tempo em repouso. A diferença entre eles indica o grau de tixotropia do fluido.


Parâmetros de filtração:

A capacidade do fluido de perfuração em formar um reboco (camada de partículas sólidas e úmidas) sobre as rochas permeáveis é fundamental na execução de um poço.

–

Para formar este reboco, é necessário um influxo da fase líquida do fluido do poço para a formação. Este processo é a filtração. É essencial que o fluido tenha um percentual de partículas sólidas com dimensões adequadas para obstruir os poros rapidamente, fazendo que somente a fase líquida do fluido, o filtrado, invada a rocha. O filtrado e a espessura do reboco são dois parâmetros medidos rotineiramente para definir o comportamento do fluido quanto à filtração.

–


Filtro Prensa:

– Medição de filtrado e reboco

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS



Filtro Prensa HTHP


Teor de sólidos:

– Este valor deve ser mantido o mínimo possível, pois o seu

aumento implica em aumento de várias outras propriedades, tais como densidade, viscosidade e forças géis, além de aumentar a probabilidade de ocorrência de problemas como desgaste dos equipamentos, fratura das formações, prisão da coluna e redução da taxa de penetração. O tratamento do fluido para redução do teor de sólidos pode ser preventivo ou corretivo. O primeiro consiste em inibir o fluido, física ou quimicamente, evitando a dispersão dos sólidos perfurados. O segundo faz uso dos equipamentos de extração de sólidos, tais como tanques de decantação, peneiras, hidrociclones e centrífugas, ou através da diluição do fluido.

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES FÍSICAS SISTEMA DE EXTRAÇÃO DE SÓLIIDOS PENEIRAS DE LAMA

DESGASEIFICADOR

DESAREADOR

MUD CLEANER DESSILTADOR

CENTRÍFUGA


Retorta:

– Sistema de aquecimento e condensação – Resultados: % óleo, % água e % sólidos (em volume)


Teor de areia:

– Peneira de 200 mesh – Resultados: % areia (em volume)


Estabilidade Elétrica:

– Avaliar a estabilidade da emulsão e a reserva de agente

emulsificante.

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES QUÍMICAS 

Concentração hidrogeniônica - pH:

É medido através de papeis indicadores ou de potenciômetros, e é geralmente mantido no intervalo alcalino baixo, entre 7 e 10. O objetivo principal é reduzir a taxa de corrosão dos equipamentos e evitar a dispersão das formações argilosas.

–

pH

0

7 Ácido

Neutro

14 Alcalino


Medidores de pH

Papel

Potenciômetro


Alcalinidades:

- – O pH determina apenas a alcalinidade ou acidez relativa à concentração de H+, empregando métodos comparativos. A determinação das alcalinidades por métodos diretos de titulação volumétrica de neutralização considera as espécies carbonatos CO3 e bicarbonatos HCO3 dissolvidos no fluido, além dos íons hidroxilas OH- dissolvidos e não dissolvidos. – Nos testes de rotina são registrados os seguintes tipos de

alcalinidades: alcalinidade parcial do filtrado, alcalinidade da lama e alcalinidade total do filtrado.

Tipos de Alcalinidades nos Fluidos Pf – alcalinidade parcial do filtrado (pH de viragem 8,3, com fenolftaleina)

Pm – alcalinidade parcial do fluido (pH de viragem 8,3, com fenolftaleina) Mf – alcalinidade total do filtrado (pH de viragem 4,3, com metilorange)

Propriedades do Fluido de Perfuração PROPRIEDADES QUÍMICAS



Teor de cloretos ou salinidade:

– O teste de salinidade é também uma análise volumétrica de

precipitação feita por titulação dos íons cloretos. É expressa em mg/l de cloretos, mg/l de NaCl ou ppm de NaCl equivalente. O resultado do teste de salinidade é usado para identificar o teor salino da água de preparo do fluido, controlar a salinidade de fluidos inibidos com sal, identificar influxo de água salgada e identificar a perfuração de uma rocha ou domo salino.


Método:

– Volumetria de precipitação ( AgCl), com nitrato de prata,

em presença

de cromato de potássio. – Condutivímetro ou salinômetro Cl-, mg/l = 1000 x (Vol. de AgNO3 N/35,5, em cm3) NaCl, mg/l = 1,65 (1000) (Vol. de AgNO3 N/35,5, em cm3) mg/l de NaCl  p.p.m de NaCl Obs.: Para conc. de NaCl < 40.000 mg/l Salinidade, ppm =

Sal., em mg/l densidade da solução


Concentração de sais no fluido

– os sais são incorporados ao fluido como aditivos ou contaminantes.

O aumento da salinidade – floculação maior viscosidade, maior força gel. Conceito e cálculos de pressão Definição: pressão é a força (F) aplicada por unidade de área (A)

P



F A

Unidades: kgf / cm², lbf /pol² (psi)

1Kg / cm² = 14,22psi


Dureza [Ca++ + Mg++] Conceito: Concentração total de Cálcio e Magnésio Aplicação: – Controle de rendimento de aditivos (polímeros, surfactantes, etc.) – Identificação de contaminantes (cimento, gesso, etc.) Método: Volumetria de completação com EDTA

Ação da dureza sobre aditivos de fluidos de perfuração

CMC-Na

+

Carboximetilcelulose de sódio

2RCOO-Na+ + Sabão de sódio

Ca++, Mg++

Ca++, Mg++

CMC-(Ca++,Mg++)

Dureza da água

pptº de carboximetilcelulose de cálcio e/ou magnésio

(RCOO)-2Ca++,Mg++ pptº sabão de cálcio e magnésio

+ Na+

+ Na+




Teor de bentonita ou de sólidos ativos:

– O teste do azul de metileno ou MBT é uma análise

volumétrica por adsorção, que serve como indicador da quantidade de sólidos ativos ou bentoníticos no fluido de perfuração. Ele mede a capacidade de troca de cátion das argilas e sólidos ativos presentes.

Classificação dos Fluido de Perfuração Baseia-se no constituinte principal da fase contínua ou dispersante: 

– à base água, – à base sintética, – à base de ar ou de gás.

– A natureza das fases dispersante e dispersa, bem como os

componentes básicos e a suas quantidades definem não apenas o tipo de fluido, mas também as suas características e propriedades.

Fluidos de Perfuração À BASE ÁGUA A definição de um fluido à base água considera principalmente a natureza da água e os aditivos químicos empregados no preparo do fluido. A sua composição é fundamental no controle das propriedades do fluido. 



A água pode ser doce, dura ou salgada:

– Doce: salinidade inferior a 1000 ppm de NaCl equivalente e não

necessita pré tratamento químico. – Dura: presença de sais de Ca e Mg dissolvidos que alteram o

desempenho dos aditivos químicos. – Salgada: salinidade maior que 1000 ppm de NaCl equivalente,

e pode ser água do mar, ou salgada com a adição de sais como NaCl, KCl ou CaCl2.

Fluidos de Perfuração À BASE ÁGUA

A principal função da água é prover o meio de dispersão para os materiais coloidais, tais como argila e polímeros, que controlam viscosidade, limite de escoamento, forças géis e filtrado. 

Na seleção da água devem ser considerados os seguintes fatores: disponibilidade, custo de transporte e de tratamento, tipos de formações geológicas a serem perfuradas, produtos químicos e equipamentos e técnicas a serem utilizados na avaliação das formações. 


Os sólidos dispersos no meio aquoso podem ser ativos ou inertes . 

Sólidos ativos: são materiais argilosos (bentonita e atapulgita), cuja função é aumentar a viscosidade.

–

Sólidos inertes: podem se originar da adição de materiais industrializados ou serem provenientes de cascalhos finos, normalmente areia, silte e calcário. Baritina é o sólido inerte mais comum. Outros são calcita e hematita.

–

Fluidos de Perfuração À BASE ÁGUA 

Produtos químicos adicionados:

– alcalinizantes e controladores de pH: soda cáustica, potassa cáustica

e cal hidratada; – dispersantes: lignossulfonato, tanino, lignito e fosfatos – redutores de filtrado: amido; – floculantes: soda cáustica, cal e cloreto de sódio; – viscosificante, desfloculante ou redutor de filtrado: polímeros; – emulsificante e redutor de tensão superficial: surfactantes; – removedores de Ca e Mg: carbonato e bicarbonato de sódio; – inibidores de formações ativas: cloreto de potássio, sódio e cálcio; –bactericidas: paraformaldeído, compostos organiclorados, soda cáustica e cal. – outros: anticorrosivos, traçadores químicos, antiespumantes.


Fluidos não-inibidos:

– perfuração de rochas superficiais compostas na

maioria das vezes de sedimentos inconsolidados. 

Fluidos inibidos:

– perfuração de rochas com alta atividade química na

presença de água doce, tornando-se plásticas, expansíveis, dispersíveis ou até mesmo solúveis. – Adiciona-se inibidores: eletrólitos e/ou polímeros. – Inibidores físicos: são adsorvidos sobre a superfície das rochas impedindo o contato direto com a água. – Inibidores químicos: reduzem a atividade química da água e podem reagir com a rocha alterando sua composição (ex.: cal, cloretos de Na, K e Ca). Exemplo clássico é a rocha salina com alta solubilidade em água doce. Neste caso usa-se fluido saturado com NaCl como dispersante.




–

Fluidos com baixo teor de sólidos:

utilizados para aumentar a taxa de penetração.



Fluidos emulsionados com óleo:

utilizados para reduzir a densidade e evitar perdas de circulação.

–


Formulação Básica:

– ÁGUA – ALCALINIZANTE (NaOH, KOH, Ca(OH)2, MgO) – VISCOSIFICANTE (BENTONITA, CMC,

POLIACRILAMIDA, GOMA XANTANA) – CONTROLADORES DE FILTRADO (CMC, POLIACRILATO, AMIDO) – ESTABILIZADORES DE FORMAÇÃO (KCL, NACl, POLIACRILAMIDA, POLÍMERO CATIÔNICO) – ADENSANTE (NACL, CaCl2, FORMIATO, BARITINA, CaCO3, HEMATITA) – INIBIDOR DE CORROSÃO (POLIAMINAS) – BACTERICIDA (TRIAZINA)

Fluido de Perfuração a Base Água

Nativo

Inibido

Disperso

Inicial ou não inibido

Levemente tratado

Com floculante

Inibição Química

Baixo teor de sólidos Inibição Física

Polímeros

Com dispersante

Eletrólitos Ca++, K+,Na+,NH+4

Salgado Saturado

Emulsiona do com óleo Óleo Petróleo

Fluido Inicial Convencional Convencional 

Características poder de inibição – Alto poder de carreamento, baixo poder



Aplicação – Perfuração de fases iniciais (poço 36 a 17,5 pol.)



Composição Básica de um fluido convencional flo-culado ou tampão viscoso – Água industrial – Argila Ativada

30-40 lb/bbl

– Soda Cáustica

0,5 lb/bbl

Fluidos Tratados com Polímero Catiônico 

Características – Fluido inibido por polímeros catiônicos e íons Na + ou K+



Aplicação – Indicado para a perfuração de folhelhos altamente reativos



Composição Básica – Água industrial – Argila ativada – Polímero catiônico – CMC AVAS – Goma xantana – CMC BVAS – Surfactante – Soda cáustica – NaCl ou KCl

5,0-10,0 lb/bbl 4,0-6,0 lb/bbl 1,0-1,5 lb/bbl 1,0-1,5 lb/bbl 1,0-2,0 lb/bbl 0,02% v/v para pH = 8,5-9,5 para salinidade desejada

Fluidos Salgados Saturados 

Características – Inibição química fornecida pelos íons dissolvidos. – Altamente agressivo ao meio ambiente.



Aplicação – Na perfuração de formações salinas.



Composição Básica – Água industrial – Argila ativada – Amido – Soda cáustica – NaCl

15-30 lb/bbl 8-12 lb/bbl 1-1,5 lb/bbl para saturação

Fluidos Emulsionados (Milk Mud) 

Características – Emulsão de fase óleo em água (O/A). Baixa densidade.



Aplicação – Na perfuração de zonas com possibilidade de perda de circulação.



Composição Básica – Água industrial – Argila ativada – Soda cáustica – Surfactante – CMC AVAD – Fase oleosa

50-90% v/v 0,0 a 5,0 lb/bbl 0,5 lb/bbl 0,5 a 2,0 % v/v 1,0-2,0 lb/bbl 10-50% v/v

Fluidos de Perfuração À BASE SINTÉTICA A fase contínua ou dispersante é constituída por uma fase sintética, geralmente composta de hidrocarbonetos líquidos. 

A fase dispersa é formada por pequenas gotículas de água ou de solução aquosa. 

Alguns sólidos coloidais, de natureza inorgânica e/ou orgânica, podem também compor esta fase dispersa. 

Estes fluidos podem ser: – emulsão água / óleo (teor de água menor que 10%). – emulsão inversa (teor de água de 10% a 45%). 

Fluidos de Perfuração À BASE SINTÉTICA 

Fluidos não aquosos são formulados usando aditivos componentes de um amplo grupo de substâncias chamados tensoativos ou surfactantes.



Estes produtos químicos incluem emulsificantes, sabões e agentes molhantes. Eles atuam reduzindo a tensão interfacial entre dois líquidos ou entre um líquido e um sólido.


Principais características:

– alto grau de inibição às rochas ativas – baixíssima taxa de corrosão – propriedades controláveis acima de 180°C até 260°C – alta lubricidade – largo range de densidade: de 0,89 a 2,4 – baixíssima solubilidade aos sais – Estabilidade de poço é melhorada

Fluidos de Perfuração À BASE SINTÉTICA



Normalmente são utilizados em:

– poços HTHP – formações argilosas – formações salinas – arenitos produtores danificáveis por fluidos à base

água – poços direcionais de grande afastamento – formações com baixa pressão de poro ou de fratura

Fluidos de Perfuração À BASE SINTÉTICA



Desvantagens:

– dificuldade de detecção de gás no poço

devido a sua solubilidade na fase contínua – mais poluente – interferência com alguns tipos de perfis – maior custo


Formulação Básica:

– ÓLEO SINTÉTICO – SALMOURA (NaCl, CaCl2) –EMULSIFICANTE (ÁCIDOS GRAXOS MODIFICADOS) – ALCALINIZANTE (CaO, MgO) – MODIFICADOR REOLÓGICO (RESINA) – ADENSANTE (BARITINA, HEMATITA)

Composição do Fluido Sintético 

Composição básica ( bacia de Campos )

Base orgânica – Emulsificante primário – Cal hidratada – Salmoura de NaCl – Redutor de filtrado – Argila organofílica – Modificador reológico – Barita –

50 a 65 % v/v 8 – 10 lb/bbl 4 – 5 lb/bbl 30 a 45 % v/v 1 – 4 lb/bbl * 2 – 4 lb/bbl 0,25 – 0,5 lb/bbl QSP

* Varia em função do filtrado desejado e do tipo de controlador de filtrado.

Fluidos de Perfuração À BASE DE AR OU GÁS 

O fluido circulante é ar ou gás (N2)



Situações que recomendam este tipo de fluido:

– perfuração de zonas de perdas de circulação severas; – formações produtoras com pressão muito baixa ou grande

suscetibilidade a danos; – perfuração de rochas muito duras como o basalto ou o diabásio; – regiões com escassez de água; – regiões glaciais com camadas espessas de gelo.

Fluidos de Perfuração À BASE DE AR OU GÁS 

Perfuração com ar:

– utiliza apenas ar ou nitrogênio como fluido – limitada a formações que não produzam elevadas quantidades de

água e não contenham Hidrocarbonetos 

Perfuração com névoa:

– utiliza uma mistura de água dispersa no ar – empregada quando são encontradas formações que produzam água

em quantidade suficiente para comprometer a perfuração simplesmente com ar

Fluidos de Perfuração À BASE DE AR OU GÁS Perfuração com espuma: – dispersão de gás em líquido, na qual a fase contínua é constituída por um filme delgado de uma fase líquida, estabilizada por um tensoativo (espumante) – empregada quando é necessário eficiência elevada de carreamento de cascalhos, uma vez que apresenta alta viscosidade 

Perfuração com fluido aerado: – quando é necessário gradientes de pressão intermediários entre os fluidos convencionais e as espumas – injeta-se ar, N2 ou gás natural ao fluxo contínuo do fluido de perfuração para diminuir a densidade – recomendada em regiões com perdas de circulação 

Fluido de perfuração

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