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

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    11-Nov-2018

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<ul><li><p> Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Universidade Severino Sombra </p><p> Vassouras RJ Brasil </p><p>X Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica Iniciao Cientfica </p><p>Influncia da pesquisa em Engenharia Qumica no desenvolvimento tecnolgico e industrial brasileiro </p><p>*Bolsista UFRRJ. </p><p>AVALIAO DA PERDA DE CARGA E DA VARIAO DA DENSIDADE EM PASTA </p><p>DE CIMENTO DE ALTA COMPACIDADE. </p><p>PEREIRA*1, C. E. G.; CABRAL</p><p>1, E. A.; SANTOS</p><p>2, D. S.; PARAISO</p><p>3, E. C. H.; </p><p>SCHEID4, C. M. e CALADA</p><p>4, L. A. </p><p> 1Aluno do DEQ/UFRRJ </p><p>2 Mestrando do DEQ/UFRRJ </p><p>3 Pesquisador do LEF/DEQ/UFRRJ </p><p>4 Professor do DEQ/UFRRJ </p><p>Departamento de Engenharia Qumica - Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro </p><p>Endereo UFRRJ, BR 465, km 07, Seropdica, CEP. 23.890-000, RJ, </p><p>email: scheid@ufrrj.br </p><p>RESUMO - A perfurao de poos exploratrios de petrleo ocorre em diversos </p><p>cenrios e em diferentes formaes rochosas. Durante o processo de perfurao, a etapa </p><p>de cimentao essencial, pois proporciona estabilidade ao poo, cria uma zona de </p><p>isolamento, garantindo sua integridade. Na cimentao de poos com formaes </p><p>rochosas frgeis, utiliza-se pasta de cimento com baixa densidade. Neste trabalho, </p><p>analisamos uma pasta de alta compacidade e densidade reduzida por meio da adio de </p><p>microesferas cermicas ocas. Foram realizados experimentos para avaliar a quebra </p><p>dessas microesferas atravs do acompanhamento da densidade da pasta, em diferentes </p><p>taxas de cisalhamento. Alm disso, avaliamos correlaes que viabilizam a previso da </p><p>perda de carga durante o escoamento da pasta em uma unidade experimental. A </p><p>importncia de ambos os testes se deve necessidade do controle da presso durante o </p><p>bombeio da pasta no poo. Para a previso da perda de carga foram avaliadas </p><p>correlaes de fator de atrito e modelos reolgicos. Os resultados dos testes mostraram </p><p>uma variao significativa na densidade, proveniente da quebra das microesferas, </p><p>havendo uma relao desta com a energia de mistura. No escoamento da pasta na </p><p>unidade, chegou-se a um conjunto de correlaes que adequadamente previram a perda </p><p>de carga. </p><p>Palavras chave: cimentao, microesfera oca de cermica, energia de mistura. </p><p>INTRODUO </p><p>Com o intuito de atender a demanda por </p><p>hidrocarbonetos, novos poos de petrleo em </p><p>diferentes cenrios vm sendo estudados e </p><p>explorados. Para que essa explorao se torne </p><p>vivel e alcance seu total potencial de </p><p>produo, a etapa de cimentao, que uma </p><p>operao crtica e fundamental para uma longa </p><p>vida do poo, deve ser feita adequadamente. </p><p>As principais metas da cimentao so: </p><p>propiciar a integridade do poo atravs da </p><p>zona de isolamento evitando, assim, a </p><p>migrao de fluidos no anular; manter a </p><p>estabilidade mecnica do poo; suportar os </p><p>tubos de revestimento, dando sustentao a </p><p>Blucher Chemical Engineering ProceedingsDezembro de 2014, Volume 1, Nmero 1</p></li><li><p>coluna e proteg-lo da corroso por fluidos </p><p>(Miranda, 2008). </p><p>A escolha da pasta a ser utilizada na </p><p>cimentao depende das caractersticas do </p><p>poo. Fatores limitantes na determinao da </p><p>massa especfica e de outras propriedades </p><p>fsico-qumicas das pastas de cimento a serem </p><p>utilizadas so as presses de fratura e de poros </p><p>do poo. </p><p>A presso hidrosttica na formao deve </p><p>ser menor que a presso de fratura, para evitar </p><p>a entrada da pasta para o interior da formao; </p><p>e em geral, maior que a presso de poros para </p><p>impedir a invaso de fluidos da formao para </p><p>o poo. Em condies onde a zona de </p><p>formao fraca, esgotada ou inconsolidada, </p><p>possuindo baixa presso de fratura, ou em </p><p>situaes onde se utilizado uma extensa </p><p>coluna de cimento faz-se necessrio o uso de </p><p>uma pasta leve, de baixa massa especfica </p><p>(Miranda, 2008). </p><p>Neste trabalho foi utilizada uma </p><p>formulao para pasta de cimento leve, </p><p>contendo microesfera cermica oca. As </p><p>principais motivaes foram avaliar as </p><p>mudanas de densidade e reologia da pasta </p><p>oriundas da quebra dessas microesferas </p><p>durante a mistura da pasta. O intuito dessa </p><p>avaliao fomentar as possveis diferenas </p><p>obtidas no preparo da pasta no laboratrio e no </p><p>campo atentando a possveis mudanas na </p><p>determinao da presso de bombeio. </p><p>REVISO BIBLIOGRFICA </p><p>Modelos Reolgicos </p><p>A escolha dos modelos avaliados se </p><p>baseia na referncia de Nelson (1990) que </p><p>afirma que os modelos de Bingham (Equao </p><p>1) e potncia (Equao 2) so os mais usuais </p><p>na cimentao. Alm desses, avaliamos o </p><p>modelo de Herschel-Buckley (Equao 3), que </p><p>possui caractersticas dos dois modelos </p><p>anteriores. </p><p>BB LEVP (1) </p><p>nk (2) </p><p>HB</p><p>n</p><p>HB LEkHB (3) </p><p>Determinao do Fator de Atrito </p><p>O fator de atrito experimental de </p><p>Fanning (Equao 4) obtido por meio da </p><p>equao de perda de carga distribuda na </p><p>equao modificada de Bernoulli, </p><p>considerando um trecho reto e sem acidentes. </p><p> 2</p><p>2 vL</p><p>PDf</p><p> (4) </p><p>Nos fluidos no newtonianos, a </p><p>viscosidade varia com a taxa de deformao. </p><p>Com isso, no regime laminar, cada modelo </p><p>reolgico possui uma equao desenvolvida </p><p>para o fator de atrito, como mostra a Tabela 1. </p><p>Tabela 1 Correlaes utilizadas na </p><p>avaliao do fator de atrito no regime </p><p>laminar. Modelos Equaes</p><p>Herschel-</p><p>Buckley</p><p>Potncia</p><p>Bingham</p><p>P</p><p>fRe</p><p>16 nnP</p><p>n</p><p>n</p><p>D</p><p>vk</p><p>Dv</p><p>4</p><p>138Re</p><p>1</p><p>73</p><p>4</p><p>Re3Re61</p><p>Re</p><p>16</p><p>B</p><p>B</p><p>B</p><p>B</p><p>B f</p><p>HeHef</p><p>B</p><p>BVP</p><p>DvRe</p><p>2</p><p>2</p><p>B</p><p>BB</p><p>VP</p><p>LEDHe</p><p>HBn</p><p>HBHB</p><p>HB AHe</p><p>f ][Re</p><p>16</p><p>Re</p><p>22</p><p>),,(f][ HBwHB nLEA </p><p>2Re2</p><p>HB</p><p>HB</p><p>w</p><p>HB</p><p>f</p><p>HeLE</p><p> HB</p><p>HBHB</p><p>n</p><p>HBHBHB</p><p>nn</p><p>HBnnk</p><p>vD</p><p>/132</p><p>8Re</p><p>2</p><p>(6)</p><p>(7)</p><p>(8) (9)</p><p>(11)</p><p>(12)(10)</p><p>(13)</p><p>(5)</p><p>2</p><p>2</p><p>v</p><p>LEReHe HBHBHB</p><p> (14)</p><p> As correlaes para o clculo do fator de </p><p>atrito no regime turbulento, e seus respectivos </p><p>autores, so apresentadas na Tabela 2. Estas </p><p>correlaes esto presentes em Paraiso (2011). </p><p>Tabela 2 Correlaes utilizadas na </p><p>avaliao do fator de atrito no regime </p><p>turbulento. Autores</p><p>Gomes (1987)</p><p>Equaes</p><p>Tomita (1959)</p><p>Churchill </p><p>(1977)</p><p>Darby et al . </p><p>(1992)</p><p>Darby e </p><p>Melson (1981)</p><p>Ellis e George </p><p>(1977)</p><p>4f 2,0</p><p>2Relog2</p><p>1</p><p>12</p><p>1</p><p>23</p><p>121</p><p>Re</p><p>82</p><p>BAf</p><p>161</p><p>9,0</p><p>27,0Re</p><p>7ln457,2</p><p>DA</p><p> 161Re37530 B</p><p>70,0Re645,000454,0 f</p><p>193,0Re</p><p>10a</p><p>Tf )109,2exp(146,01378,15 Hea </p><p>193,0Re</p><p>10a</p><p>Tf )109,2exp(146,0147,15 Hea </p><p>223,0462,0 Re060,0 nf</p><p>235,0666,0 Re069,0 nf</p><p>287,0616,0 Re110,0 nf </p><p>DMGomes</p><p>OWGomes</p><p>FSGomes </p><p>(16)(15)</p><p>(17)</p><p>(18) (19)</p><p>(20)</p><p>(22)(21)</p><p>(24)(23)</p><p>(25)</p><p>(26)</p><p>(27)</p></li><li><p>Energia de Mistura </p><p>Miranda (2008) apresenta a equao de </p><p>energia de mistura (Equao 28). </p><p> (28) </p><p>Nesse caso, o volume de pasta utilizado foi de </p><p>0,6 L. </p><p>MATERIAIS E MTODOS </p><p>Formulao da Pasta de Cimento </p><p>Materiais slidos: Os materiais slidos </p><p>consistem de cimento classe G fornecido pela </p><p>empresa Holcim, microesfera oca de cermica </p><p>fornecida pela empresa R&amp;D International e </p><p>slica ativa fornecida pela empresa Dow </p><p>Corning Silcio do Brasil. </p><p>Materiais lquidos: Os materiais lquidos </p><p>consistem de gua doce e aditivos como: </p><p>antiespumante (D175), dispersante (D080) e </p><p>retardador de pega (D801), fornecidos pela </p><p>empresa Schlumberger. </p><p>Experimento de Bancada </p><p>Primeiramente foi feita a pesagem dos </p><p>materiais slidos e, em seguida, a </p><p>homogeneizao dos mesmos. No copo do </p><p>misturador (Figura 1a) foi feita a adio e </p><p>pesagem dos materiais lquidos. No incio da </p><p>agitao, toda a mistura slida foi adicionada </p><p>aos poucos em um perodo de 60 segundos. </p><p>Aps esse tempo de adio dos slidos, </p><p>iniciou-se a contagem do tempo de mistura </p><p>analisado. Foram feitas anlises nos tempos de </p><p>420, 540, 900 e 1200 segundos, nas rotaes </p><p>de 4000, 5000 e 6000 RPM. Em cada conjunto </p><p>tempo-rotao foi feito um ensaio reolgico no </p><p>viscosmetro FANN 35A (Figura 1b). Alm </p><p>disso, a densidade foi medida atravs da </p><p>balana de lama (Figura 1c) e a temperatura </p><p>tambm foi anotada. </p><p>Figura 1 (a) Misturador Waring Blendor, </p><p>Chandler; (b) Viscosmetro Fann-VG </p><p>Meter, Modelo 35A; (c) Balana de Lama, </p><p>Fann. </p><p>Experimento na Unidade Piloto </p><p>Assim como no experimento de bancada, </p><p>os materiais slidos so misturados </p><p>previamente, nesse caso, em um misturador Y. </p><p>O material lquido e a mistura slida so </p><p>homogeneizados no tanque e a circulao da </p><p>pasta por toda a unidade experimental (Figura </p><p>2) iniciada. Aps estabilizao da densidade, </p><p>a coleta de dados de vazo e diferena de </p><p>presso feita em diferentes rotaes da </p><p>bomba. Os experimentos so feitos nas </p><p>temperaturas de 15, 25 e 60C. Amostras da </p><p>pasta, em rotaes pr-determinadas, so </p><p>retiradas para serem feitos ensaios reolgicos </p><p>com as mesmas em viscosmetro FANN 35A. </p><p>A unidade experimental consiste de um loop </p><p>de escoamento de fluidos composto por tubos </p><p>de ferro galvanizado e alguns equipamentos. </p><p>Dentre eles: um tanque de 250 litros de </p><p>capacidade, um medidor de vazo do tipo </p><p>Coriolis, transdutores de presso diferencial, </p><p>uma bomba helicoidal de 25HP e um </p><p>resfriador para o controle da temperatura. O </p><p>trecho experimental composto por um duto </p><p>circular de 1" polegada de dimetro e trs </p><p>metros de comprimento. Nesse trecho feita a </p><p>tomada de diferena de presso por meio dos </p><p>transdutores com um metro e meio de </p><p>distncia entre eles. </p><p>(a) </p><p> (b) </p><p>(c) </p></li><li><p> Figura 2 Unidade experimental para o </p><p>escoamento de pastas de cimento. </p><p>RESULTADOS E DISCUSSES </p><p>Densidade X Energia de Mistura </p><p>O grfico de densidade X energia de </p><p>mistura (Figura 3) apresenta os dados obtidos </p><p>no experimento de bancada. Olhando os </p><p>extremos, possvel observar que uma energia </p><p>de mistura e rotao baixa gera um resultado </p><p>de densidade menor que uma energia de </p><p>mistura e rotao alta. Alm disso, possvel </p><p>ver no grfico, que fixando uma energia de </p><p>mistura, quanto maior a rotao maior a </p><p>densidade. Esse aumento na densidade em </p><p>maiores rotaes ocorre devido quebra das </p><p>microesferas ocas, que quando submetidas a </p><p>uma alta agitao e a um alto tempo de mistura </p><p>elas tendem a quebrar. Atravs de testes de </p><p>micrografia por MEV (Microscopia Eletrnica </p><p>de Varredura), foi possvel observar a quebras </p><p>dessas microesferas dependendo da rotao e </p><p>tempo de mistura da pasta (Miranda, 2008), </p><p>como pode ser visto na Figura 4. </p><p>Figura 3 Influncia da energia de mistura </p><p>e intensidade de cisalhamento na densidade. </p><p>Figura 4 Micrografias por MEV de pasta </p><p>misturada a 4000 rpm por 15 s + 3000 rpm </p><p>por 9 min 22s + 12000 rpm por 1 min </p><p>=1,45 g/cm3 (12,1 lb/gal) Ensaio D </p><p>(Miranda 2008). </p><p>Reologia (Experimento de Bancada) </p><p>O grfico de tenso X taxa de </p><p>deformao (Figura 5) apresenta os dados </p><p>reolgicos obtidos por meio do viscosmetro </p><p>Fann 35 A. Foram feitos grficos para as </p><p>rotaes de 4000, 5000 e 6000 RPM. Cada </p><p>linha representa o tempo de rotao em que a </p><p>pasta foi preparada. Cada ponto representa os </p><p>dados de tenso obtidos para cada taxa de </p><p>deformao onde as taxas de deformao </p><p>foram, respectivamente, 5,11; 10,21; 51,07; </p><p>102,14; 170,23; 340,46 e 510,69 s-1</p><p>. </p><p> Figura 5 Influncia da energia de mistura e intensidade de cisalhamento na reologia </p><p>na pasta preparada a 5000 RPM. </p><p>1 - Inversor de Frequncia 2 - Bomba Helicoidal </p><p>3 - Trecho experimental </p><p>4 - Transdutor de Presso 5 - Computador </p><p>6 - Medidor de Vazo 7 - Misturador </p><p>8 - Tanque </p><p>9 - Resfriador </p></li><li><p>O aumento da energia de mistura ocasionado </p><p>pelo aumento no tempo de exposio ao </p><p>cisalhamento causou uma diminuio da </p><p>viscosidade plstica. </p><p>Reologia (Experimento na Unidade) </p><p>Na Tabela 3 so apresentadas as </p><p>mdias dos parmetros reolgicos, bem como </p><p>o coeficiente de correlao ao quadrado (R) </p><p>obtido em cada modelo. </p><p>Tabela 3 Parmetros reolgicos mdios </p><p>obtidos a 15, 25 e 60C. </p><p>n K R2 LE VP R</p><p>2 n K LE R2</p><p>(-) (Pa.sn) (-) (Pa) (Pa.s) (-) (-) (Pa.s</p><p>n) (Pa) (-)</p><p>15 0,549 1,73 0,972 5,84 0,116 0,997 0,879 0,25 4,15 0,9998</p><p>25 0,536 1,26 0,967 4,05 0,078 0,998 0,895 0,16 3,06 0,9999</p><p>60 0,477 1,04 0,957 3,04 0,044 0,997 0,871 0,10 2,35 0,9998</p><p>T,C</p><p>Potncia Bingham Herschel-Buckley</p><p>Como pode ser visto na tabela acima, o </p><p>modelo de Herschel-Buckley o que apresenta </p><p>o melhor coeficiente de correlao ao </p><p>quadrado. Posteriormente vem o de Bingham, </p><p>apresentando bons resultados e depois, </p><p>Potncia. </p><p>Avaliao das Correlaes de Fator de </p><p>Atrito </p><p>Grficos de fator de atrito versus </p><p>Reynolds foram utilizados para avaliar as </p><p>correlaes de fator de atrito nos dois regimes </p><p>(Figura 6). A figura a seguir mostra os dados </p><p>usando o modelo de Herschel-Buckley a 25C. </p><p> Figura 6 Grfico de fator de atrito versus </p><p>Reynolds Herschel-Buckley, 25C. </p><p>Os mesmos grficos foram feitos para os trs </p><p>modelos reolgicos nas trs temperaturas. Os </p><p>erros percentuais absolutos mdios gerados </p><p>entre os valores obtidos experimentalmente e </p><p>os calculados so apresentados na Tabela 4. </p><p>Nesta tabela, os erros percentuais menores que </p><p>25% so destacados. </p><p>Tabela 4 Erro percentual absoluto mdio </p><p>das correlaes de fator de atrito no regime </p><p>laminar e turbulento. </p><p>15,8 16,3 16,3 16,1</p><p>11,4 12,8 7,3 10,5</p><p>16,5 19,0 16,7 17,4</p><p>15,4 18,4 16,8 16,9</p><p>13,8 14,0 7,7 11,8</p><p>29,1 22,3 32,3 27,9</p><p>33,8 28,5 40,0 34,1</p><p>16,0 18,5 9,2 14,6</p><p>41,5 31,7 41,2 38,1</p><p>33,0 36,0 28,3 32,4</p><p>6,0 5,8 11,2 7,7</p><p>61,4 51,5 61,1 58,0</p><p>27,4 25,9 38,2 30,5</p><p>35,5 30,1 41,0 35,5</p><p>36,9 31,6 41,3 36,6</p><p>42,7 35,3 42,4 40,1</p><p>7,9 8,0 9,7 8,5</p><p>55,3 45,1 54,5 51,6Her</p><p>sch</p><p>el-B</p><p>uck</p><p>ley Laminar</p><p>DW Gomes</p><p>OW Gomes</p><p>FS Gomes</p><p>Ellis e George</p><p>Churchill</p><p>Ellis e George</p><p>Churchill</p><p>Bin</p><p>gh</p><p>am</p><p>Laminar</p><p>Darby e Melson </p><p>Tomita</p><p>Darby et al.</p><p>Ellis e George</p><p>Churchill</p><p>Correlaes de fator de atrito 15 C 25 C 60 C Mdia</p><p>Po</p><p>tn</p><p>cia</p><p>Laminar</p><p>DM Gomes</p><p>OW Gomes</p><p>FS Gomes</p><p>No regime laminar, o modelo cuja correlao </p><p>de fator de atrito obteve menores erros </p><p>percentuais foi o da potncia. No regime </p><p>turbulento, a correlao de Ellis e George </p><p>(1977) resultou em baixos erros nos trs </p><p>modelos reolgicos. Mas destacam-se tambm </p><p>as correlaes DM Gomes, OW Gomes e FS </p><p>Gomes, no modelo da potncia e Darby e </p><p>Melson (1981) no modelo de Bingham. </p><p>CONCLUSO </p><p>A partir dos experimentos de bancada </p><p>observou-se que, com o aumento da rotao e </p><p>do tempo de mistura no preparo da pasta, a </p><p>densidade aumenta e essa ocorre devido </p><p>quebra das microesferas ocas. Alm disso, a </p><p>reologia tambm afetada com o aumento da </p><p>energia de mistura ocasionada pelo maior </p><p>tempo de exposio ao cisalhamento, levando </p><p>a uma diminuio da viscosidade plstica. </p><p>No experimento no loop de escoamento, </p><p>o modelo que gerou a melhor correlao dos </p><p>dados reolgicos foi o de Herschel-Buckley, </p><p>seguido do de Bingham e potncia. Quanto s </p><p>correlaes de fator de atrito, no regime </p><p>laminar, a correlao que obteve o menor erro </p><p>foi a do modelo da potncia. No regime </p></li><li><p>turbulento, a que se destaca a correlao de </p><p>Ellis e George (1977). </p><p>NOMENCLATURA </p><p>a Parmetro da equao 23 </p><p>[A] Parmetro da equao 10 </p><p>A Parmetro da equao 17 </p><p>B Parmetro da equao 17 </p><p>D Dimetro, m </p><p>E Energia de mistura, kJ </p><p>f Fator de atrito de Fanning </p><p>fL Fator de atrito laminar </p><p>fT Fator de atrito turbulento </p><p>He N de Hedstrom </p><p>HeB N de Hedstrom - modelo de Bingham </p><p>HeHB N de Hedstrom - modelo de H.B. </p><p>k ndice de consistncia - potncia, Pa.sn </p><p>kHB ndice de consistncia H.B., Pa.sn </p><p>K Constante determinada </p><p>experimentalmente = 6,1 x 10-8 </p><p>L Comprimento da seo reta, m </p><p>LEB Limite de escoamento - Bingham, Pa </p><p>LEHB Limite de escoamento H.B., Pa </p><p>M Massa da pasta de cimento, kg </p><p>n ndice de comportamento modelo da </p><p>potncia </p><p>nHB ndice de comportamento H.B. </p><p>Q Vazo, m/s </p><p>R Coeficiente de correlao </p><p>Re Nmero de Reynolds </p><p>ReB Nmero de Reynolds generalizado - </p><p>B...</p></li></ul>

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