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1 Fluidos de Perfuração PEG001 - 2010.2 1 1 2 MÉTODOS DE PESQUISA PETRÓLEO – PRODUÇÃO Fluidos de Perfuração Historicamente, quando foi introduzido junto com a perfuração rotativa, a finalidade do fluido de perfuração era simplesmente a remoção do cascalho produzido pela broca no fundo do poço. Nestas circunstâncias, qualquer tipo de fluido capaz de realizar esta função podia ser considerado um fluido de perfuração: água, ar, gás natural, sólidos em suspensão na água, emulsões. Com o progresso tecnológico e as exigências dos órgãos ambientais, o fluido de perfuração tornou-se uma mistura complexa de sólidos, líquidos e produtos químicos, e algumas vezes, gases. Eles devem ser especificados de forma a garantir uma perfuração rápida e segura. Os fluidos de perfuração foram ganhando importância à medida que os poços se tornavam mais profundos. Considera-se que o sucesso da perfuração de um poço depende fortemente da composição do fluido e dos cuidados para a manutenção de suas propriedades durante a perfuração. PEG001 - 2010.2 2 3 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Características Desejáveis • Ser estável quimicamente; • Ser facilmente separado dos cascalhos na superfície; • Não causar danos as 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. Fluidos de Perfuração 4 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Funções Básicas • Limpar o fundo do poço e carrear os cascalhos até a superfície; • Manter os sólidos em suspensão durante a ausência de bombeio; Sustentar as paredes do poço evitando o seu desmoronamento; • Prevenir a hidratação de formações reativas; • Lubrificar a broca e a coluna de perfuração, reduzindo seu atrito com o poço; • Resfriar a broca; Exercer pressão hidrostática sobre as formações, de modo a evitar o influxo de fluidos indesejáveis (kick). Fluidos de Perfuração 5 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Trajetória do fluido de perfuração Fluidos de Perfuração Superfície Fundo do poço Superfície O fluido deve circular a uma velocidade maior do que a velocidade de sedimentação das partículas removidas, a fim de que os resíduos possam chegar à superfície. 6 PETRÓLEO – PRODUÇÃO 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. Fluidos de Perfuração 7 PETRÓLEO – PRODUÇÃO 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 e concentração de potássio. Fluidos de Perfuração 8 PETRÓLEO – PRODUÇÃO 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. A densidade é uma propriedade muito importante e deve ser mantida controlada de modo que a sua pressão hidrostática seja suficiente para controlar os fluidos das formações. 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. Na indústria de petróleo as principais unidades de medida da densidade são as seguintes: lb/gal, lb/pe3, lb/cuft, kg/dm3, e gravidade específica. Fluidos de Perfuração 9 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido Define-se diferencial de pressão entre o fluido do poço e os fluidos da formação por: onde, pL é a pressão da lama ou pressão do fluido de perfuração pF é a pressão da formação ou pressão dos fluidos contidos na rocha Fluidos de Perfuração 10 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido O diferencial de pressão entre o fluido de perfuração e os fluidos da formação deve ser sempre maior que zero, durante a perfuração do poço. Todavia, o rendimento da broca diminui à medida em que esse diferencial de pressão aumenta, o que mostra a importância no estabelecimento e cálculo do seu valor. Fluidos de Perfuração 11 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido A pressão exercida pelo fluido de perfuração (pL) no fundo do poço, em condições estáticas (vazão nula) seria: pL = pH + pS onde, é a pressão hidrostática pS é a pressão aplicada na superfície Fluidos de Perfuração 12 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido Costuma-se denominar de gradiente de pressão do fluido de perfuração (ou lama) por: Para a água doce, cuja densidade absoluta é 1 g/cm3 a 4oC, temos: Fluidos de Perfuração 13 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido As formações porosas e permeáveis contém fluidos sob pressão. Uma certa formação, a uma profundidade hF, pode então conter fluidos a uma pressão pF denominada de pressão da formação: Pode-se definir um gradiente de pressão da formação como sendo: Fluidos de Perfuração 14 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão exercida pelo fluido Em poços de pretóleo, as formações contendo fluidos são classificadas em: Formações com pressão normal (b) Formações com pressão anormal (baixa) (alta) Fluidos de Perfuração 15 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão hidrostática Por exemplo, caso estejamos perfurando um poço a 2000 metros de profundidade e cuja pressão de poros da formação seja de 2500 psi, podemos calcular a densidade do fluido de perfuração para que a pressão dentro do poço seja superior a pressão de poros, assim: Fluidos de Perfuração 16 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Pressão hidrostática EXERCÍCIO: Qual a pressão hidrostática no fundo de um poço de 2000 m com uma lama a base de bentonita com densidade de 9,8 lb/gal? Justifique sua resposta. Fluidos de Perfuração 17 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas 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. Fluidos de Perfuração 18 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Viscosidade: É a medida da resistência da lama para fluir. Em outras palavras mede a consistência da lama. A vicosidade deve ser suficientemente elevada para manter a baritina em suspensão e assegurar o transporte dos cascalhos para fora do poço. Medidas da viscosidade: - Viscosidade Marsh: Seu princípio fundamenta-se na medição do tempo de escoamento de um volume definido de lama através de um funil calibrado. Enche-se o funil com lama e mede-se o tempo de escoamento (s) de ¼ de galão (946 cm3). - Viscosidade plástica e aparente: São determinadas através de aparelhos denominados viscosímetros. Ambas são medidas em centipoise. Fluidos de Perfuração 19 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Teor de sólidos: O controle do teor de sólido é muito importante e deve ser objeto de todo cuidado uma vez que ele influi sobre diversas propriedades da lama: densidade, viscosidade e força gel, produzindo desgaste nos equipamentos pela sua abrasividade e reduz a taxa de penetração da broca. Força gel: A força gel é um parâmetro que indica o grau de tixotropia da lama. Um fluido tixotrópico é aquele que quandoem repouso desenvolve uma estrutura gelificada e que quando posto em movimento recupera a fluidez. Fluidos de Perfuração 20 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas Parâmetros de Filtração Filtrado e Reboco: o fluido de perfuração submetido a pressão hidrostática, deposita diante das formações permeáveis uma película de baixa permeabilidade denominada reboco (mud cake) enquanto uma parte líquida chamada filtrado é drenada para dentro da formação. Uma lama de boa qualidade deve apresentar um filtrado baixo e um reboco fino e de ótima plasticidade. O filtrado API é a quantidade de líquido em cm3 que é recolhido quando a lama é submetida a uma pressão de 100 psi. O reboco é medido em mm ou frações da polegada e tem a sua consistência igualmente avaliada em mole, duro, firme, elástico, etc. Fluidos de Perfuração 21 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Físicas - Parâmetros do Filtrado Fluidos de Perfuração Sólidos Finos Reboco Invasão Arenito Petróleo 22 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Propriedades Químicas pH : É medido usando papéis indicadores ou potenciômetros, sendo mantido na faixa de 7 a 10. Ele determina apenas uma alcalinidade relativa a concentração de íons H+ através de métodos comparativos. Alcalinidades: As alcalinidades dos fluidos de perfuração são determinadas por métodos diretos de titulação volumétrica de neutralização e leva em consideração as espécies carbonatos (CO3--) e bicarbonatos (HCO3-) dissolvidos na lama, além dos íons hidroxilas (OH-) dissolvidos e não dissolvidos. São determinadas as seguintes alcalinidades: Alcalinidade parcial do filtrado; Alcalinidade da lama; Alcalinidade total do filtrado. “Alcalinidade é a habilidade de uma solução ou mistura de reagir com um ácido”. Fluidos de Perfuração 23 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Classificação dos Fluidos de Perfuração Os fluidos de perfuração se compõem de três fases distintas: Fase contínua ou fase líquida (dispersante); Fase dispersa constituída de sólidos coloidais e/ou líquidos emulsificados que fornecem a viscosidade, tixotropia e reboco (bentonita, atapulgita); Fase inerte constituída por sólidos inertes dispersos tais como os doadores de peso (baritina, hematita, calcita) e os sólidos provenientes das rochas perfuradas. Fluidos de Perfuração 24 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Classificação dos Fluidos de Perfuração Fluidos de Perfuração Líquidos Gases Base Água Base Óleo Espuma Névoa Ar Gás Natural Mistura Gás/Líquido 25 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Classificação dos Fluidos 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 26 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Água 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 27 PETRÓLEO – PRODUÇÃO 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, equipamentos e técnicas a serem utilizados na avaliação das formações. Fluidos de Perfuração 28 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Água 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 29 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Água Formulação Básica • Água • Alcalinizante (NaOH, KOH, Ca(OH)2, MgO) • Viscosificante (BENTONITA, CMC, POLIACRILAMIDA, GOMA XANTANA, PAC) • Controladores de filtrado (CMC, PAC, POLIACRILATO, AMIDO) • Estabilizadores de formação (KCl, NaCl, POLIACRILAMIDA, POLÍMERO CATIÔNICO) • Adensante (NaCl, CaCl2, FORMIATO, BARITINA, CaCO3, HEMATITA) • Inibidor de corrosão (POLIAMINAS) • Bacterecida (TRIAZINA) Fluidos de Perfuração 30 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Sintética Estes fluidos são classificados em duas categorias: Emulsões água/óleo propriamente dita, nas quais o teor de água é inferior a 10%. Formulação Básica - Emulsões água/óleo Óleo diesel (95 – 98%); Água (2 – 5%); Asfalto aerado, argila organofílica, negro de fumo, (agentes de controle do filtrado e da viscosidade); Agentes emulsificantes, estabilizantes e doadores de peso (CaCO3, BaSO4, galena). Fluidos de Perfuração 31 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Sintética - Emulsões água/óleo Vantagens Ótimo desempenho nos poços de alta temperatura e alta pressão; Não danifica as formações produtoras; Não reage com os folhelhos argilosos e plásticos; Inibe as formações de halita, carnalita, silvita, etc; Ideal para perfuração de poços direcionais; Inibe a corrosão; Prolonga a vida das brocas. Fluidos de Perfuração 32 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Sintética - Emulsões água/óleo Desvantagens Alto custo inicial; Poluição (uso de alguns óleos vegetais e sintéticos, têm reduzido o potencial poluidor); Risco de incêndio; Dificuldade de reconhecimento dos cascalhos nas zonas produtoras; Menor número de perfis que podem ser corridos no poço. Fluidos de Perfuração 33 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Sintética Emulsões inversas, nestas lamas o teor de água varia de 10 à 45%. Vantagens São as mesmas das lamas de base óleo, com algumas vantagens adicionais: - Menor custo - Menor risco de incêndio - Tratamento na superfície mais fácil Estas vantagens tornam o uso destes fluídos mais diversificado, sendo inclusive usado como fluido de completação. Fluidos de Perfuração 34 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base Sintética Formulação Básica - Emulsões inversas • Óleo sintético • Salmoura (NaCl, CaCl2) • Emulsificantes (Ácidos graxos modificados) • Alcalinizante (CaO, MgO) • Modificador reológico (resina) • Adensante (baritina, hematita) Fluidos de Perfuração 35 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base de Ar ou Gás Ar comprimido ou gás (N2): é o melhor fluido de perfuração sob o ponto de vista da taxa de penetração da broca. Nele, é o ar ou o gás que é injetado no poço no lugar da lama. É ideal para perfuração através de zona de perda de circulação, zonas produtoras de baixa pressão ou muito sensíveis a danos, formações muito duras, estáveis ou fissuradas. Ar comprimido com névoa: consiste em uma mistura de água dispersa no ar. É utilizado quando são encontradas formações que produzem água em quantidade suficiente para prejudicar a perfuração com ar. Fluidos de Perfuração 36 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Base de Ar ou Gás Espuma: é um fluido resultante da mistura de ar, água e um agente espumante (tensoativo – mantém a emulsão). Espumas estão sendo cada vez mais utilizadas como fluidos de perfuração leves, por terem habilidade para transportar cascalhos e capacidade de eliminação de perda de circulação e flexibilidade. Com este tipo de fluido, a água produzida pelo poço é retirada sob a forma de espuma. Neste método o fluido de perfuração é mantido a pressões mais baixas que a do reservatório, para diminuir a erosão e conseqüente danificação da formação. Fluido aerado: Neste tipode fluido, injeta-se ar, nitrogênio ou gás natural no fluxo do fluido de perfuração reduzindo a sua densidade. Esta lama é recomendada para a perfuração de formações que apresentem um elevado índice de perda de lama, uma vez que reduz a densidade do fluido de perfuração. Fluidos de Perfuração 37 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Fluidos de Perfuração Hidratação do folhelho. Inchamento. 38 PETRÓLEO – PRODUÇÃO Fluidos de Perfuração Inchamento da formação. 39 “O fluido de perfuração é como o sangue: flui, transporta, cicatriza, transmite força, estabiliza as pressões internas, enfim, perpassa todas as etapas da sondagem como se fosse a extensão viva do ato de perfurar.” Eugênio Pereira Geológo PETRÓLEO – PRODUÇÃO Fluidos de Perfuração F L p p p - = D h g p L H × × = r g G L L × = r gal lb cm g W / 33 , 8 / 1 3 = = r F F F h g p × × = r g G F F × = r m cm kg G m cm kg F / ) / ( 1074 , 0 / ) / ( 1 , 0 2 2 £ £ m cm kg G F / ) / ( 1 , 0 2 < m cm kg G F / ) / ( 1074 , 0 2 > gal lb x x h x x P ca Hidrostáti / 35 , 7 2000 17 , 0 2500 17 , 0 min min ³ £ = r r r
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