BR102015004126B1 - Composição para a cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura - Google Patents

Abstract

composição para a cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura. a presente invenção trata de composições aplicáveis a cimentação de poços de petróleo a baixas temperaturas, entre 4 °c e 27 °c. tais composições são baseadas numa mistura de sólidos compreendendo 70% em massa de cimento portland de alta resistência inicial (cp v ari), 20% em massa de cp v ari micronizado, com 95% das partículas com diâmetro médio inferior a 12pm, e 10% de uma microescória micronizada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001]. A presente invenção diz respeito a composições para a cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura (4°C a 27°C), mais especificamente a composições baseadas numa mistura de sólidos compreendendo 70% em massa de Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V ARI), 20% em massa de CP V ARI micronizado, com 95% das partículas com diâmetro médio inferior a 12μm, e 10% de uma microescória micronizada.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002]. Um dos maiores desafios associados à cimentação primária com pastas leves (1,20g/cm3 a 1,6g/cm3ou 10,0 a 13,0 lb/gal) a baixas temperaturas (-15°C a 4°C) é a dificuldade de se atingir valores de resistência à compressão adequados à operação. Além do desenvolvimento da resistência à compressão ser muito lento, o valor final obtido a depender do sistema é baixo.

[003]. As formulações tradicionais de pasta leve utilizam estendedores por água que são os aditivos que permitem a adição de água em excesso à pasta sem ocasionar a sedimentação, como as argilas de um modo geral ou silicatos. A mais comumente utilizada é a bentonita que é constituída por montmorilonita de sódio que tem a característica de expandir o seu volume original quando em contato com a água, conferindo à pasta altas viscosidades e gel. Outros estendedores comumente utilizados são aqueles que têm massa específica inferior à massa específica do cimento, como é o caso da terra diatomácea e as microesferas ocas de vidro ou cerâmica.

[004]. As pastas leves com bentonita, porém, apresentam inúmeros inconvenientes, principalmente quando usadas na faixa de temperatura variando de 20°C a 40°C apresentam baixíssimos valores de resistência mecânica.

[005]. Uma opção para superar os problemas citados é a utilização de pastas leves com compacidade otimizada utilizando-se materiais leves, como microesferas ocas de vidro além do cimento. O diferencial desta tecnologia é que a concentração dos componentes minerais que compõe a mistura seca é definida com base na distribuição de partículas dos sólidos constituintes.

[006]. Esta tecnologia já é bem difundida no âmbito da construção civil, e possibilitou a obtenção de pastas leves (0,96g/cm3a 1,44g/cm3, ou 8 a 12 lb/gal) de cimento contendo microesferas com diâmetros médios de partícula em torno de 10 a 100μm, nos quais é utilizada uma razão água/cimento inferior às utilizadas nas pastas leves com os estendedores convencionais. Os sistemas avaliados apresentam boa estabilidade, menor permeabilidade e maior resistência mecânica, porém, apresentam como limitação a pressão de colapso da microesfera que é em torno de 6000 psi (41,37MPa).

[007]. Outra das alternativas conhecidas é o conceito de empacotamento de partículas através do qual é possível a obtenção de uma mistura seca onde os teores dos sólidos são estimados através da distribuição granulométrica de cada componente da mistura seca. A utilização deste princípio possibilitou a obtenção de pastas leves com altas resistências à compressão com valores de 2000 psi (13,79MPa) para uma pasta de 10,5 lb/gal (1,05g/cm3) e de 4000 psi (27,58MPa) para uma pasta com 12,0 lb/gal (1,20g/cm3) com 24 horas de cura a 100°F (38°C). Além disto, os valores de porosidade e de permeabilidade para estes sistemas foram considerados baixos, respectivamente de 20% de porosidade e inferior a 10 microdarcies para a permeabilidade.

[008]. Desta forma, inúmeros estudos vêm sendo efetuados no sentido de se superar os problemas existentes.

[009]. O documento de patente CN101463248 (Fan Y et al), por exemplo, descreve pastas leves de cimento com massas específicas variando entre 12,3 lb/gal (1,47g/cm3) a 12,6 lb/gal (1,50g/cm3) para aplicações em temperaturas baixas. Neste caso também a principal modificação foi na mistura seca, composta por material cimentício com teores entre 45 a 80% por peso de mistura seca, sendo este cimento reativo em baixas temperaturas, de 20-53% de microesferas ocas e dispersante, de 0 a 1%, aditivo intensificador à base de carbonatos (0 a 1%) e razão água/sólidos de 0,7. Com estes sistemas foi possível atingir resistências à compressão iguais ou maiores a 507 psi (3,40MPa) após 8 horas a 5°C, sob pressão atmosférica. Este tipo de mistura seca, quando aplicada a cimentação de poços de petróleo offshore, está propensa à segregação de sólidos devido à variação de densidade de seus componentes durante os processos de transferência entre graneleiros para barcos e para os silos das plataformas, podendo gerar riscos potenciais pelo não atendimento dos requisitos de densidade e de resistência a compressão.

[010]. A patente US 3,891,454 diz respeito a uma composição de cimento hidráulico capaz de ser empregado a baixas temperaturas sem congelar. Tal composição compreende cimento Portland, gipsita, um sal de cloreto monovalente, e um agente de retardo do tempo de pega; onde o cimento Portland está presente nesta composição numa faixa de 15 libras (6,80kg) a 35 libras (15,88kg) por 75 libras (34,02kg) de sólidos secos, onde o percentual de gipsita no cimento Portland varia de 1:1 a 3:1, o sal de cloreto monovalente de 1 libra (0,45kg) a 3,5 libras (1,59kg) por 75 libras (34,02kg) de sólidos secos, e o agente de retardo de cura de 0,01 libras (4,54x10-3kg) a 0,525 libras (0,24kg) por 75 libras (34,02kg) de sólidos secos. Neste caso, o cimento Portland empregado tem alto teor de gipsita, e ainda, há a necessidade de uso de aditivos, o que aumenta o risco de contaminação do meio-ambiente.

[011]. Já o documento US5,472,051 diz respeito a uma composição para cimentação de poços subterrâneos a baixa temperatura. Tal composição compreende um cimento hidráulico, água e um copolímero contendo ácido 2- acrilamido-2-metilpropano sulfônico em uma quantidade variando de 65 a 85% mol e ácido acrílico em uma quantidade variando de 15 a 35% mol, tendo um peso molecular médio de 5000. Novamente, há a necessidade da presença do aditivo, como no documento previamente citado.

[012]. Sendo assim, a técnica ainda necessita de uma composição para cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura, que não apresentem risco de segregação, e sem a presença de aditivos químicos na água, facilitando a operação de mistura de pasta, além de minimizar os riscos de contaminação do meio-ambiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[013]. A presente invenção diz respeito a composições para a cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura (4°C a 27°C), baseadas numa mistura de sólidos micronizados compreendendo 70% em massa de Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V ARI), 20% em massa de CP V ARI micronizado, com 95% das partículas com diâmetro médio inferior a 12μm, e 10% de uma microescória micronizada.

[014]. A composição descrita, ao ser misturada à água em concentrações acima de 80% em massa, gera uma pasta de alta resistência compressiva (acima de 2500psi ou 17,24MPa), sendo bastante leve (densidade inferior a 13,5 lb/gal ou 1,62g/cm3). Pelo fato de ser leve, pode ser empregada em formações onde há um baixo gradiente de fratura.

[015]. Além disso a não utilização de aditivos químicos em sua formulação minimiza os riscos de contaminações ao meio ambiente.

[016]. Ainda, tal composição promove um aumento do suporte estrutural na cabeça dos poços marítimos, resultando em maior capacidade de resistir aos esforços e cargas dinâmicas na cabeça do poço.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[017]. Figura 1 apresentam os resultados encontrados para a aplicação de pasta contendo a composição da presente invenção na condição de pressão de fundo de 1500 psi.

[018]. Figura 2 apresentam os resultados encontrados para a aplicação de pasta contendo a composição da presente invenção na condição de pressão de fundo de 3000 psi.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[019]. De um modo amplo, a invenção trata de composições aplicáveis a cimentação de poços de petróleo a baixas temperaturas, entre 4°C e 27°C.

[020]. Tais composições são baseadas numa mistura de sólidos compreendendo 70% em massa de Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V ARI), 20% em massa de CP V ARI micronizado, com 95% das partículas com diâmetro médio inferior a 12μm, e 10% de uma microescória micronizada.

[021]. O CP V ARI, segundo a Norma NBR 5733, é um cimento que atende às exigências de alta resistência inicial, obtido pela moagem do clínquer portland. Durante a moagem, não é permitida a adição de outra espécie química a não ser uma ou mais formas de sulfato de cálcio.

[022]. Este cimento é um exemplo típico de favorecimento da reação de hidratação apenas por aumento de área específica. A evolução da resistência mecânica é mais rápida, atingindo, no entanto, em tempo médio, a mesma resistência mecânica que o cimento Portland comum correspondente, sem adição de materiais carbonáticos.

[023]. De forma geral, apresenta valores médios aproximados de resistência à compressão acima de 25 Mpa (3626 psi) a 1 dia de idade e de 50 MPa (7252 psi) aos 28 dias de idade a temperatura ambiente, estão bem acima dos valores normativos de 14 MPa, 24 MPa, e 34 MPa para 1,3 e 7 dias respectivamente. O desenvolvimento da resistência à compressão geralmente é conseguido pela utilização de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer, o que por sua vez, resulta em teores mais elevados de alita e de C3A e pela moagem mais fina do cimento. Assim ao reagir com a água, o CP V ARI adquire elevadas resistências, com velocidades maiores.

[024]. O cimento CPV-ARI utilizado na presente invenção apresenta em sua composição um teor de 5% em massa de carbonato de cálcio (CaCO3), e 5% (± 1%) em massa de gipsita (CaSO4.2H20) e superfície especifica variando entre 4200 e 4500cm2/g. A variação no teor de gipsita ocorre em função do ajuste no controle de pega da pasta.

[025]. A microescória micronizada empregada na composição objeto da presente invenção, por sofrer um resfriamento brusco durante sua preparação, possui uma fração vítrea superior a 80% em massa e trata-se de uma adição potencialmente hidráulica constituída basicamente por CaO (entre 38 e 45% em massa), SiO2 (entre 32 e 37% em massa), Al2O3 (entre 10 e 15% em massa), e MgO (entre 3 e 9% em massa), FeO (entre 0,3 a 1,0% em massa).

[026]. No caso específico da microescória micronizada, o diâmetro máximo de partícula deve ser inferior a 6μm.

[027]. Tais composições sólidas quando adicionadas de água na proporção de 80% em massa de água em relação à massa total da mistura, compõe uma pasta capaz de cimentar poços de petróleo, proporcionando uma resistência acima de 2500psi (17,24MPa).

[028]. A correta escolha do tamanhão de partículas influencia diretamente a evolução da hidratação, quando da adição da água a composição sólida, basicamente devido às diferenças de solubilidade e reatividade das fases anidras (sólidos), a finura das partículas e a temperatura.

[029]. A evolução da hidratação em função do diâmetro das partículas se processa da seguinte forma: até 10h são consumidas as partículas de 3μm; até 24h as de 7μm; as maiores do que 45 μm hidratam-se com dificuldade; sendo que as de diâmetro superior a 90 μm não se hidratam.

[030]. Percebe-se que somada à reatividade do cimento, foi acrescentado o efeito positivo da finura dos materiais. No caso da escória, acredita-se também que a sua maior contribuição foi a sua finura e o efeito “filer” que contribuiu para o empacotamento das partículas dos componentes da mistura seca. Além deste aspecto, acredita-se que a utilização da escória na mistura possa contribuir para uma maior durabilidade além da diminuição das emissões de CO2 pela substituição do clínquer.

[031]. Os exemplos a seguir ilustram o preparo e a aplicação das composições objeto da presente invenção em mistura com água para obtenção de uma pasta cimentícia para a cimentação de poços de petróleo à baixa temperatura, sem que os mesmos limitem o escopo da invenção.

EXEMPLOS EXEMPLO 1

[032]. O exemplo a seguir ilustra o preparo de pastas cimentícias contendo a composição objeto da presente invenção.

[033]. Para o preparo das pastas foi necessário determinar as massas específicas correspondentes a cada material, que neste caso foi somente a da água e da composição objeto da presente invenção, aqui indicada como “blend”, por ser esta uma mistura de sólidos. Como houve também a substituição da água destilada por água do mar, foi incluída também a massa específica da água do mar. Esses valores são bem conhecidos e, portanto, não houve a necessidade de sua determinação, ou seja, foram utilizados os valores médios de referência encontrados nas planilhas de cálculo de pasta. No caso do “blend” foi utilizado o picnômetro a Hélio. Neste caso foi determinada a massa específica média referente ao total de 10 lotes de 141 toneladas de “blend” produzidas.

[034]. A Tabela 1 apresenta os dados das massas específicas de cada material e as Tabelas 2 e 3 apresentam os dados das pastas com água doce e água do mar considerando um fator água/“blend” de 0,83. Tabela 1

Tabela 2

Tabela 3

Com os dados do volume de pasta, calcula o rendimento da pasta através da seguinte equação 1:

[035]. Equação 1, onde o volume de pasta está na unidade de galão. Com o cálculo acima se tem, portanto os parâmetros de campo, que estão descritos na Tabela 4, para a preparação das pastas. Tabela 4

[036]. Com o valor do rendimento de cada pasta, calcula-se então a massa de cimento em gramas para um volume de 600 cm3de pasta. Assim, é necessário converter as unidades para as unidades usuais de laboratório para medida da massa (g) e do volume (cm3). Considerando que 1 pé3de blend tem uma massa de 100 gramas, e fazendo-se a conversão de unidades chega-se à equação 2:

[037]. Portanto através da equação obtêm-se as massas de blend para um volume de 600 cm3de pasta conforme descrito na Tabela 5: Tabela 5

EXEMPLO 2

[038]. O exemplo a seguir ilustra as propriedades físicas da pasta cimentícia preparada empregando a composição da presente invenção. Neste caso, os dados foram utilizados de forma comparativa com os dados obtidos para uma pasta pura preparada com o Cimento Portland Classe G na razão água/cimento de 0,44.

[039]. Os resultados encontram-se exibidos nas Tabelas 6 (dados de consistometria, Tabela 7 (dados de água livre), Tabela 8 (propriedades reológicas) e Tabela 9 (Resistência à Compressão com 8 horas de cura (pressão atmosférica). Tabela 6

Tabela 7

Tabela 8

Tabela 9

[040]. Adicionalmente foram realizados em laboratório os testes destrutivos na temperatura de 38°C com 800 psi de pressão, considerando os períodos de cura de 12 horas e de 24 horas e o de estabilidade a 27°C na pressão atmosférica. Os resultados encontram-se exibidos nas Tabelas 10 (resistência à compressão a 38°C e 800psi) e 11 (Estabilidade da pasta). Tabela 10

Tabela 11

OBS: Se a maior diferença de peso específico entre as seções (p fundo para p topo) for > 0.5 lb/gal e/ou o rebaixamento do topo da pasta for > 5 mm, a pasta é dita instável. Estes critérios são válidos para pastas convencionais preparadas com o cimento Portland Classe G. Como trata-se de um material cimentício novo, admite-se que poderia ser aceitável valores maiores de rebaixamento como no caso das pastas contendo microesferas.

EXEMPLO 3

[041]. O exemplo a seguir ilustra testes comparativos com outras formulações típicas de pastas empregadas no início de poço marítimo.

[042]. Para fins comparativos foram utilizadas formulações de pastas típicas para o início de poço marítimo. Para tal foi selecionada uma formulação de 12,2 lb/gal contendo 4% de bentonita, 0,3 gpc de silicato de sódio e 4% de cloreto de cálcio e outra de 15,8 lb/gal, preparada com água destilada e também com água do mar. Inicialmente foram realizados os testes específicos segundo a Norma NBR 9831/2006. A Tabelas 12 apresenta os dados referente as análises de consistometria, a Tabela 13 é referente as análises de água livre na pasta, a Tabela 14 é referente as análises reológicas da pasta e a Tabela 15 apresentam os resultados de Resistência à Compressão com 8 horas de cura à pressão atmosférica. Tabela 12

(1) Em relação ao tempo de espessamento (100 Uc); (2) Requisitos especificados na Norma NBR 9831 (3) Pasta preparada com a mistura seca otimizada (4) Valores médios das últimas bateladas médias (Controle de qualidade) Tabela 13

(2) Requisitos especificados na Norma NBR 9831; (3) Valores médios das últimas bateladas médias (Controle de qualidade). Tabela 14

(1) (lbf/100 pé2) (2) Requisitos especificados na Norma NBR-9831 (3) O modelo de Bingham não se aplicou, pois R2 = 0,50. Foi utilizado o modelo de potência para o cálculo de Vp e LE com R2 de 0,903 Tablela 15

[043]. Posteriormente foi avaliada a resistência das pastas ao ataque ácido. Após o preparo da pasta, quantidades suficientes de amostras foram vertidas para moldes cúbicos, e procedeu-se a cura em banho atmosférico nas temperaturas de 40°F e 80°F por um período de 14 dias. Após um período de 40 minutos de exposição ao ácido, foi monitorada a perda de massa em cada corpo de prova. Foi utilizado o ácido clorídrico (HCl), em concentração de 15% nesta avaliação. Os resultados constam na Tabela 16. Tabela 16

Claims (6)

1. Composição para a cimentação de poços de petróleo a baixa temperatura, caracterizada por compreender uma mistura de sólidos com 70% em massa de Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V ARI); 20% em massa de CP V ARI micronizado, com 95% das partículas com diâmetro médio inferior a 12 μm; e 10% de uma microescória micronizada.

2. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo cimento CP V ARI ter um teor de 5% em massa de carbonato de cálcio (CaCO3), e 5% em massa de gipsita (CaSO4.2H2O).

3. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo CP V ARI possuir superfície específica variando entre 4200 e 4500 cm2/g.

4. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela microescória micronizada possuir uma fração vítrea superior a 80% em massa.

5. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela microescória micronizada ser constituída por: - CaO (entre 38 e 45% em massa); - SIO2 (entre 32 e 37% em massa); - Al2O3 (entre 10 e 15% em massa); - MgO (entre 3 e 9% em massa); - FeO (entre 0,3 a 1,0% em massa).

6. Composição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela microescória micronizada ter diâmetro máximo de partícula inferior a 6 μm.

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