BR112018012695B1 - Composição química para produção de partículas de vidro esféricas ocas com alta resistência compressiva - Google Patents
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Abstract
composição química para produção de partículas de vidro esféricas ocas com alta resistência compressiva. uma partícula de vidro esférica oca compreendendo óxido de alumínio al2o3, dióxido de silício sio2 e pelo menos um óxido de metal, em que o óxido de metal é selecionado do grupo consistindo em óxidos de metal alcalino e óxidos de metal alcalino-terroso, em que a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino é de cerca de 1:1 e a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino terroso é de cerca de 2:1, com a condição de que a partícula de vidro esférica oca seja livre de boro.
Description
[0001] A invenção se refere a uma partícula de vidro esférica oca.
[0002] Além disso, a invenção refere-se a uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas.
[0003] Além disso, a invenção se refere a um material de enchimento compreendendo uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas.
[0004] Além disso, a invenção refere-se a um uso do material de enchimento acima mencionado em espumas sintáticas de matriz de metal.
[0005] Além disso, a invenção se refere a uma espuma sintática de matriz de metal que compreende o enchimento acima mencionado.
[0006] Além disso, a invenção se refere a um método para a produção de partículas de vidro esféricas ocas.
[0007] A invenção também se refere a uma formulação que compreende um ligante inorgânico e o enchimento acima mencionado.
[0008] Além disso, a invenção se refere a uma formulação compreendendo um ligante orgânico e o enchimento acima mencionado.
[0009] Outro aspecto da invenção é um uso do enchimento acima mencionado em aplicações acústicas, aplicações de isolamento de calor, massas de autonivelamento, argamassas de reparo, concreto de peso leve, concreto resistente a congelamento-descongelamento, revestimentos isolantes e/ou amortecedores de som e vibração.
[00010] Além disso, a invenção refere-se a um uso do enchimento acima mencionado no desenvolvimento, exploração e/ou completação de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneos e em perfurações profundas.
[00011] Além disso, a invenção se refere a um uso da formulação acima mencionada no desenvolvimento, exploração e/ou completação de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneos e em perfurações profundas.
[00012] Partículas de vidro esféricas ocas, também conhecidas no estado da técnica como "microesferas de vidro sintéticas"ou "microbolhas de vidro" ou "microesferas de vidro", tipicamente, têm baixa gravidade específica, resistência ao calor satisfatória, propriedades de isolamento térmico, resistência à pressão (por exemplo, resistência ao esmagamento) e resistência ao impacto, e podem atingir propriedades físicas superiores em comparação com enchimentos convencionais. Cada partícula de vidro esférica oca tem uma forma essencialmente esférica e um vazio interno essencialmente esférico.
[00013] Devido às suas propriedades vantajosas as microesferas de vidro esféricas ocas são utilizadas numa variedade de áreas e aplicações. Por exemplo, as microesferas de vidro esféricas ocas são utilizadas como enchimentos de peso leve para materiais compósitos poliméricos de diferentes tipos ou em tecnologia criogênica, para a fabricação de materiais isolantes acústicos e térmicos ou como alvos para síntese termonuclear a laser. Uma visão geral sobre o estado da técnica em relação ao uso, às propriedades e à tecnologia das partículas de vidro esféricas ocas pode ser encontrada, por exemplo, em "Hollow glass microspheres. Use, properties and technology (Review)" por V.V. Budov em Science in Glass Production, Glass and Ceramics, Julho de 1994, Volume 51, Edição 7, págs 230-235.
[00014] Vários métodos para a produção de partículas de vidro esféricas ocas também foram desenvolvidos e estão descritos na técnica anterior. Métodos iniciais para a fabricação de microesferas de vidro ocas envolveram, por exemplo, combinar silicato de sódio e ácido bórico com um agente de formação de espuma adequado, secar (por exemplo, num secador por pulverização) ou esmagar a mistura com ingredientes de adição (por exemplo, num moinho de bolas com uma suspensão de água, argila de porcelana, feldspato, metacaulim, silicato de sódio e/ou silicato de potássio, zeólitos, carbonato de sódio e/ou carbonato de potássio e/ou carbonato de cálcio e/ou carbonato de magnésio, hidróxido de alumínio etc.), ajustar o tamanho das partículas esmagadas e secar a mistura em um secador por pulverização, a fim de alcançar grânulos. Subsequentemente, os grânulos são disparados. A temperatura de queima atinge valores de entre cerca de 1200°C e 1800°C.
[00015] A Patente US 7.666.505 B2 descreve partículas de vidro esféricas ocas compreendendo aluminossilicato e métodos de preparação das mesmas. As microesferas de vidro esféricas ocas nela descritas compreendem 5,2% em peso a 30% em peso de óxido de cálcio e mais que 4% em peso a menos que cerca de 10% e peso de óxido de sódio, em que as microesferas têm um teor de óxido de metal alcalino total de menos que cerca de 10% em peso. Além disso, a Patente US 7.666.505 B2 descreve a presença de percentagem de resultados de óxido de sódio relativamente elevada em uma durabilidade química pobre das partículas de vidro esféricas ocas.
[00016] A Patente US 09/858.571 (Pub. No: US 2001/0043996 A1) e o Pedido de Patente US 14/440.249 (Publicação US 2015/0315075 A1) descrevem microesferas esféricas ocas de aluminossilicato e processos para a sua produção. A durabilidade mecânica destas microesferas é maior devido ao trióxido de boro (B2O3). No entanto, como descrito acima, a presença de boro que podem levar a compostos de boro tóxicos é indesejável. Além disso, a presença de trióxido de boro reduz a temperatura de fusão das microesferas.
[00017] O objetivo da presente invenção é proporcionar uma composição química livre de boro para a produção de partículas de vidro esféricas ocas e materiais que compreendem tais partículas com uma elevada durabilidade mecânica e elevada temperatura de fusão.
[00018] De acordo com a invenção, este objetivo é obtido proporcionando partículas de vidro esféricas ocas compreendendo óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de silício (SiO2) e pelo menos um óxido de metal, em que o óxido de metal é selecionado do grupo que consiste em óxidos de metais alcalinos e óxidos de metais de alcalinos-terrosos, em que a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino é de cerca de 1:1 e a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino-terroso é de cerca de 2:1, com a condição de que a partícula de vidro esférica oca seja livre de boro. Isto significa que, se apenas um óxido de metal estiver presente na partícula de vidro esférica oca, então pode ser qualquer óxido de metal alcalino ou óxido de metal alcalino-terroso. A razão de átomos de alumínio para átomos de metal é cerca de 1:1, se o metal for um metal alcalino, e é cerca de 2:1, se o metal for um metal alcalino-terroso. Se ambos os átomos de metal alcalino e os átomos de metal alcalino-terroso estiverem presentes na mistura resultante, a quantidade dos átomos de alumínio deve ser tal que para cada átomo de metal alcalino exista aproximadamente um (primeiro) átomo de alumínio e para cada átomo de metal alcalino-terroso existam aproximadamente dois (segundo) átomos de alumínio, o que significa que, se um átomo de alumínio corresponde a um átomo de metal alcalino, ele não pode corresponder a outro átomo de um metal alcalino ou alcalino-terroso. Ou seja, se houver, por exemplo, um átomo de um metal alcalino e um átomo de metal alcalino-terrosa na mistura resultante, deve haver três átomos de alumínio na mistura resultante, bem como (um átomo de alumínio por um átomo de metal alcalino e dois átomos de alumínio para átomo de metal alcalino-terroso).
[00019] De um modo vantajoso, a partícula de vidro esférica oca compreende óxido de sódio. É geralmente entendido a partir do estado da técnica que a adição de óxido de sódio reduz a estabilidade química da partícula de vidro esférica oca. No entanto, de acordo com a presente invenção, a presença de óxido de sódio e em geral óxidos de metais alcalinos, tais como o óxido de potássio, ou óxidos de metais alcalinos-terrosos (tais como o CaO e/ou MgO) numa proporção certa pode aumentar surpreendentemente a robustez mecânica (80% de resistência ao esmagamento) da partícula de vidro esférica oca. No estado da técnica, a estabilidade mecânica (80% de resistência ao esmagamento) da partícula de vidro esférica oca é geralmente fornecida através da adição de alguns compostos de boro. De acordo com a presente invenção, no entanto, não é necessária nenhuma adição de tais compostos, potencialmente tóxicos.
[00020] Numa modalidade preferida da invenção, a partícula de vidro esférica oca compreende entre cerca de 32% em peso e cerca de 40% em peso, de preferência cerca de 36% em peso de Al2O3, entre cerca de 38% em peso e cerca de 46% em peso, de preferência cerca de 42% em peso de SiO2 e entre cerca de 18% em peso e cerca de 26% em peso., de preferência cerca de 22% em peso de pelo menos um óxido de metal alcalino.
[00021] Em outra modalidade preferida da invenção, a partícula de vidro esférica oca compreende preferencialmente entre cerca de 18% em peso e cerca de 26% em peso, de preferência cerca de 22% em peso de uma mistura de K2O e Na2O. A razão de % em peso entre os óxidos de sódio e potássio pode ser escolhida de forma arbitrária. Em vez de ou em adição ao óxido de potássio de um óxido de lítio Li2O pode ser escolhido também. Sem ser desejado estar ligado a uma determinada teoria, entende-se que, devido à mistura de pelo menos dois óxidos de metais alcalinos (por exemplo de K2O e Na2O) um chamado efeito misto-alcalino é alcançado, o que, por exemplo, faz com que as partículas de vidro esféricas ocas sejam quimicamente mais estáveis.
[00022] Em outras modalidades, a partícula de esférica oca tem um diâmetro de partícula de entre cerca de 10 e cerca de 600 mícrons, de preferência de entre cerca de 90 e cerca de 500 mícrons.
[00023] Além disso, pode ser fornecido que a partícula de vidro esférica oca tem um diâmetro de partícula de entre cerca de 100 e cerca de 400 mícrons.
[00024] Como será demonstrado pelos exemplos apresentados a seguir, as partículas de diferentes tamanhos podem ter diferentes resistências ao esmagamento de 80%. De um modo geral e, especialmente, no âmbito da presente invenção entende-se que "resistência ao esmagamento de 80%" refere-se a uma pressão na qual, essencialmente, cerca de 20% das partículas são destruídas, isto é, perdem a sua forma essencialmente esférica.
[00025] Em uma modalidade preferida pode ser fornecido que a partícula de vidro esférica oca tem uma resistência ao esmagamento de 80% de pelo menos 10.000 psi, de um modo mais preferido, pelo menos, 12.500 psi, especialmente pelo menos 15.000 psi. As partículas desta invenção foram submetidas a um teste de resistência à compressão isostática em um aparelho de medição de resistência ao esmagamento (POREMASTER 60 GT por Quantachrome Istruments). É importante notar que nenhum endurecimento (endurecimento químico, endurecimento de temperatura ou outro tipo de endurecimento) das partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a invenção foi realizado antes do teste de compressão isostática acima mencionado. Tipicamente, um revestimento de silano é adicionado às partículas de vidro esféricas ocas convencionais antes do teste de resistência à compressão isostática, a fim de aumentar a sua resistência ao esmagamento de 80%.
[00026] Além disso, em outras modalidades, a partícula de vidro esférica oca tem a temperatura de fusão de pelo menos 1200°C.
[00027] De acordo com a invenção, o objetivo também é alcançado por meio de uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas, tal como aqui descrito. Em modalidades preferidas, a pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas tem uma densidade verdadeira, ou seja, a densidade das partículas que compõem um pó ou de partículas sólidas, de entre cerca de 0,4 g/cm3e cerca de 0,8 g/cm3, mais preferencialmente de entre cerca de 0,45 g/cm3e cerca de 0,75 g/cm3, mais preferencialmente uma densidade verdadeira de entre cerca de 0,5 g/cm3e cerca de 0,6 g/cm3.
[00028] De acordo com a invenção, o objetivo é também alcançado por meio de uma espuma sintática de matriz de metal que compreende um enchimento, em que o enchimento compreende uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a invenção, em que o metal na matriz de metal de espuma sintática é liga de alumínio ou alumínio.
[00029] Espumas sintáticas de matriz de metal, também conhecidas como "materiais de metal sintático"(ver, por exemplo, Patente US 9.096.034 B2) ou "espumas sintáticas de metal" (ver, por exemplo, Patente US 8.815.408 B1), são conhecidos do versado na técnica principalmente devido à sua resistência excepcionalmente alta.
[00030] Existem diferentes materiais conhecidos na técnica que podem ser usados como enchimento em tais espumas. A Patente US 9.096.034 B2 descreve microesferas de cerâmica, como um enchimento. Na Patente US8.815.408 B1 cascas metálicas ocas são utilizadas para fins de enchimento.
[00031] Assim, de acordo com a presente invenção, uma espuma sintática de matriz de metal de alumínio é fornecida por mistura de alumínio derretido ou liga de alumínio com a sua temperatura de fusão de entre cerca de 600°C e cerca de 700°C, e uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a invenção e aqui descrito. Em contraste com as partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a invenção, as partículas de vidro esféricas ocas convencionais têm uma resistência ao esmagamento relativamente elevada e uma baixa temperatura de fusão ou resistência ao esmagamento relativamente baixa e uma temperatura de fusão elevada.
[00032] Além disso, a invenção se refere a um método para a produção de partículas de vidro esféricas ocas compreendendo as etapas seguintes:
[00033] Etapa 1: Misturar ingredientes contendo um ou mais dos seguintes compostos químicos: argila de porcelana, feldspato, carbonato de potássio, zeólitos, hidróxido de alumínio, silicato de potássio ou sódio, porcelana, de modo que átomos de alumínio, átomos de silício, átomos de metal alcalino e/ou metal alcalino-terroso estejam presentes na mistura resultante e de modo que uma razão atômica de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino seja de cerca de 1:1 e a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino-terroso seja de cerca de 2:1 e mantendo a mistura longe de outros compostos químicos, de modo que quantidade total dos outros compostos químicos não ultrapasse 3 a 4% em peso. Se ambos os átomos de metal alcalino e os átomos de metal alcalino-terroso estiverem presentes na mistura resultante a quantidade dos átomos de alumínio deve ser tal que para cada átomo de metal alcalino exista aproximadamente um (primeiro) átomo de alumínio e para cada átomo de metal alcalino-terroso, existam aproximadamente dois (segundo) átomos de alumínio e os diferentes átomos de alumínio correspondem a diferentes átomos de metal alcalino ou alcalinos-terrosos. Ou seja, se houver, por exemplo, um átomo de metal alcalino e um átomo de metal alcalino-terroso na mistura resultante, deve haver três átomos de alumínio na mistura resultante, bem como (um átomo de alumínio para um átomo de metal alcalino e dois átomos de alumínio para um átomo de metal alcalino terroso).
[00034] Numa modalidade preferida, a mistura é concebida de tal forma que a razão atômica de alumínio, silício e ou átomos de sódio ou de potássio ou ambos átomos de sódio e potássio de cerca de 1:1:1, ou seja AAl:Si:(Na+K)=1:1:1. Em outra modalidade preferida, a mistura é concebida de tal forma que a razão atômica de alumínio, de silício e ou de átomos de cálcio ou de magnésio, ou ambos os átomos de cálcio e de magnésio de cerca de 2:2:1, ou seja, A Al:Si:(Ca+Mg)=2:2:1. Em outra modalidade preferida, a mistura é concebida de tal forma que a razão atômica de alumínio, silício e átomos de sódio ou de potássio ou ambos os átomos de sódio e de potássio de cerca de 1:1:1, ou seja, AAl:Si:(Na+K)=1:1:1 e a razão atômica de alumínio, de silício ou de átomos de cálcio ou de magnésio ou ambos átomos de cálcio e de magnésio de cerca de 2:2:1, ou seja, AAl:Si:(Ca+Mg)=2:2:1. É para ser entendido que um versado na técnica pode calcular a % em peso dos compostos químicos das razões atômicas fornecidas.
[00035] Etapa 2: Misturar e mesclar a mistura com água a fim de alcançar mistura de capacidade de fluxo suficiente;
[00036] Etapa 3: Secar por pulverização, por exemplo, em um secador de pulverização, a mistura de capacidade de fluxo suficiente a uma temperatura de secagem padrão, por exemplo, de cerca de 150 a 400°C, a fim de alcançar uma mistura seca compreendendo partículas tendo um tamanho médio de cerca de 80 a 400 mícrons e umidade de pelo menos cerca de 1% e, no máximo, 10%;
[00037] Etapa 4: Alimentar uniformemente a mistura seca para um dispositivo de aquecimento, de modo que a mistura seca caia através do dispositivo de aquecimento por pelo menos cerca de 1 segundo e, no máximo, cerca de 10 segundos (em uma queda livre), enquanto a temperatura no dispositivo de aquecimento é mantida entre cerca de 1.500°C e cerca de 1.800°C. Após alimentação uniforme da mistura seca através do dispositivo de aquecimento por um tempo entre cerca de 1 e cerca de 10 segundos, enquanto a temperatura no dispositivo de aquecimento é mantida entre cerca de 1.500°C e cerca de 1.800°C, partículas de vidro esféricas ocas são obtidas. Uma alimentação uniforme da mistura seca pode ser alcançada através da alimentação das partículas (da mistura seca) para o dispositivo de aquecimento em alguma taxa constante. É para ser entendido que esta taxa pode variar dependendo, por exemplo, da geometria e do tamanho do dispositivo de aquecimento. Vários dispositivos de aquecimento podem ser utilizados para este fim. Por exemplo, o dispositivo de aquecimento pode ser concebido como um forno de tubo convencional e um tubo de grafite como um elemento de aquecimento, em que o argônio pode ser usado como um gás protetor para proporcionar um ambiente protegido no forno. Pode-se também utilizar outros dispositivos de aquecimento que, por exemplo, compreendem um elemento de aquecimento feito de dispositivos de liga de molibdênio ou de silício de liga de molibdênio ou de aquecimento, com o aquecimento por indução.
[00038] O termo "capacidade de escoamento suficiente", como aqui utilizado, significa que a fluidez da mistura é ajustada de modo a permitir a secagem por pulverização da mistura. O versado na técnica é capaz de escolher uma fluidez adequada da mistura com base no seu conhecimento comum e/ou através de experimentação de rotina.
[00039] Numa modalidade preferida do método, as partículas de vidro esféricas ocas podem ser coletadas em cerca de 50 cm abaixo da fornalha.
[00040] Numa modalidade preferida do método de acordo com a presente invenção compreende uma etapa de moagem da mistura, por exemplo, num moinho de bola, a fim de alcançar um pó moído, de tal modo que um tamanho médio de partículas no pó moído é de no máximo cerca de 5 mícrons, em que a moagem da mistura é realizada depois da Etapa 2 e antes da Etapa 3.
[00041] Outro aspecto da invenção é uma formulação que compreende um ligante inorgânico e um agregado leve na forma de um enchimento, tal enchimento compreende uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a presente invenção. Tais formulações podem ser usadas, por exemplo, no desenvolvimento, exploração e/ou completação de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneos e em perfurações profundas. De preferência, tais formulações podem ser usadas na cimentação de poço e/ou lamas de perfuração. Por exemplo, cimentação dos poços de petróleo e de gás podem servir as seguintes finalidades: • alcançar ligação tubulação-rocha; • proteger a tubulação e as formações produtivas; • vedar formações problemáticas antes de perfuração adicional; • proteger as zonas de alta pressão de explosões; • fornecer suporte para o revestimento; • proteger tubulações de corrosão; • vedar para proteger de picos de pressão durante perfuração adicional.
[00042] Algumas das técnicas de cimentação conhecidas são: 1. Cimentação de revestimento de estágio único que é chamada técnica de deslocamento normal; 2. Cimentação de múltiplos estágios utilizada para poços com um gradiente de fratura crítico ou se a cimentação detalhada da última coluna de revestimento é necessária; 3. Cimentação de coluna interna através de um tubo de perfuração (para colunas de grande diâmetro); 4. Cimentação de múltiplas colunas (para colunas de pequeno diâmetro); 5. Cimentação de circulação reversa para formações críticas; 6. Cimentação de sedimentação atrasada para formações críticas e para melhorar a colocação; 7. Cimentação externa ou anular através de tubos para tubos de condutor ou outros tubos de grande diâmetro.
[00043] Entre os métodos acima mencionados, os métodos que são mais frequentemente utilizados são a cimentação de único estágio e de múltiplos estágios. Comparando com a cimentação de múltiplos estágios, a cimentação de estágio único é mais fácil de executar: exige menos equipamentos, materiais e mão de obra. As vantagens da cimentação de único estágio incluem, por exemplo, um tempo de cimentação mais curto devido a uma falta do segundo estágio e menos tempo de espera em cimento. A simplicidade da técnica conduz a menores riscos de falha de equipamento e erros por parte do pessoal. Isso faz com que a cimentação de estágio único seja uma alternativa mais atraente.
[00044] No entanto, a resistência das formulações do estado-da-técnica representa um problema. Os poços são geralmente cimentados com a pasta de cimento de uso. O cimento Portland contendo vários tipos de microesferas de vidro incluindo vidro artificial, cerâmica ou polímero, produtos de cinzas voadoras, chamados de microesferas de aluminossilicato de cinza (cenosferas) como agregado leve é amplamente usado como o material de base de tamponamento para preparar pasta de cimento de peso leve. A principal desvantagem dos sistemas de peso leve à base de cimento Portland contendo microesferas para cimentação de revestimento de estágio único é uma profundidade limitada na qual este tipo de pasta de cimento pode ser usado. Isto é principalmente ligado à resistência à casca de peso leve de microesferas de alumino de cinza - o principal componente de peso leve mais utilizado de pastas de cimento. De acordo com as experiências realizadas em TyumenNIIgiprogas LLC (ver referência abaixo) e o departamento de tamponamento da matriz Tyumenburgaz uma pressão da suspensão de água em excesso de 20 a 40 MPa (a pressão na profundidade de 1.500 a 3.000 m, onde a grande maioria de depósitos de petróleo e gás estão localizados) conduz à destruição e sedimentação de 30 a 50% do padrão de indústria (por exemplo, cenosferas). Algumas microesferas entram em colapso com desfragmentação das partículas em fragmentos separados, enquanto a maioria das microesferas desenvolvem microfissuras na superfície. Isto significa que, a pressões elevada, estas microesferas não são destruídas, mas as suas cavidades são cheias com fluido de reboco através de microfissuras levando a sedimentação das partículas. A pasta aumenta a sua densidade e cria um risco de espessamento prematuro de pasta de cimento, perda de circulação e não levantamento da pasta de peso leve à boca do poço (ver, por exemplo, R.R. Lukmanov et al. Method of Predicting Changes in Properties and Prevention of Complications during Well Cementing Using Cement Slurries with Microspheres. Scientific-Technical Journal “Construction of Oil and Gas Wells On Land and Offshore”. 2005 N8 págs. 38-42). Uma formulação que compreende partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a presente invenção é mais forte do que as formulações do estado-da-técnica conhecidas e pode ser utilizada nas profundidades inferiores.
[00045] Numa modalidade preferida da formulação de acordo com a presente invenção compreende de 5 a 150% em peso, de preferência 10 a 80% em peso, do enchimento de acordo com a presente invenção, com base no peso seco do ligante inorgânico.
[00046] Vantajosamente, o ligante inorgânico é selecionado a partir de cimento, de gesso e/ou um ligante geopolimérico.
[00047] Numa modalidade preferida, a formulação está na forma de uma dispersão aquosa ou de uma espuma à base de água ou seca.
[00048] Uma modalidade preferida da presente invenção se refere ao uso da formulação de acordo com a presente invenção e/ou do enchimento de acordo com a presente invenção em cimentação de poço e/ou de lamas de perfuração.
[00049] A invenção é adicionalmente explicada pelos seguintes exemplos não limitativos descrevendo um método para a produção de partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a invenção e de uma formulação que compreende um ligante inorgânico e o enchimento de acordo com a presente invenção que pode ser utilizado no desenvolvimento, na exploração e/ou na completação de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneos e em perfurações profundas e de preferência na cimentação de poço e/ou de lamas de perfuração.
[00050] A Fig. 1 mostra uma imagem microscópica das partículas de vidro esféricas ocas de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção.
[00051] A Fig. 2 mostra um teste de porosidade de mercúrio realizada em partículas de vidro esféricas ocas de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção.
[00052] A Fig. 3 mostra os testes de resistência à compressão de pastas de cimento.
[00053] A Fig. 4 mostra a reologia de pastas de cimento.
[00054] Três amostras foram preparadas por mistura dos ingredientes que contêm óxido de alumínio Al2O3, óxido de sódio Na2O, dióxido de silício SiO2 e óxido de potássio K2O (por exemplo a mistura resultante pode compreender argila de porcelana, feldspato, carbonato de potássio, zeólitos, hidróxido de alumínio, de potássio ou silicato de sódio, porcelana), a fim de atingir uma razão atômica de alumínio, silício e ou átomos de sódio ou potássio ou ambos os átomos de sódio e de potássio de cerca de 1:1:1, ou seja, AAl:Si(Na+K)=1:1:1. Isto significa que para cada átomo de Al existe essencialmente um átomo de Si e, essencialmente, um átomo de Na ou K na mistura. Para dois átomos de Al existem dois átomos de Si e, ou, essencialmente, um átomo de Na e essencialmente, um átomo de K ou essencialmente dois átomos de Na ou essencialmente dois átomos de K. Em particular, neste exemplo, a mistura continha cerca de 36% em peso de Al2O3, de cerca de 42% em peso de SiO2, cerca de 21% em peso de Na2O e cerca de 1% de K2O. Dependendo da pureza destes ingredientes pode haver impurezas, ou seja, outros compostos químicos, presentes. No entanto, a quantidade total de impurezas (outros compostos químicos) não deve ser superior a 3-4% em peso.
[00055] Depois de se misturar os ingredientes acima, a mistura pode ser moída num moinho de bolas, de modo a atingir um tamanho médio de partículas de, no máximo, cerca de 5 mícrons. A moagem pode ser seca ou molhada e pode ser omitida se o tamanho de partícula não tiver que ser ajustado. Em seguida, a mistura foi ainda misturada com água e misturou- se, a fim de se obter fluidez suficiente para a secagem por pulverização subsequente. Após secagem num secador por pulverização a uma temperatura de cerca de 150-250°C, um pó com grânulos (partículas) que tem um tamanho médio de cerca de 80-400 micrômetros foi obtido. Os grânulos foram então separados de acordo com o seu tamanho em três frações: Fração 1: cerca de 80-140 mícrons; Fração 2: cerca de 140-200 mícrons; e Fração 3: cerca de 200-400 mícrons; todas as frações tendo um teor de, pelo menos, cerca de 1% e no máximo 10% de umidade. Após a etapa de separação, cada fração foi alimentada para um forno de tubo com o aquecimento por indução a uma velocidade de cerca de 1 grama/min. Um tubo de grafite foi utilizado como um elemento de aquecimento e o argônio foi utilizado como gás protetor para proporcionar um ambiente protegido no forno. A temperatura no forno foi de entre cerca de 1500° e cerca de 1800°C. O tempo de residência das partículas no forno foi de pelo menos 1 segundo. Após o processamento das respectivas frações 1, 2 e 3 de grânulos, no forno tubular, as partículas de vidro esféricas ocas resultantes foram coletadas 50 cm abaixo do forno.
[00056] Como resultado, obtiveram-se três tipos de partículas de vidro esféricas ocas. As suas propriedades estão resumidas abaixo. Tipo 1 (resultante da Fração 1): As partículas de vidro esféricas ocas do primeiro tipo têm uma cor essencialmente branca e apresentam uma densidade aparente de cerca de 0,43 g/cm3, uma densidade verdadeira de cerca de 0,75 g/cm3, um diâmetro de partícula de entre cerca de 100 mícrons e cerca de 150 mícrons, uma temperatura de fusão de cerca de 1.200°C e uma resistência ao esmagamento de 80% de cerca de 15.000 psi (100Mpa). Tipo 2 (resultante da Fração 2): As partículas de vidro esféricas ocas do segundo tipo têm uma cor essencialmente branca e apresentam uma densidade aparente de cerca de 0,38 g/cm3, uma densidade verdadeira de cerca de 0,6 g/cm3, um diâmetro de partícula de entre cerca de 150 mícrons e cerca de 200 mícrons, uma temperatura de fusão de cerca de 1.200°C e uma resistência ao esmagamento de 80% de cerca de 12.500 psi (85Mpa). Tipo 3 (resultante da Fração 3): As partículas de vidro esféricas ocas do terceiro tipo têm uma cor essencialmente branca e apresentam uma densidade aparente de cerca de 0,32 g/cm3, uma densidade verdadeira de cerca de 0,5 g/cm3, um diâmetro de partícula entre cerca de 200 mícrons e cerca de 400 mícrons, uma temperatura de fusão de cerca de 1.200°C e uma resistência ao esmagamento de 80% de cerca de 10.000 psi (70MPa).
[00057] De um modo geral e, especialmente, no âmbito da presente invenção entende-se que a densidade aparente não é uma propriedade intrínseca das partículas de vidro esféricas ocas e pode essencialmente alterar ligeiramente dependendo de como as partículas são tratadas. Dentro do âmbito da presente invenção as partículas de vidro esféricas ocas tem uma densidade aparente compreendida entre cerca de 0,3 g/cm3e cerca de 0,45 g/cm3.
[00058] A Fig. 1 mostra uma imagem microscópica das partículas de vidro esféricas ocas do exemplo acima, em que os grânulos não foram separados de acordo com o seu tamanho. Portanto, todos os três tipos (Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3) das partículas de vidro esféricas ocas estão representados na Fig. 1. O tamanho mínimo (diâmetro) das partículas de vidro esféricas ocas da Fig. 1 é de cerca de 100 mícrons, o tamanho máximo (diâmetro) é de cerca de 400 mícrons.
[00059] A Fig. 2 mostra um ensaio de porosidade de mercúrio realizado em partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 com um diâmetro médio de cerca de 150 mícrons (linha sólida) e em cenosferas produzidas por ENVIROSPHERES PTY LTD (E-Spheres) com aproximadamente o mesmo diâmetro médio (linha tracejada). O teste foi realizado usando prensa isostática Quantachrome descrita acima no laboratório Quantachrome, Munique, Alemanha. A Fig. 2 mostra que uma pressão de 200400 bar (20-40 MPa) faz com que praticamente nenhuma destruição de partículas de vidro esféricas ocas de tipo 2, mas leva à destruição de 50% do volume de cenoesfera, o que faz com que as partículas de vidro de esféricas ocas de Tipo 2 sejam um material melhor, por exemplo, para uso como um agregado leve em um agente de ligação na cimentação de poço de estágio único.
[00060] De modo a formular uma pasta de cimento com uma densidade inferior a 15 libras por galão (ppg) um enchimento, por exemplo, na forma de esferas ocas, pode ser utilizado para reduzir o peso da pasta. Neste exemplo foram utilizados dois tipos diferentes de esferas ocas como um enchimento: partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção e esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M). A dosagem das partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção com uma gravidade específica de 0,6 g/mL pode variar de 20% em peso do cimento (bwoc) até 150% em peso de cimento. Uma dosagem típica das esferas ocas (por exemplo, esferas padrão da indústria ou (qualquer tipo das) as partículas de vidro esféricas ocas de acordo com a presente invenção) seria na faixa de 20 - 80% em peso de cimento.
[00061] A fim de criar uma pasta de cimento com 11 ppg densidade de 700 g de API classe G cimento é misturado com 700 g de água e 2 g (= 2% bwoc) de bentonita com uma Warring Blender Type de acordo com a API prática recomendada de 10B em alta velocidade . A bentonita aumenta a viscosidade da pasta de cimento e, assim, impede a separação da pasta de cimento. Após mistura de 350 g de esferas ocas (= 50% bwoc) - neste exemplo, as esferas padrão da indústria as partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção - são adicionadas à pasta de cimento misturada e suavemente homogeneizadas com uma espátula.
[00062] A densidade da pasta de cimento contendo (qualquer tipo de) esferas ocas é geralmente medida com uma balança de lama pressurizada. Em seguida, a pasta é colocada numa autoclave e pressão de nitrogênioé aplicada durante 5 minutos. Após a descompressão da autoclave, a densidade da pasta de cimento é medida de novo. A densidade permanece inalterada no caso de as esferas ocas suportarem a pressão. A densidade aumenta no caso de as esferas ocas serem esmagadas pela pressão.
[00063] Neste exemplo várias pressões foram aplicadas em amostras de pasta de cimento compreendendo ou as esferas padrão da indústria ou as partículas de vidro esféricas ocas de Tipo2 de acordo com a presente invenção e preparadas como descrito acima. Os testes com cada pressão foram realizados individualmente. As pressões aplicadas foram de 5.000 psi, 6.000 psi, 10.000 psi, 12.000 psi e 16.000 psi.
[00064] A Figura 3 mostra os resultados destes testes. A pasta de cimento contendo as partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção suporta uma pressão de 16.000 psi sem aumento da densidade (ADF S-Spheres S-150, linha tracejada na Figura 3). Esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M) foram testadas em comparação A densidade da pasta de cimento contendo as esferas padrão da indústria aumentou continuamente com cada pressão testada. A 16.000 psi a densidade da pasta de cimento contendo as esferas padrão da indústria aumentou para cerca de 11% (Bolhas de vidro 3M S60, linha tracejada na Figura 3). A densidade da pasta de cimento pura, sem quaisquer esferas ocas não se altera com a pressão e é mostrada na Figura 3, como uma comparação (linha sólida na Figura 3).
[00065] As mesmas amostras que no Exemplo 3, foram preparadas para testes de resistência à compressão. Em seguida, a reologia é medida de acordo com a API RP 13B.
[00066] A Figura 4 mostra que as partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção apenas moderadamente aumentam a viscosidade da pasta de cimento puro, sem quaisquer esferas ocas (esferas ocas ADF S-150, linha tracejada na Figura 4), enquanto que as esferas padrão da indústria (esferas ocas 3M S60, linha pontilhada na Figura 4) aumentam fortemente a viscosidade da pasta de cimento. Pastas de cimento de alta viscosidade requerem aditivos adicionais, tais como dispersantes para ajustar as suas propriedades de bombeamento.
[00067] Comparação de partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção com esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M).
[00068] As partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção e as esferas padrão da indústria convencionais têm aproximadamente a mesma densidade específica de cerca de 0,6 g/cm3. É por isso que para uma redução de densidade definida de uma pasta de cimento, aproximadamente, é necessária a mesma quantidade de esferas ocas.
[00069] Contudo, a densidade aparente difere fortemente. As partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2, de acordo com a presente invenção possuem uma densidade aparente de 0,48 g/cm3, enquanto as esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M) têm densidade aparente de 0,30 g/cm3. A baixa densidade aparente é uma desvantagem, devido ao grande espaço necessário para o armazenamento por exemplo em uma plataforma de petróleo offshore.
[00070] As partículas de vidro ocas esféricas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção também apresentam excelentes propriedades de fluidez como um pó, sem qualquer formação de poeira. As esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M) formam agregados, o que faz com que o pó caia como farinha e crie pó pesado.
[00071] As partículas de vidro esféricas ocas de Tipo 2 de acordo com a presente invenção exibem uma resistência à compressão de mais de 16.000 psi em uma pasta de cimento com apenas uma espessura da casca de cerca de 8 mícrons e um diâmetro de partícula de 150 mícrons. As esferas padrão da indústria (S 60, vidro de borossilicato, 3M) com uma resistência à compressão de cerca de 10.000 psi têm uma espessura da casca de cerca de 3 mícrons, e um diâmetro de cerca de 30 mícrons.
[00072] As propriedades de cimento e de pasta foram testadas em amostras de uma pasta de cimento padrão (Cimento API Classe G) e diferentes misturas de pastas, incluindo aditivos de peso leve. As pastas de cimento incluindo aditivos foram misturadas para ter uma densidade comum. Todas as amostras foram preparadas no laboratório da cadeira de Drilling and Completion Engineering na Montan Universitat em Leoben, Áustria e testadas quanto à sua reologia de acordo com os padrões da indústria.
[00073] Quatro pastas de cimento diferentes foram misturadas de acordo com as composições listadas na Tabela 1, seguindo API RP 10B-2.
[00074] Seis lotes diferentes de cada tipo de amostra (A, B, C, D) foram preparados e testados adicionalmente. Al -A6 correspondem aos lotes de tipo A, B1 - B6 correspondem aos lotes de tipo B, C1 - C6 correspondem aos lotes de tipo C e D1 - D6 correspondem aos lotes de tipo D (conforme Tabela 3).
[00075] Dois lotes de cada tipo de pasta de cimento foram preparados e medidos com um equilíbrio de lama pressurizado ("Tru- Wate") de acordo com API RP 10B-2. Além disso, a Tabela 3 também lista as temperaturas das pastas de cimento durante as medições de densidade.
1Propriedades medidas para amostras A1-A3, B1-B3, C1C3, D1-D3. 2Propriedades medidas para as amostras A4-A6, B4-B6, C4-C6, D4-D6.
[00076] As reologias da passa de cimento foram medidas usando um viscosímetro Modelo Chandler de múltiplas velocidades 3500 seguido de API RP 10B-2. A Tabela 4 lista leituras de marcação para cada configuração de velocidade de rotação, do tipo de amostra, e lote. A viscosidade Newtoniana aparente, μα, pode ser calculada em centipoise a partir das leituras e velocidades de rotor por
onde θNé a leitura de marcação em graus e Né a velocidade do rotor em rotações por minuto.
Claims (15)
1. Partícula de vidro esférica oca, caracterizada pelo fato de que compreende: óxido de alumínio Al2O3, dióxido de silício SiO2 e pelo menos um óxido de metal, em que o óxido de metal é selecionado do grupo consistindo em óxidos de metais alcalinos e óxidos de metais alcalino- terrosos; em que a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino é de 1:1 e a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino-terroso é de 2:1; com a condição de que a partícula de vidro esférica oca é livre de boro, e em que a partícula de vidro esférica oca tem um diâmetro de partícula entre 100 e 600 mícrons.
2. Pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas, caracterizada pelo fato de as referidas partículas serem conforme definidas na reivindicação 1.
3. Enchimento caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de partículas de vidro esféricas ocas conforme definidas na reivindicação 1.
4. Espuma sintática de matriz de metal, caracterizada pelo fato de que compreende o enchimento conforme definido na reivindicação 3 e um metal e/ou uma liga de metal.
5. Método para produzir partículas de vidro esféricas ocas, conforme definida na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: 1) Misturar ingredientes contendo um ou mais dos seguintes compostos químicos: argila de porcelana, feldspato, carbonato de potássio, zeólitos, hidróxido de alumínio, silicato de potássio ou sódio, porcelana, de modo que átomos de alumínio, átomos de silício, átomos de metal alcalino e/ou metal alcalino-terroso estejam presentes na mistura resultante e de modo que uma razão atômica de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino seja de 1:1 e a razão de átomos de alumínio para átomos de metal alcalino-terroso seja de 2:1 e mantendo a mistura longe de outros compostos químicos, de modo que quantidade total dos outros compostos químicos não ultrapasse 3 a 4% em peso; 2) Misturar e mesclar a mistura com água, a fim de alcançar mistura de capacidade de fluxo suficiente; 3) Secar por pulverização a mistura de capacidade de fluxo suficiente a uma temperatura de secagem padrão, a fim de alcançar uma mistura seca compreendendo partículas tendo um tamanho médio de 80 a 400 mícrons e umidade de pelo menos 1% e, no máximo, 10%; e 4) Alimentar uniformemente a mistura seca em um dispositivo de aquecimento, de modo que a mistura seca caia através do dispositivo de aquecimento por pelo menos 1 segundo e, no máximo, 10 segundos (em uma queda livre), enquanto a temperatura no dispositivo de aquecimento é mantida entre 1500°C e 1800°C, a fim de alcançar partículas esféricas de vidro ocas.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a moagem da mistura (por exemplo, num moinho de bolas), a fim de alcançar um pó moído, de modo que um tamanho médio de partículas no pó moído seja de no máximo 5 mícrons, é realizada depois da etapa (2) e antes da etapa (3).
7. Formulação caracterizada pelo fato de que compreende um ligante orgânico e um enchimento conforme definido na reivindicação 3.
8. Formulação caracterizada pelo fato de que compreende um ligante inorgânico e um enchimento conforme definido na reivindicação 3.
9. Formulação, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que compreende de 10 a 150% em peso, 20 a 80% em peso do enchimento conforme definido na reivindicação 3, com base no peso seco do ligante inorgânico.
10. Formulação, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que o ligante inorgânico é selecionado de cimento, gesso e/ou um ligante geopolimérico.
11. Uso do enchimento conforme definido na reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que é em aplicações acústicas, aplicações de isolamento térmico, massas autonivelantes, argamassas de reparo, concreto de peso leve, concreto resistente a congelamento- descongelamento, revestimentos isolantes e/ou amortecedores de som e vibração.
12. Uso do enchimento conforme definido na reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que é no desenvolvimento, exploração e/ou conclusão de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneos e em perfurações profundas.
13. Uso, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que é em cimentação de poço e/ou lamas de perfuração.
14. Uso da formulação conforme definida em qualquer uma das reivindicações de 7 a 10, caracterizado pelo fato de que é no desenvolvimento, exploração e/ou conclusão de depósitos de óleo mineral e gás natural subterrâneo e em perfurações profundas.
15. Uso, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que é em cimentação de poço e/ou lamas de perfuração.
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