BRPI0805013A2 - aditivo de cimento, produto do cimento e método para confecção do aditivo de cimento - Google Patents
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Abstract
Um aditivo de cimento, incluindo partículas nano-estruturadas ou não de SiO2-CaO-Al2O3 e pelo menos um aditivo selecionado do grupo formado por partículas nano-dimensionadas de SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.SiO2, A1203, P-Ca e/ou combinações disso.
Description
ADITIVO DE CIMENTO, PRODUTO DO CIMENTO E MÉTODO PARACONFECÇÃO DO ADITIVO DE CIMENTO
FUNDAMENTO DA INVENÇÃO
A presente invenção relaciona-se às operações decimentação em poços de hidrocarboneto e, maisespecificamente, a um aditivo para melhorar ascaracterísticas da estrutura de cimento resultante.
Os sistemas de cimentação existentes para poços dehidrocarboneto são usados para completar o poço e estabilizara comunicação entre a superfície e uma zona particulardesejável do poço. Problemas existem com tais sistemas decimentação, por exemplo, quando os sistemas de cimentação têmbaixas propriedades mecânicas, quando as formaçõescircunvizinhas têm baixas propriedades mecânicas, quandoproblemas com a migração do gás e dos líquidos existem, equando o sistema está sujeito ao ataque pelo gás corrosivo. Anecessidade existe para os sistemas de cimentação aprimoradospara suportarem estes vários tipos de circunstâncias.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com a presente invenção, a necessidade decitada anteriormente foi atendida.
De acordo com a invenção, um aditivo do cimento éfornecido o qual compreende partículas de Si02-CaO-Al203 epelo menos de um aditivo selecionado do grupo formado porpartículas nano-dimensionadas de Si02, 2CaOSi02, 3CaO-Si02,A12C3, P-Ca e combinações disso.
Ainda de acordo com a invenção, um produto do cimento éfornecido o qual compreende partículas de cimento epartículas de Si02-CaO-Al203 e pelo menos de um aditivoselecionado do grupo formado por partículas nano-dimensionadas de Si02, 2CaO-Si02, 3CaO-Si02, Al203, P-Ca ecombinações disso.
Um método para fazer o aditivo do cimento também éfornecido, tal método compreende as etapas de: sintetizaçãoseparada de cada uma ' das partículas de Si02-CaO-Al2C>3 e daspartículas nano-dimensionadas ou precursores para partículasde Si02-CaO-Al203 e de partículas nano-dimensionadas;tratamento térmico dos precursores para obter as partículasde Si02-CaO-Al203 e de partículas nano-dimensionadas; misturadas partículas de Si02-CaO-Al2C>3 e partículas nano- dimensionadas sob temperatura e pH controlados para dar formaa um sistema surfactante continuo contendo partículas deSi02-CaO-Al203 e de partículas nano-dimensionadas; ecombinação das partículas de Si02-CaO-Al2C>3 e partículas nano-dimensionadas em um solvente comum para fornecer uma misturasubstancialmente homogênea das partículas de Si02-CaO-Al203 edas partículas nano-dimensionadas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Uma descrição detalhada das modalidades preferidas dosdesenhos segue, em referência aos desenhos anexos, onde:
Figura 1 ilustra um sistema do nano-aditivo de acordocom a invenção;
As figuras 2a e b (figuras FESEM) ilustram umadistribuição perfeitamente esférica e pura de nano-C2S(2CaO-Si02), e a figura é uma figura HR-TEM das nano-partículas menores deste sistema;
As figuras 2d, e 2e (figuras FESEM) ilustram umadistribuição perfeitamente esférica e pura de nano-C3S(3CaO-Si02), e a figura 2f é uma figura HR-TEM das nano-partículas menores deste sistema;
A figura 2g (figura FESEM) ilustra a distribuiçãoperfeitamente esférica e pura de nano-Si02, e a figura 2h éuma figura HR-TEM das nano-partículas menores deste sistema;
Figura 2i, j ilustram uma análise de FESEM docomportamento resultante da hidratação de C2S e C3S,respectivamente, de acordo com a invenção;
A figura 2k (figura HR-TEM) ilustra a distribuição donano-fase nas partículas nano-estruturadas de Si02-CaO-Al203,de acordo com a invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A presente invenção relaciona-se a um nano-aditivo que éparticularmente útil em misturas de cimento, especialmente asmisturas de cimento que devem ser usadas no acabamento ououtras operações dos poços do hidrocarboneto.
0 aditivo pode ser útil em qualquer tipo de cimento, eserve para encher áreas intersticiais e outras áreas de altaporosidade estrutural no cimento, desse modo reduzindo apermeabilidade do cimento e aumentando as forças e outraspropriedades desejáveis do cimento quando a cimentaçãoestiver completa. Na estrutura final de cimento, as nano-partículas do aditivo são distribuídas através das partículasnano-estruturadas de Si02-CaO-Al203 para ajudar a produzir ascaracterísticas desejadas na estrutura do cimento.
O aditivo da presente invenção compreende partículas deum sistema ternário de Si02-CaO-Al203. Destes materiais, oSi02 será freqüentemente abreviado para S como usado neste, oCaO será freqüentemente abreviado para C como usado neste e oA12Ü3 será freqüentemente abreviado para A como usado neste.Assim, C2S refere o silicato dicálcio, ou o 2CaO-Si02, e C3Sreferem-se igualmente ao silicato tricálcio ou o 3CaO-Si02.Misturados com este sistema ternário estão as partículasnano-dimensionadas selecionadas do grupo formado por nano-Si02, nano-C2S, nano-C3S, nano-Al203 e nano-fósforo/cálcio.Idealmente, o aditivo da presente invenção inclui cada umdestes componentes misturados com o sistema ternário. Alémdisso, as partículas do sistema ternário por elas mesmastambém podem preferivelmente serem partículas nano-dimensionadas e podem ser nano-estruturadas ou não nano-estruturadas .
Como usado neste, uma partícula nano-dimensionada éconsiderada como sendo toda partícula de tamanho igual oumenor que 999 nm. Além disso, os tamanhos preferidosespecíficos destas partículas são os seguintes. O tamanho dapartícula do aditivo, isto é, partículas de Si02, 2CaO-Si02,3CaO-Si02, Al203, e P-Ca, são pref erivelmente menores do que100 nm. As partículas do sistema ternário de Si02-CaO-Al203são preferivelmente menores do que 900 nm. Preferivelmente, otamanho da partícula do aditivo é menor do que o tamanho dapartícula do sistema ternário.
Figura 1 mostra um sistema aditivo de acordo com apresente invenção, com as partículas do sistema ternário,mostradas na Figura 1 como S-C-A, e partículas nano-dimensionadas de nano-Si02, nano-C2S, nano-C3S, de nano-Al203e nano-fósforo/cálcio. Um aditivo tal como ilustrado naFigura 1 exibe energia superficial excelente e então crescemos conglomerados que contêm as nano-particulas como núcleos.
Este tipo de conglomeração ajuda o aditivo a fornecercaracterísticas benéficas na matriz de cimentação resultante.Também, durante operações de cimentação, o aditivo ajuda ocimento a desenvolver uma condição desejável do gel C-S-Hdurante a hidratação. A hidratação do material nano-dimensionado S-C-A produz o gel C-S-H assim como umadeterminada quantidade de hidróxido de cálcio, o Ca(OH)2, queatuará diretamente com o nano-Si02 para produzir o geladicional C-S-H. A hidratação do nano-C2S e do nano-C3Sproduz o gel adicional C-S-H. O nano-Al2C>3 pode reagirigualmente com o hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, produzir o gelde C-A-H e também o gel C-A-S-H quando a reação for junto comas partículas nano-Si02. Adicionalmente, o nano-fósf oro/cálcio e suas reações químicas fornecerão aresistência química elevada dentro do sistema de cimentaçãoda matriz. A interação química simultânea entre todos osnano-componentes produz um aumento direto nas propriedadesmecânicas, térmicas e químicas do corpo sólido final.
Como determinado acima, este aumento nas propriedadesmecânicas, térmicas e químicas é particularmente útil naresolução de problemas com sistemas de cimentação de poços deóleo e gás com baixas propriedades mecânicas, sistemas comproblemas de migração de gás e liquido, sistemas que estãosujeitos ao ataque de gás corrosivo, e semelhante.
Quando usado para formar um sistema de cimento, oaditivo do cimento é misturado com o cimento, e as seguintesreações químicas ocorrem.
Reações cimenticeas do nanomaterial:S - C - A + H20 -» C - S - H(gel) + Ca(OH)2C3S + H20 -> C - S - H(gel) + Ca(OH)2C2S + H20 -> C - S - H(gel) + Ca(OH)2
Ca/P + H20->C-P-OHReações pozolânicas do nanomaterial:2Si02 +3Ca(OH)2 ->C-S-H(gel)A1203 + 3Ca(OH)2 + 3H20 -> C - A - H(hydrate)2Si02 +A1203 +3Ca(OH)2 + 3H20-> S-C-A-H(hydrate)
Além das acima, possíveis reações químicas podemigualmente ocorrer entre o nano-fósforo/cálcio e o nano-Si02,o nano-Al203 e/ou o Ca(OH)2, e esta pode aumentar igualmenteas propriedades mecânicas e químicas da estrutura resultante.Assim, o nano-aditivo da presente invenção produz reaçõescinéticas controladas simultâneas, reações interfaciais,transformações da fase in situ e o desenvolvimento damicroestrutura que são chaves no alcance dos objetivos dapresente invenção.
As nano-particulas do aditivo podem ter um formatoesférico, elipsoidal, ou de placa, ou podem ter formatosirregulares, e podem igualmente incluir as nano-particulascerâmicas distribuídas neste. Como determinado acima, estasnano-particulas têm preferivelmente um tamanho de partículaentre aproximadamente 1 e 100 nm.
De acordo com a invenção, o nano-aditivo pode serpreparado usando um procedimento sol-gel. Este pode ser usadopara gerar as diferentes nano-particulas desejadaspreferencialmente separadamente. 0 método da preparação podecomeçar pela mistura controlada dos precursores, por exemplo,do Ca(N03) 2-4H20 e Tetraetilortosilicato (TEOS) . Esta misturaé conduzida sob parâmetros controlados tais como temperaturae pH. Preferivelmente, a temperatura e o pH são limitados auma temperatura de 80 °C e um pH de 1-7. A relação doscomponentes diferentes pode ser selecionada para produzir oscomponentes desejados, por exemplo, C2S, C3S e semelhantes.
As nano-particulas são obtidas usando um nano-sistemasurfactante de confinamento definido que é obtido quando ossistemas alcançam sua concentração do micelar critica (CMC)para cada surfactante especifico, e o sistema é tratadotermicamente em uma temperatura desejada para produzir asfases cristalinas desejadas. As fases cristalinas podem entãoestar intimamente misturadas com qualquer cimento desejável,e fornecerão os benefícios acima mencionados durante ahidratação e o reparo final da estrutura cimenticia.Especificamente, as nano-particulas preencherão os espaçosintersticiais e outras áreas de porosidade elevada no cimentoe produzirão uma estrutura menos permeável.
Como mencionado acima, prefere-se que cada componente donano-aditivo seja sintetizado separadamente. Depois que cadacomponente for sintetizado, eles podem ser acoplados em umsolvente comum, para exemplos, sistemas aquosos, quepreferivelmente serão compatíveis com o sistema cimenticio. Arelação estequiométrica entre cada componente do nano-aditivopode vantajosamente ser calculada baseada nas necessidades dosistema final. Depois deste processo, os componentes doaditivo podem ser produzidos separadamente, combinados em umsolvente comum, e misturados com o cimento do sistema decimentação final, como desejado. Depois desta adição, todosos outros componentes do sistema de cimento podem igualmenteser adicionados.
A quantidade de nano-aditivo a ser usada depende dascondições de reparo (temperatura, pressão, etc.) e dainteração com outros componentes nos sistemas cimenticios quepode estar presentes para outras que condições sejamcontroladas. Por exemplo, se o sistema de cimentação tivermais de 50% de cimento, pode ser desejável utilizar o nano-aditivo de acordo com a invenção em uma quantidade entreaproximadamente 0.1 e 5% de peso do cimento. Por outro lado,se o sistema final do cimento é para ser um sistema decimento similar a uma formulação concreta, a quantidade denano-aditivo a ser usada pode estar preferivelmente entreaproximadamente 1 e 20% do peso do sistema de cimento.
Os exemplos seguintes demonstram a síntese dos várioscomponentes do aditivo da presente invenção. Exemplo 1preparação de fases altamente reativas de nano-C3S e de nano-C2S.
As amostras foram preparadas usando um procedimento sol-gel modificado pelo surfactante. Depois deste procedimento,uma mistura suficiente e controlada de precursores puros foiconduzida. Estes precursores eram, neste exemplo,Ca (N03) 2.4H20, e Tetraetilortosilicato (TEOS) . Estescomponentes foram misturados sob temperatura ambiente e pHentre 3-6 controlados. A relação molar CaO:Si02 na misturainicial foi ajustada em 2:1 para uma amostra e em 3:1 paraoutra amostra a fim obter C2S e C3S respectivamente. As nano-particulas foram obtidas usando um sistema surfactantecombinado, e as fases cristalinas finais de nano-C^S e nano-C2S foram obtidas depois de um tratamento térmico a 900°C e1400°C respectivamente.
O produto mostra uma distribuição perfeitamente esféricae pura de nano-C2S, segundo as indicações das figuras 2a, b ec, e nano-CaS segundo as indicações das figuras 2d, e e f.
Estas partículas têm um tamanho entre 10-200 nm, e estaspodem ser comparadas com o nano-Si02 sintetizado por umprocedimento similar e ilustrado nas figuras 2g, h. Estaspartículas têm um tamanho menor que 100 nm.
As partículas sintetizadas como esboçadas acima foramexpostas à radiação de raio X (XRD) usando um Ka de cobre (Àigual a 15.418 Ã) com um filtro monocromático de grafite paraidentificar as microestrutura. A microscopia eletrônica devarredura com fonte de emissão de campo (FESEM) foi conduzidausando o equipamento JEOL JSM-7401F, uma caracterização paracada nano-sistema pela Microscopia Eletrônica de Transmissãode Alta Resolução (HR-TEM) que usa um JEOL 2010 também foirealizada. O comportamento da hidratação das amostras desilicatos di- e tricálcio, com água atmosférica à temperaturaambiente, foi observado pelo procedimento de FESEM e osresultados são mostrados nas Figuras 2i e j . A preparaçãodestas amostras para a análise de FESEM incluiu uma extraçãorápida das nano-particulas do bécher e revestimento com aspelículas finas de ouro-paládio usando um sistemaconvencional de pulverização com uma introdução posteriorrápida em uma câmara de vácuo.
0 acima demonstra que as nano-particulas da invençãopodem ser produzidas depois dos processos discutidos, e queas estruturas resultantes são particularmente úteis namelhora das propriedades de uma estrutura cimenticia.
Esta descrição detalhada apresenta exemplos específicosdos materiais de acordo com a invenção, e pretende serilustrativa das características da presente invenção sem serde natureza restritiva. Assim, o escopo da presente invençãoé considerado por incluir todas as modalidades dentro dalinguagem determinada nas reivindicações anexas, eequivalentes a isso.
Claims (9)
1. Aditivo de cimento, caracterizado pelo fato decompreender partículas de Si02-CaO-Al203 e pelo menos umaditivo selecionados do grupo formado por partículas nano-dimensionadas de Si02, 2CaO-Si02, 3CaO-Si02, A1203, P-Ca ecombinações disso.
2. Aditivo de cimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aditivo compreendepartículas nano-dimensionadas de cada um dos Si02, 2CaO-Si02, 3CaOSi02, A1203 e P-Ca citados.
3. Aditivo de cimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas nano-dimensionadas têm uma forma selecionada do grupo podendo seresféricas, elipsoidais, em forma de placas, formas irregulare combinações disso.
4. Aditivo de cimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas de Si02-CaO-AI2O3 são partículas de materiais nano-estruturado.
5. Aditivo de cimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas e o aditivoestão presentes como uma mistura substancialmente homogênea.
6. Produto do cimento, caracterizado pelo fato decompreender as partículas do cimento e o aditivo do cimentoda reivindicação 1.
7. Produto do cimento, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as partículas do cimentoformam a uma matriz do cimento que tem espaços intersticiaise porosidade, e onde o aditivo do cimento ocupa os espaçosintersticiais e a porosidade.
8. Método para confecção do aditivo de cimento dareivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender asetapas de:sintetização separada de cada um das partículas de Si02-CaO-Al203 e das partículas nano-dimensionadas;mistura das partículas de Si02-CaO-Al203 e partículasnano-dimensionadas sob temperatura e pH controlados paraformar um sistema surfactante continuo que contenhaparticulas e particulas nano-dimensionadas; ecombinação de particulas de Si02-CaO-Al203 e particulasnano-dimensionadas em um solvente comum para fornecer umamistura substancialmente homogênea das particulas e dasparticulas nano-dimensionadas.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que a etapa de sintetizaçãocompreende a sintetização dos precursores para particulas deSi02-CaO-Al203 e de particulas nano-dimensionadas; etratamento térmico dos precursores para obter asparticulas e particulas nano-dimensionadas.
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