Perda de Circulação: Fluidos Não-Newtonianos

Esta seção inicia contextualizando a importância dos estudos sobre escoamento de fluidos não newtonianos em meios porosos, especialmente no contexto da perfuração de poços de petróleo e gás. A perda de circulação é apresentada como um fenômeno crítico que impacta a operação do poço, sendo intensificado pela presença de fraturas na formação rochosa e gradientes de pressão. A dissertação propõe investigar experimentalmente o escoamento de fluidos não newtonianos em um canal parcialmente poroso e fraturado, caracterizando a perda de circulação. A revisão bibliográfica aborda estudos prévios sobre escoamento em meios porosos, destacando trabalhos que analisaram a influência de parâmetros como o número de Reynolds, a viscosidade do fluido, e a permeabilidade do meio poroso na perda de pressão. Diversos autores e suas contribuições são mencionados, incluindo investigações analíticas e experimentais sobre o comportamento de fluidos em canais com regiões porosas e livres, modelagem numérica usando métodos como o Lattice Boltzmann, e estudos sobre a invasão de fluidos em rochas reservatório. A revisão também cobre estudos específicos sobre perda de circulação em perfuração, destacando a escassez de trabalhos experimentais considerando a perda por fratura usando materiais porosos para representar a formação rochosa. Finalmente, são citadas pesquisas que analisam o uso de materiais de controle de perda de circulação (LCM) e a influência de parâmetros de perfuração na perda de fluido.

A seção de materiais e métodos descreve detalhadamente o aparato experimental utilizado no estudo. A unidade experimental consiste em uma seção de testes retangular que simula o conjunto poço-formação com uma fratura, equipada com medidores de pressão, vazão e temperatura para monitorar o escoamento. Os fluidos de trabalho utilizados são soluções aquosas de Carbopol, goma xantana, carboximetilcelulose (CMC) e glicerina, representando diferentes tipos de fluidos não newtonianos, com suas características reológicas detalhadas. A formação rochosa é simulada usando filtros cerâmicos de espuma reticulada, com diferentes aberturas de células para variar a permeabilidade do meio poroso. A metodologia inclui a variação sistemática de parâmetros como o número de Reynolds do escoamento, a vazão de fuga pela fratura, a viscosidade do fluido, o tipo de fluido e a abertura de células do meio poroso. A seção também descreve o procedimento experimental, incluindo o preparo das soluções, a calibração dos equipamentos de medição (transmissores de pressão, medidor de vazão mássica do tipo coriolis e termopar), e a aquisição de dados utilizando uma placa da National Instruments e software LabVIEW. A precisão da medição do número de Reynolds é calculada, indicando uma incerteza de 6,2%. Sugestões para aprimoramento da unidade experimental são apresentadas, como a substituição dos materiais da seção de testes (PVC e acrílico) por aço inox e vidro temperado para suportar pressões mais elevadas.

Nesta seção, os resultados dos experimentos são apresentados e discutidos. São analisados os efeitos da variação de parâmetros do escoamento (número de Reynolds e vazão de fuga), do fluido (viscosidade e tipo de fluido), e do meio poroso (abertura de células) na perda de circulação. Gráficos mostram a evolução temporal da vazão e da pressão diferencial ao longo da fratura para diferentes condições experimentais. A análise inclui a comparação do comportamento de fluidos com diferentes comportamentos reológicos (Newtoniano e não-Newtonianos), modelados pelo modelo Herschel-Bulkley e Lei de Potência. Os resultados demonstram que todos os parâmetros testados influenciam significativamente as configurações de pressão durante a perda de circulação, com impacto direto no gradiente de pressão entre o canal e a fratura. A influência da viscosidade do fluido é evidenciada, assim como o efeito da permeabilidade do meio poroso. Para números de Reynolds mais elevados e vazões de fuga maiores, a influência da abertura de células no meio poroso torna-se mais pronunciada. A seção compara e contrasta os resultados obtidos com diferentes fluidos e meios porosos, discutindo as implicações para o entendimento e controle da perda de circulação.

As conclusões resumem os principais achados da pesquisa, reforçando a influência de diversos parâmetros (número de Reynolds, viscosidade, tipo de fluido, permeabilidade do meio poroso, e vazão de fuga) na perda de circulação de fluidos não newtonianos em meios porosos fraturados. A pesquisa demonstra a importância de se considerar a reologia dos fluidos e as características do meio poroso para uma predição acurada do comportamento do sistema durante a perfuração. A análise dos resultados contribui para o entendimento do fenômeno de perda de circulação, com implicações para o desenvolvimento de estratégias de mitigação. Finalmente, a seção apresenta sugestões para trabalhos futuros, focando principalmente em expandir a gama de estudos utilizando o aparato experimental, propondo modificações no equipamento para permitir experimentos com pressões mais elevadas, permitindo assim a utilização de soluções mais concentradas de fluidos não newtonianos e vazões mais altas. Isso permitirá uma investigação mais completa do comportamento do sistema em condições mais extremas.

Esta seção descreve a caracterização reológica dos fluidos não newtonianos utilizados no estudo experimental. São apresentadas as soluções aquosas de Carbopol (CBP), goma xantana (GX), carboximetilcelulose (CMC) e glicerina. A escolha desses fluidos se justifica pela sua ampla aplicação na indústria e seus diferentes comportamentos reológicos. O Carbopol, um polímero de alto peso molecular, e a goma xantana, um polissacarídeo, são destacados como exemplos importantes de fluidos representados pelo modelo Herschel-Bulkley (HB). Suas propriedades como espessantes, agentes de suspensão e estabilizadores são mencionadas, assim como suas aplicações em cosméticos, farmacêuticos e na indústria alimentícia. A goma xantana, em particular, é descrita como um aditivo eficaz para fluidos de perfuração devido à sua capacidade de estabilizar emulsões, reduzir a dispersão, pouca susceptibilidade a variações de temperatura e comportamento pseudoplástico. A CMC é apresentada como um fluido que se ajusta ao modelo Lei de Potência. A seção também aborda metodologias de preparo e manuseio das soluções, essenciais para garantir a reprodutibilidade dos resultados experimentais e a consistência dos testes. A viscosidade das soluções é um parâmetro crucial, ajustado para atingir faixas específicas para comparação entre os diferentes fluidos a uma mesma taxa de cisalhamento.

Esta parte foca na modelagem do escoamento de fluidos, tanto newtonianos quanto não newtonianos. Para caracterizar o escoamento de forma abrangente, independente do comportamento do fluido, a dissertação utiliza o número de Reynolds generalizado, proposto por Metzner e Reed (1955). Este número é derivado da relação entre o fator de atrito e parâmetros reológicos, sendo aplicável a fluidos não newtonianos descritos pelo modelo Lei de Potência. A importância do número de Reynolds generalizado é ressaltada, pois permite a análise das propriedades reológicas de fluidos não newtonianos em uma mesma escala, comparando-os com fluidos newtonianos. Melton e Saunders (1956) são citados por empregarem essa correlação em um método geral de análise de escoamento de fluidos não newtonianos, avaliando fluidos típicos da indústria de petróleo. A dissertação também menciona o trabalho de Kelessidis et al. (2011), que investigaram a influência da adição de CMC e Carbopol nas propriedades reológicas de fluidos de perfuração, utilizando modelos Herschel-Bulkley e Lei de Potência para representar o comportamento dos fluidos. A influência da concentração de polímero no índice de consistência e tensão limite de escoamento é discutida.

A metodologia empregada na pesquisa se baseou em uma unidade experimental desenvolvida especificamente para simular o escoamento de fluidos em um meio poroso fraturado. A unidade consiste em uma seção de testes retangular, construída em PVC e acrílico, representando a simplificação do espaço anular de um poço com uma fratura discreta. Uma das faces é transparente (acrílico) para visualização do escoamento. O sistema inclui uma bomba para controlar a vazão do fluido, uma válvula para simular a abertura da fratura, e medidores de pressão, vazão e temperatura para monitoramento. O meio poroso é simulado por filtros cerâmicos de espuma reticulada, com diferentes aberturas de células (MP10 e MP20), permitindo a investigação do impacto da permeabilidade na perda de circulação. A faixa de vazão utilizada nos experimentos variou de 90 a 730 l/h, com pressão manométrica de 2,0 bar e rotação de 46 a 278 rpm. O sistema de medição envolve um termopar tipo T (modelo TIM11) para medir a temperatura do fluido, um medidor de vazão mássica coriolis com comunicação serial RS485, e transmissores de pressão relativa e diferencial. A aquisição de dados é feita por uma placa da National Instruments (modelo cDAQ – 9174), com módulos de entrada e saída, conectados a um computador via USB. A calibração dos equipamentos foi rigorosamente verificada, incluindo a comparação da vazão medida pelo medidor coriolis com medições manuais, garantindo a acurácia dos dados.

Os experimentos envolveram a variação sistemática de parâmetros para avaliar sua influência na perda de circulação. Foram utilizadas soluções aquosas de Carbopol (CBP05, CBP10, CBP20), goma xantana (GX), carboximetilcelulose (CMC10) e uma mistura água-glicerina (GLI10) como fluidos de trabalho, representando diferentes viscosidades e comportamentos reológicos (Newtoniano e não-Newtoniano). O número de Reynolds do escoamento, a vazão de fuga pela fratura (variando de 5% a 50%), a viscosidade do fluido, o tipo de fluido e a abertura de células do meio poroso foram as variáveis independentes controladas. A vazão é ajustada em tempo real via LabVIEW para atingir o número de Reynolds desejado, considerando as expressões específicas para fluidos representados pelos modelos Lei de Potência e Herschel-Bulkley. Procedimentos de limpeza entre os testes com diferentes fluidos foram implementados para evitar contaminação. A influência da temperatura foi controlada pelo monitoramento da temperatura da solução durante os testes. O objetivo principal foi avaliar como cada parâmetro afeta a vazão de fuga pela fratura, o gradiente de pressão gerado entre o canal e a fratura, e o gradiente de pressão ao longo do canal. A análise da pressão diferencial ao longo do tempo e da vazão em cada teste forneceu dados essenciais para a compreensão do fenômeno.

Os resultados obtidos são apresentados e analisados através de gráficos e tabelas. As Figuras 4.4 (a) e (b) mostram, respectivamente, a vazão e a pressão diferencial ao longo da fratura ao longo do tempo, demonstrando o impacto da velocidade de abertura da válvula na cinética do processo. As Figuras 4.6 a 4.10 ilustram curvas de escoamento e viscosidade para as diferentes soluções, mostrando a relação entre a concentração do gel clínico (Carbopol) e a viscosidade resultante, assim como o ajuste aos modelos Herschel-Bulkley (HB) e Lei de Potência (PL). A Figura 4.12 analisa a pressão diferencial em função do tempo para diferentes fluidos, mostrando o efeito da vazão de fuga na queda de pressão. As Figuras 4.16 e 4.19 mostram a influência do número de Reynolds e da viscosidade na vazão e na pressão diferencial, respectivamente, com a vazão final de retorno mantida constante em 30%. A seção também inclui uma análise detalhada dos efeitos da variação do fluido de trabalho (incluindo um fluido Newtoniano – GLI10 – como comparação), da abertura de células do meio poroso (MP10 e MP20) e do número de Reynolds no canal, observando as mudanças na vazão e na pressão diferencial ao longo da fratura. Os resultados mostram que o aumento da abertura de células do meio poroso e do número de Reynolds resulta em maiores pressões diferenciais, especialmente em vazões de fuga elevadas (50%).

Esta seção apresenta uma síntese dos resultados obtidos nos experimentos, focando nas relações entre as variáveis controladas (número de Reynolds, vazão de fuga, viscosidade, tipo de fluido e abertura de células do meio poroso) e as variáveis de resposta (vazão e pressão diferencial). Os dados, apresentados graficamente em diversas figuras, demonstram consistentemente que todos os parâmetros influenciam as configurações de pressão durante a perda de circulação, impactando diretamente o gradiente de pressão entre o canal e a fratura. A análise comparativa entre fluidos newtonianos (água-glicerina) e não-newtonianos (Carbopol, Goma Xantana, CMC) revela diferenças significativas no comportamento de escoamento e na pressão diferencial, especialmente em baixas taxas de cisalhamento. A influência da viscosidade é clara, com fluidos mais viscosos exibindo maiores pressões. A abertura das células do meio poroso também demonstra um efeito considerável, sendo que poros menores (MP20) resultam em maior perda de carga e pressões mais elevadas, principalmente em altas vazões de fuga e números de Reynolds mais altos. A análise detalhada das curvas de vazão e pressão diferencial demonstra o impacto da velocidade de abertura da válvula que controla a fratura, bem como a relação entre o número de Reynolds e as pressões medidas, tanto antes como depois da abertura da fratura.

Nesta seção, os resultados são interpretados à luz dos modelos reológicos e da física do escoamento em meios porosos. A discussão se concentra na relação entre a reologia dos fluidos (Newtonianos e não-Newtonianos), modelados pelos modelos Herschel-Bulkley e Lei de Potência, e o comportamento observado nos testes. A influência da viscosidade, tensão limite de escoamento e índice de consistência na perda de circulação é analisada. A influência da permeabilidade do meio poroso, representada pela abertura das células dos filtros cerâmicos, é detalhada, mostrando que a maior restrição ao fluxo em meios com poros menores (MP20) acarreta maiores perdas de carga e consequentemente maiores pressões diferenciais, especialmente em altas vazões de fuga e altos números de Reynolds. A inconsistência observada na vazão de fuga intermediária para o meio poroso MP10 em certos testes é discutida, atribuída a uma incoerência no funcionamento da válvula de controle. A importância do número de Reynolds generalizado na comparação entre fluidos newtonianos e não-newtonianos é reafirmada. A análise considera os efeitos combinados dos diferentes parâmetros testados e suas interações, buscando uma compreensão holística do fenômeno de perda de circulação.

As conclusões da dissertação resumem os principais achados da pesquisa experimental. A pesquisa demonstrou a influência significativa do número de Reynolds, da viscosidade do fluido, do tipo de fluido, da permeabilidade do meio poroso e da vazão de fuga na perda de circulação. A importância de considerar a reologia complexa dos fluidos não newtonianos na modelagem e previsão da perda de fluido é destacada. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão do fenômeno e podem auxiliar no desenvolvimento de estratégias para mitigar a perda de circulação em operações de perfuração. A dissertação finaliza com sugestões para trabalhos futuros. Uma sugestão importante é a melhoria da unidade experimental, propondo a substituição dos materiais da seção de testes (PVC e acrílico) por materiais mais resistentes (aço inox e vidro temperado), permitindo a realização de testes com pressões mais altas e fluidos mais concentrados, expandindo assim a gama de condições operacionais investigadas. Outras sugestões poderiam incluir a avaliação de outros tipos de meios porosos e a incorporação de modelos numéricos mais sofisticados para simular o fenômeno de perda de circulação.