BRPI0617742A2 - aditivo para melhorar as propriedades de uma lama cimentosa feita com cimento portland e para ser utilizada na cimentação de poço, uso do aditivo para aplicação de cimentação em campo de petróleo, método de preparar uma lama cimentosa feita com cimento portland e para ser utilizada em cimentação de poços, e método para cimentar uma zona subterránea - Google Patents
aditivo para melhorar as propriedades de uma lama cimentosa feita com cimento portland e para ser utilizada na cimentação de poço, uso do aditivo para aplicação de cimentação em campo de petróleo, método de preparar uma lama cimentosa feita com cimento portland e para ser utilizada em cimentação de poços, e método para cimentar uma zona subterránea Download PDFInfo
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Abstract
ADITIVO PARA MELHORAR AS PROPRIEDADES DE UMA LAMA CIMENTOSA FETTA COM CIMENTO PORTLAND E PARA SER UTILIZADA NA CIMENTAçãO DE POçO, USO DO ADITIVO PARA APLICAçãO DE CIMENTAçãO EM CAMPO DE PETRóLEO, MéTODO DE PREPARAR UMA LAMA CIMENTOSA FEITA COM CIMENTO PORTLAND E PARA SER UTILIZADA EM CIMENTAçãO DE POçOS, E MéTODO PARA CIMENTAR UMA ZONA SUBTERRáNEA presente invenção proporciona um aditivo versátil para aprimorar as propriedades de uma lama cimentosa feita com cimento portland e para ser utilizada em cimentação de poços, o referido aditivo versátil compreendendo tipo de silicatos e/ou boratos que inibem a formação de gel que ocorre com a fase intersticial. O aditivo da presente invenção melhora significativamente a reologia (isto é forte efeito dispersante) e pode ainda superar os graves problemas com a formação de gel. Em temperaturas, acima de 88 0C (190 0F) o aditivo atua como um auxiliar retardador, que permite reduzir consideravelmente a concentração de retardador requerida para conseguir um dado tempo de espessamento.
Description
ADITIVO PARA MELHORAR AS PROPRIEDADES DE UMA LAMA CIMENTOSAFEITA COM CIMENTO PORTLAND E PARA SER UTILIZADA NACIMENTAÇÃO DE POÇO, USO DO ADITIVO PARA APLICAÇÃO DECIMENTAÇÃO EM CAMPO DE PETRÓLEO, MÉTODO DE PREPARAR UMALAMA CIMENTOSA FEITA COM CIMENTO PORTLAND E PARA SERUTILIZADA EM CIMENTAÇÃO DE POÇOS, E MÉTODO PARA CIMENTARUMA ZONA SUBTERRÂNEA
Campo da Invenção
A presente invenção está relacionada de modo maisamplo à cimentação de poços. Mais particularmente, ainvenção está relacionada a um aditivo para composiçãocimentosa e método correlato de cimentação.
Descrição da Técnica Relacionada
Lamas cimentosas para uso em operações decimentação de poços de petróleo são tipicamente baseadas emcimento do tipo Portland como um aglutinante hidráulico. Acura de . tal cimento, conhecida como hidratação, é umareação química entre a água presente na lama e o materialcimentoso, a reação induzindo a lama a primeiramente formargel e em seguida se firmar como um sólido à medida em que otempo passa. Em uso, uma lama cimentosa bombeável decimento, água e outro sólido e/ou aditivos líquidos épreparada na superfície.
É particularmente difícil retardar a hidratação decimentos Portland em temperaturas elevadas, e retardadorespoderosos têm sido desenvolvidos. Todavia, eles podemproduzir resultados imprevisíveis porque o tempo deespessamento da lama cimentosa, e o tempo no qual aresistência compressiva do cimento começa a se desenvolver.,são muito sensíveis à concentração do retardador. Alémdisso, o limite superior de temperatura desses retardadoresé algumas vezes muito baixo para cimentar poços de altastemperaturas. Desse modo, a adição de um acentuadorretardador freqüentemente é requerido. Sais borato de sódio(por exemplo, bórax) e ácido bórico são conhecidos serem'centuadores retardadores' eficazes. Todavia, essesprodutos químicos não são sempre compatíveis com algunsoutros aditivos de alta temperatura e, portanto, podemprejudicar o controle da perda de fluidos e a reologia daslamas cimentosas.
FR 2.667.058 descreve o uso de silicatos em lamascimentosas retardadas em aplicações de escoramento (isto équando é desejado que a capa.cimentosa de revestimento seestenda ao longo do trajeto desde o fundo do poço até asuperfície). Nessa aplicação, um retardador glicoeptonato éusado para retardar a cura do cimento sob as condições defundo de poço de temperaturas maiores e quantidadesrelativamente maiores (17,75 L/toneladas de cimento.) desilicato de sódio são inclusas na lama para ensejar cura nasuperfície, a qual está numa temperatura muito mais baixa.O pedido de patente W02G05/024175 descreve o uso desilicatos como um acentuador retardador em temperaturasmais altas e mais baixas. A quantidade de silicatosacrescentada não foi todavia controlada. E o retardador seaplica apenas para a lama Cimentosar que não se presta, porexemplo, para lama cimentosa de construção, assim nãoapropriada quanto à variabilidade do cimento.
Esse problema da variabilidade da reatividade docimento é usualmente encontrado em cimentação de poços. Areatividade de um cimento irá estabelecer quão rápido ocimento irá endurecer. A fim de auxiliar no projeto defabricação de cimento, uma série de classificações decimento foram estabelecidas as quais indicam o nível geralda reatividade do cimento e a sua adequação para certasaplicações de cimentação de poços. Uma tal classificação éaquela do American Petroleum Institute (API) que fornececlassificações A-H para cimentos adequados para acimentação de poços, esses sistemas cimentosos serãochamados de composições cimentosas para campos de petróleo.
Todavia, cimentos que satisfaçam a tais classificações sãofreqüentemente relativamente caros. Cimentos de construçõessão freqüentemente mais baratos e mais facilmentedisponíveis em muitas partes do mundo que os cimentos API,esses sistemas cimentosos para construção serão chamadoscomposição cimentosa de construção. Todavia. As suasreatividades variáveis e seus comportamentos não confiáveistorna o uso deles em aplicações de cimentações de poçosarriscada, especificamente quando a temperatura écrescente, uma vez que existe freqüentemente apossibilidade de que a lama possa endurecer muitorapidamente, ou não. Quando se leva em conta os efeitos datemperatura na parte inferior e superior do poço, e anatureza não confiável dos efeitos dos aditivos tais comoretardadores, o uso desses cimentos embora economicamentedesejáveis, é considerado de risco inaceitável. Atualmente,não existe modo de implementar facilmente o controle daspropriedades de cura de tais cimentos de modo a ser capazde torna-los úteis para usos em cimentação de poços.
Portanto, permanece a necessidade de fornecermétodos e composições para retardar o endurecimento docimento os quais estejam direcionados ao problema davariabilidade da reatividade do cimento. É um objeto dainvenção proporcionar esse aditivo para cada tipo decomposições cimentosas incluindo composições cimentosaspara construções e campos de petróleo.
Sumário da Invenção
A presente invenção fornece um aditivo versátilpara melhorar as propriedades de uma lama cimentosaproduzida com cimento tipo portland e para ser utilizado emcimentação de poços, o referido aditivo versátilcompreendendo tipos de silicatos e/ou boratos que inibem aformação do gel que ocorre com a fase intersticial. 0aditivo da presente invenção melhora significativamente areologia (isto é, forte efeito dispersante) e pode aindasuperar os graves problemas da formação de gel. Emtemperaturas acima de cerca de 88 0C (190 °F) o aditivo atua como auxiliar retardador, permitindo reduzirconsideravelmente a concentração de retardador necessáriapara conseguir um dado tempo de espessamento.
Preferivelmentel, o aditivo compreende silicatosalcalinos de fórmula geral (SiOz)x(MiO), onde M é um metalalcalino, para a lama. Além disso, os silicatos possuem apropriedade de liberar anions poli-silicatos. Parece que ossilicatos alcalinos, os quais liberem alguns anions poli-silicato em solução aquosa., reduzem a taxa de hidratação dafase intersticial dos cimentos portland. Os anions poli-silicatos estão presentes em grandes quantidades na soluçãoaquosa quando a relação molar de silicato SiOziMaO (M é Naou K.) é igual ou acima de 1,5. Um silicato de sódio sólidocom uma relação molar Si02:Na20 de 3,32 foi mostrado sermuito mais eficaz que o meta-silicato de sódio (relaçãomolar Na2SiO3, SiO2:Na2O de 1) que é usualmente utilizada nocampo quando aditivos líquidos não podem ser usados. Essesilicato precisa ser parcialmente hidratado para aumentarsua taxa de dissolução na lama cimentosa. Preferivelmente,a relação molar S102:Na20 está na faixa de 1, 68-3,37.
Preferivelmente, o aditivo compreende boratosalcalinos de fórmula geral (B2Os)y(N2O) , onde N é ura metalalcalino, para a lama. Além disso, os boratos possuem apropriedade de liberar anions poliboratos. Parece que osboratos alcalinos, os quais liberem alguns anionspoliborato em solução aquosa, reduzem a taxa de hidrataçãoda fase intersticial dos cimentos portland. Os anionspoliborato estão presentes em qrandes quantidades nasolução aquosa quando a relação molar de borato BaO3:N2O, (Mé Na ou K) é igual ou superior a 2. preferivelmente, arelação molar de B2O3:N2O está na faixa de 2-5.
Em um outro aspecto da invenção, a invençãoproporciona o uso do aditivo versátil como descrito acimacom um retardador compreendendo pelo menos Um doscomponentes escolhidos na lista que compreende: saisgliconatos, sais glicoeptonato, ácidos hidroxicarboxílicos,misturas de ácidos hidroxicarboxílicos e/ou sais elignosulfonatos, misturas de ácidos hidrocarboxilicos e/ousais e derivados lignino-aminas, lignosulfonatos nãorefinados e refinados.
Em um outro aspecto da invenção, a invençãoproporciona um método de preparar uma lama cimentosaproduzida com cimento portland e a ser utilizada nacimentação de poço, o referido método compreendendo: (i)prover um cimento hidráulico produzido com cimentoportland; e íii) combinar um aditivo versátil como descritoacima com o referido cimento hidráulico numa quantidade nafaixa de cerca de 0,1% até cerca de 20% em peso do referidocimento hidráulico na referida lama. Preferivelmente ométodo também compreende acrescentar um retardadorcompreendendo pelo menos um dos componentes escolhidos nalista que compreende: sais gliconato, sais glicoeptonato,ácidos hidroxicarboxilicos, sais hidroxicarboxilicos,misturas de ácidos hidroxicarboxilicos e/ou sais elignosulfonatos, misturas de ácidos hidrocarboxilicos e/ousais e derivados lignino-aminas, lignosulfonatos nãorefinados e refinados.
Em um outro aspecto da invenção, a invençãoproporciona um método para cimentar uma zona subterrâneapenetrada por um furo de poço numa temperatura acima decerca de 8 8 0C (190 °F) utilizando uma lama cimentosaproduzida com cimento portland, o referido métodocompreendendo: (i) prover um cimento hidráulico produzidocom cimento portland; e (ii) combinar um aditivo versátilcomo descrito acima com o referido cimento hidráulico numaquantidade na faixa de cerca de 0,1% até cerca de 20% empeso do referido cimento hidráulico na referida lama;bombear a referida lama contendo o referido aditivoversátil formado anteriormente para dentro da zonasubterrânea por meio do referido furo de poço; e (iv)deixar a referida lama endurecer. Preferivelmente o métodotambém compreende acrescentar um retardador compreendendopelo menos um dos componentes escolhidos na lista quecompreende: sais gliconato, sais glicoeptonato, ácidoshidroxicarboxílicos, sais hidroxicarboxilicos, misturas deácidos hidroxicarboxilicos e/ou sais e lignosulfonatos,misturas de ácidos hidrocarboxilicos e/ou sais e derivadoslignino-aminas, lignosulfonatos não refinados e refinados.
Breve Descrição dos Desenhos
Modalidades adicionais da presente invenção podemser compreendidas com os desenhos anexos.
A Figura 1 mostra um gráfico dos tempos deespessamento a 93 0C com uma composição de cimento deconstrução e aditivo versátil.
A Figura 2 mostra um gráfico das propriedades dereologia a 85 0C com uma composição de cimento deconstrução e aditivo versátil.
A Figura 3 mostra um gráfico do perfilcalor imé tricô a 85 0C com uma composição de cimento deconstrução e aditivo versátil.
A Figura 4 mostra um gráfico dos tempos deespessamento a 77 0C, 85 0C e 93 0C com uma composição decimento de campo de petróleo e aditivo versátil.
Descrição Detalhada
Composições cimentosas para campos de petróleo
Aditivos versáteis do tipo silicatos de sódio sãotestados. O efeito de três diferentes silicatos de sódio nareologia e tempo d espessamento de duas lamas cimentosasclasse G (classificação American Petroleum Institute)retardadas com dois diferentes retardadores lignosulfonatofoi estudado em temperatura elevada.
As características dos três silicatos de sódioestão reportadas na Tabela 1. Silicatos 1 e 2 (meta-silicato de sódio) estão na forma sólida e o silicato 3está sob forma líquida concentrada (silicato de sódio). Arelação molar SiO2JNa2O é de 3:32 para o silicato 1, 1 parao silicato 2 (meta-silicato de sódio, Na2SiOa) e 3,37 parao silicato 3. 0 silicato 1 contém 19% em peso de água decristalização, enquanto que o silicato 2 está na formaanidra.
Tabela 1: Composição silicatos de Sódio
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*Esse silicato de sódio sólido contém 19% em peso de água
Os dois cimentos classe G, composição cimentosa decampos de petróleo, são fornecidos por Dyckerhoff (TM) esão rotulados como "Black Label", que será chamado ocimento A e "Red Label", que será chamado o cimento B. Osdois retardadores são lignosulfonatos. 0 retardador 1 é umlignosulfonato não refinado que contém alguns açúcaresresiduais, principalmente pentoses e hexoses, e oscorrespondentes ácidos aldônicos tais como ácido xilônico.O Retardador 2 é um lignosulfonato refinado para o qual osaçúcares residuais foram removidos durante o processo defabricação.
O cimento G foi misturado com água comum detorneira para densidade de 1,89 kg/L (15,8 lb/gal) . Umagente antiespumante (2,66 litros por tonelada de cimento)foi acrescentado à água de mistura para impedir a formaçãode espuma durante a mistura da lama cimentosa. Silicato 1ou 2 e o retardador foram misturados a seco com o cimento,enquanto que o silicato 3, que é ura liquido, foiacrescentado à água de mistura. Pó de silica (35% em pesodo cimento, BWOC) foi misto a seco com o cimento paraproduzir a lama na Bottom Hole Circulation Temperature(BHCT) - Temperatura de Circulação no Fundo do Furo de104,4 0C (220 °F) a fim de prevenir o efeito de "retrocessoda resistência", experimentado quando a Bottom Hole StaticTemperature (BHST) - Temperatura Estática no Fundo do Furoestá acima de 110 0C (230 °F). Na maioria dos casos a BHSTé maior que a BHCT. As lamas cimentosas foram misturadas deacordo com a especificação API. O cimento é acrescentado nointervalo de 15 segundos à água de mistura no misturadorWaring giratório a 4000 rpm. A lama é em seguida misturadapor 35 segundos a 12000 rpm. As quantidades de materiaissão calculadas para obter 600 mL de lama. A reologia foimedida com um reômetro Chan 35 após condicionamento da lamacimentosa por 20 minutos a 85 (.185 °F) num consistômetroatmosférico girando a 150 rpm. A lama foi cisalhada emdiferentes velocidades de cisalhamento correspondentes àsvelocidades de rotação de 300, 200, 100, 60 e 30 rpm. Asleituras estão reportadas nas Tabelas 3, 4 e 6. O tempo deespessamento foi medido num consistômetro pressurizadogirando a 150 rpm. As programações usadas para esses testesestão reportadas na Tabela 2. valor do tempo deespessamento corresponde ao tempo necessário para atingiruma consistência de lama de 100 unidades Bearden,correspondente ao inicio da cura do cimento. Os resultadosestão reportados nas Tabelas 5 e 7.
Tabela 2: Programações para os testes do tempo deespessamento reportados nas Tabelas 5 e 7
<table>table see original document page 12</column></row><table>Tabela 3.: Efeito do Silicato 1 sobre a reologia de lamascimentosas retardadas com Retardador 1 0,3% BWOC
<table>table see original document page 13</column></row><table>
Cimento A misturado com água nova para densidade de 1,89kg/L
Lamas cimentosas contendo 2,66 litros de agenteantiespumante por tonelada de cimento
A Tabela 3 mostra o efeito do silicato 1 (relaçãomolar Si02:Na20 de 3,32) sobre a reologia de lamas docimento A retardadas com 0,3% BWOC de lignosulfonato nãorefinado. Em ausência do silicato as leituras são altas,indicando que a lama não está dispersa, Um forte efeito dedispersão é notado com a aumentada concentração desilicato.Tabela 4: Efeito do Silicato 2 sobre a reologia de lamascimentosas retardadas com Retardador 1 0,3% BWOC
<table>table see original document page 14</column></row><table>
Cimento A misturado com água nova para densidade de 1,8 9kg/L
Lamas cimentosas contendo 2,66 litros de agenteantiespumante por tonelada de cimento
A Tabela 4 mostra o efeito do silicato 2 (meta-silicato de sódio, relação molar Si02:Na20 de 1) sobre areologia de lamas do cimento A retardada com 0,3% BWOC delignosulfonato não refinado. As concentrações do silicato 2foram escolhidas para produzir as mesmas concentrações deSiO2 como para o silicato 1 {Tabela 3) . 0 forte efeitodispersante obtido quando da adição do silicato 1 não émais observado com o silicato 2.Tabela 5: Efeito dos Silicatos 1, 2 e 3 sobre o tempo deespessamento de lamas cimentosas retardadas com Retardador1 em diferentes temperaturas
<table>table see original document page 15</column></row><table>
A Tabela 5 mostra o efeito de diferentes silicatossobre o tempo de espessamento de lamas cimentosas Aretardadas com lignosulfonato não refinado em diferentestemperaturas. A 85 °C (185 °F) o tempo de espessamento dalama retardada com 0,3% BWOC do retardador é de 4 horas e44 minutos. A adição de 0,3% BWOC do silicato 1 não alterao tempo de espessamento (uma diferença de 8 minutos não ésignificativa), enquanto que a adição de 0,38% BWOC dosilicato 2 (mesma quantidade de SiO.2 como para o silicato1) encurta o tempo consideravelmente. O silicato 3 não foitestado nessa temperatura. A 93,3 °C (200 °F) o tempo deespessamento da lama retardada com 0,5% BWOC de retardadoré de 6 horas e 22 minutos. Esse tempo é significativamentemais alongado quando da adição de 0,3% BWOC de silicato 1.Os silicatos 2 e 3 não foram testados nessa temperatura. A104,4 °C (220 °C) o tempo de espessamento da lama retardadacom 0,8% BWOC de retardador é de apenas 3 horas e 49minutos. Como observado a 93,3 °C o tempo de espessamento éconsideravelmente mais alongado quando da adição de 0,3%BWOC do silicato 1. ele é também mais alongado quando daadição de 0,38% BWOC do silicato 2, mas a um nível muitomenor (44 minuto contra 208 minutos). O tempo deespessamento é dramaticamente aumentado (23 horas e 20minutos) quando da adição de 4,53 litros de silicato 3 portonelada de cimento. Essa concentração corresponde à mesmaconcentração de SiO2 como para os dois outros silicatos(isto é, 0,185% BWOC SiO2).Tabela 6: Efeito dos Silicatos 1, 2 e 3 sobre a reologiadas lamas cimentosas retardadas com Retardadores 1 e 2
<table>table see original document page 17</column></row><table>
Cimento B misturado com água nova para densidade 1,8 9 kg/LLamas cimentosas contêm 2,66 litros de agente antiespumantepor tonelada de cimento e 35%BWOC de pó de silica
A Tabela 6 mostra o efeito dos três silicatos sobrea reologia das lamas do cimento B retardadas com 0,8% BWOCde lignosulfonato não refinado (retardador 1) . A lama étotalmente dispersa (valor de estresse produzido próximo azero) quando da adição de 0,3% BWOC de silicato 1. Umefeito similar é notado quando da adição de 4,53 litros desilicato 3 por tonelada de cimento. Ao contrário a lama setorna mais viscosa (leituras mais altas) quando da adiçãode 0,38%BWOC de silicato 2. 0 forte efeito dispersante dosilicato 1 é também observado quando a lama é retardada com0, 8% BWOC de lignosulfonato refinado (retardador 2) . Osoutros dois silicatos não foram testados com esser e t a r da do r,
Tabela 7: Efeito dos Silicatos 1, 2 e 3 sobre o tempo deespessamento de lamas cimentosas retardadas comRetardadores 1 e 2
<table>table see original document page 18</column></row><table>Cimento B misturado com água nova para densidade 1,89 kg/LLamas cimentosas contêm 2,66 litros de agente antiespumantepor tonelada de cimento e 35%BWOC de pó de silica
A Tabela 7 mostra os tempos de espessamento a 104,4°C (220 °F) correspondentes a essas lamas cimentosas B. Énotado que os temos de espessamento obtidos com o cimento Bsão significativamente menores que aqueles obtidos com ocimento A (mostrado na Tabela 5). A adição de 0,3% BWOC desilicato 1 alonga o tempo de espessamento e m4 8 minutosquando a lama é retardada com lignosulfonato não refinado(retardador 1) e em 74 minutos quando ele é retardado comlignosulfonato refinado (retardador 2) . 0 tempo deespessamento é ligeiramente mais curto quando da adição de0,38% BWOC de silicato 2 à lama retardada comlignosulfonato não refinado. Como observado com o outrocimento o efeito mais forte de retardamento é notado quandoda adição de 4,53 litros de silicato 3 por tonelada decimento.
Os inventores notaram que a performance do silicatode sódio depende da química do silicato. Efetivamente, trêscomportamentos diferentes foram experimentados: (1) para oSilicato 1, um forte efeito dispersante, um moderado efeitode.retardamento a 93,3 e 104,4 0C (sem efeito a 85 °C); (2)Silicato 2, sem efeito dispersante (quando o silicato émisturado a seco com o cimento), sem efeito de retardamentoa 93,3 e 104, 4 0C (efeito de aceleração a 85 °C); (3)Silicato 3, um forte efeito dispersante, um forte efeito deretardamento a 104,4 °C (não testado a 85 e 93,3 °C).
Desse modo, os inventores assumem que existem doisparâmetros importantes; a relação SiO2: Na2O, e o estadofísico do silicato (isto é, usado como um líquidoconcentrado ou como um sólido) . Atrás desses doisparâmetros o grau de polimerização dos anions silicato nasolução aquosa desempenha um papel importante: se a relaçãomolar de silicato SiO2:Na2O é alta {por exemplo, silicato3) anions poli-silicato estão presentes em solução; se essesilicato é diluído em grandes quantidades de água, como naágua de mistura para preparar a lama cimentosa, os anionssilicato permanecem sob a forma polimérica por algum tempo;se a relação molar de silicato SiG2:Na20 é baixa (porexemplo, meta-silicato de sódio) íons mono-silicato estãopresentes em solução; uma mistura de anions poli-silicato emono-silicato pode ser obtida quando um silicato sólido comalta relação molar SiC^iNazO (por exemplo, silicato 1) édissolvido em quantidades maiores de água.
É considerado que os anions poli-silicato atuemcomo retardadores seletivos para a fase intersticial doscimentos portland. No caso de cimentos classe G a faseintersticial é primariamente composta de aluminoferritatetracálcica (12-15% do cimento), Ca4Al2Fe20io, e pequenaquantidade (<3%) de aluminato tricálcico, Ca3Al206. Areatividade da fase intersticial é especialmente alta e,além disso, a taxa de hidratação pode ser aumentada napresença de alguns aditivos tais como Iignosulfonatos. Osprodutos de hidratação formados a partir da faseintersticial absorvem grandes quantidades de moléculasorgânicas (dispersante, retardador) que não estejam maisdisponíveis para dispersar e retardar a lama cimentosa. Ésabido que a reologia das lamas cimentosas é uma função dareatividade da fase intersticial. Por exemplo,concentrações maiores de ambos dispersante e retardador sãorequeridas quando do aumento da quantidade de aluminatotricálcico, o que é a fase mais reativa dos cimentosportland mais novos.
Na presença de alguns silicatos alcalinos, com aliberação de grandes quantidades de anions poli-silicatopara dentro da solução, o nivel de amplitude da hidrataçãoda fase intersticial pode ser menor.. Conseqüentemente, aquantidade de moléculas lignosulfonato absorvidas nointerior de seus produtos de hidratação é menor e,portanto, a lama deve ser mais bem dispersa. Estudosanteriores têm mostrado que o começo da cura do cimento setorna controlado pela hidratação da fase intersticialquando a temperatura de cura supera cerca de 88 0C (190°F). Abaixo dessa temperatura, a cura do cimento éprimariamente controlada pela hidratação das fasessilicato, CasSiOs e Ca2Si04. Isso pode explicar os tempos deespessamento mais prolongados obtidos a 104,4 0C (220 °F)em presença de silicátos 1 e 3.
Composições cimentosas de construçãoDerivados versáteis do tipo de silicátos de sódioe boratos de sódio são testados. O efeito dos trêsdiferentes silicátos de sódio e um borato de sódio sobre areologia e o tempo de espessamento das diversas lamascimentosas retardadas com dois diferentes retardadores foiestudado em temperatura elevada.
As características dos silicátos de sódio e boratosde sódio estão reportadas na Tabela 8. Os silicátos 1 e 2(meta-silicato de sódio) estão sob forma sólida e osilicato 3 está sob forma líquido concentrada (silicato desódio). A relação molar SiO2INasO é de 3,32 para o silicato1, 1 para o silicato 2 (meta-silicato de sódio, Na2SiO3) e3,37 para o silicato 3. O silicato 1 contém 10% em peso deágua de cristalização, enquanto que o silicato 2 está numaforma anidra.Tabela 8: Composições do aditivo versátil
<table>table see original document page 23</column></row><table>
*esse silicato de sódio contém 19% de água
As lamas cimentosas são produzidas dos três tiposde lamas cimentosas e um tipo de cimento classe A paraaplicação em campos de petróleo. As suas propriedades estãodescritas na Tabela 9, o teor C3A corresponde ao componentealuminato tricálcico da fase intersticial.Tabela 9: Composições cimentosas e propriedades
<table>table see original document page 24</column></row><table>3000
Todas as lamas foram preparadas com água nova, e umagente antiespumante foi também introduzido (2,66 litrospor tonelada de cimento - 0,03 gal/sk) para minimizar umaexcessiva geração de espuma durante a fase de mistura. Umdispersante foi também acrescentado para assegurar ocorreto nível de dispersão inicial. Esse dispersante estábaseado em componentes PolyNaftalenoSulfonato (PNS). Doisdiferentes retardadores foram usados, possuindo diferentescapacidades potenciais de retardamento. Isso foi levado emconta pela necessidade operacional em ajustar o tempo deespessamento como os necessários para as condições decampo. Os retardadores 3 e 4 estão baseados em saisgliconato e glicoeptonato.
Os resultados descritos na tabela 10 confirmam aspropriedades dispersantes do Silicato 1 com cimento tipo C,que já foi observado com o cimento classe G para aplicaçãoem campos de petróleo. Duas composições cimentosas feitasde cimento C são testadas:Cl e €2. A adição de 0,5% BWOC deSilicato 1 reduz a reologia. A magnitude desse efeitodispersante está relacionado à fineza do cimento, a qual émaior com esse cimento de construção. Isso poderia induzira necessidade de aumentar mais Silicato 1 para conseguiruma dispersão equivalente.
Tabela 10: Composições e propriedades do Cimento C
<table>table see original document page 25</column></row><table>Todas as formulações são de lamas a 1,87 g/cm3 (15,6lb/gal)
As lamas cimentosas contêm agente antiespumante a 2,66litros por tonelada de cimento (0,03 gal/sk)
Os resultados na Figura 1 mostra os comparativosdos tempos de espessamento a 93 0C de lamas contendo0,2%BWOC de Retardador 3, 0,2%BWOC de dispersante, 2,66litros de agente antiespumante por tonelada de cimento comconcentrações variadas de Silicato 1 (expresso em %BW0C). Alama contendo a mais baixa quantidade de Silicato 1(0,3%BW0C) é um bom exemplo do desenvolvimento da formaçãode gel com um significativo aumento da consistência duranteo período de dormência esperado, e começando bem antes daconsistência IOOBc. Além disso, o tempo de trânsito entre30 e 100 Bc é especialmente longo. Em termos da aplicaçãopara operações de cimentação, isso confirma que um talcimento não poderia ser usados para lamas na operação decimentação porque ele não é bombeável. Por outro lado,quanto mais a concentração de silicato é aumentada, mais asituação vai se tornando melhor: a lama contendo até0,9%BWOC apresenta uma consistência mantida bem baixadurante o período de dormência sem o desenvolvimento degel, e o tempo de trânsito foi encurtado para atingir umaduração razoável. 0 tempo para atingir IOOBc não é tãoinfluenciado.Isso mostra claramente a eficiência e o benefícioda adição e do aumento da quantidade de silicato. Esta é aconfirmação de que o silicato 1 se comporta como uminibidor da formação de gel, que permite o uso de um talcimento de construção padrão (cimento C) para operações decampos de petróleo.
Tabela 11: Comparação do efeito de aditivos versáteis nocimento D
<table>table see original document page 27</column></row><table><table>table see original document page 28</column></row><table>
Todas as formulações são de lamas a 1,87 g/cm3 (15,61b/gal)
As lamas cimentosas contêm agente antiespumante a 2,66litros por tonelada de cimento (0,03 gal/sk)
A Tabela 11 mostra uma comparação de diferentessilicatos formulados para conseguir a quantidadeequivalente de S1O2 na lama, com diferente concentração deRetardador 4. Sete composições cimentosas produzidas com ocimento D são testadas : Dl a D7 . Formulações (Dl e D2) e(D3 a D 7) mostram que as propriedades dispersantes podemestar inseridas no diferente ordenamento de magnitude comesse tipo de cimento D naquele nivel de concentração deSilicato. 0 parâmetro principal é a fineza do cimento, queé a maior para aquele cimento comparado a outros cimentosapresentados. E devido ao fato de que uma elevada fineza docimento induz diretamente uma aumentada quantidade deaditivo, tal cimento poderá requerer uma aumentadaquantidade de inibidores de formação de gel.
Mas nesse caso, a contribuição desses diferentesinibidores de formação de gel não impacta de modoimportante a Teologia7 mas os tempos de espessamento paraatingir IOOBc. Todas as formulações (exceto a formulaçãoD6) induzem um tempo de espessamento mais prolongado, o queconfirma suas propriedades de retardamento através dodesenvolvimento de espécies poli-silicatos. Com aformulação D7, o Silicato 2 sólido foi pré-hidratado, o queo colocou em boas condições para gerar algumas espéciespoli-silicatos na água de mistura. Por outro lado, quandomisturado a seco (formulação D6)., ele é diretamentecolocado adiante do cimento, e as espécies mono-silicatoiniciais podem não gerar poli-silicatos e desse modo nãopode retardar de nenhum modo a formulação. Movimento, o queé observado é uma situação adaptada do inibidor da formaçãode gel para as características do cimento. Existe umequilíbrio global que é gerado.
A composição cimentosa feita com o cimento tipo Efoi testada com um aditivo versátil feito de borato desódio com diferente concentração (expressa em %B-WOC) . Esseaditivo versátil inclui era particular tetra e pentaboratoscom diferentes graus de hidratação. A lama da composiçãocimentosa possui uma densidade de 1, 87 g/cm3 (15,6 ppg) ,Retardador 4 a 0,1%BWOC, 0,2%BW0C de dispersante e 2,66litros de agente antiespumante por tonelada de cimento sãoacrescentados. Os resultados dados nas Figuras 2 e 3,descrevem a influência do Borato 1.A Figura 2 confirma as propriedades dispersantes doBorato 1 com uma significativa redução da reologia. Asituação e'melhorada quando a concentração de Borato 1 éaumentada. Os perfis de hidratação daquelas formulaçõesforam também estudadas por calorimetria a 85 °C. Os perfisapresentados na Figura 3 mostram que Borato 1 apresentapropriedades de retardamento, quando acrescentado numaquantidade suficiente à lama de referência. Isso foiobservado com 0,25%BWOC. A 0,15%BWOC a diferença com aformulação de referência pode ser considerada comdesprezível.
Essa combinação das propriedades dispersantes e deretardamento do Borato 1 indicam que este é um bom inibidorda formação de gel para o cimento E.Tabela 12: Comparação do efeito dos aditivos versáteis nocimento E
<table>table see original document page 31</column></row><table>
Todas as formulações são de lamas a 1,87 g/cm (15,6lb/gal) e O,l%BWOC Retardador 4
As lamas cimentosas contêm agente antiespumante a 2,66litros por tonelada de cimento (0,03 gal/sk) e dispersantea 0,2%BWOC
Quatro composições cimentosas feitas de cimento Fsão testadas: Fl a F4. Tabela 12 mostra os resultados dareologia para as quatro composições cimentosas. OsSilicatos 1 e 3 que proporcionam espécies poli-silicatopossuem uma boa propriedade de dispersão (lamas F2 e F4). OSilicato 2 que proporciona espécies mono-silicato possuiuma propriedade de dispersão mais baixa (Lama F3) e nãopossui a performance equivalente.
Os tempos de espessamento apresentados na Figura 4mostram que a temperatura é também um parâmetro envolvidona determinação da quantidade otimizada do inibidor deformação de gel requerido. Com esse exemplo, quando atemperatura aumenta, as fases intersticiais se tornam maise mais reativas, e um cimento, que pode ser consideradocomo satisfatório a 77 °C, pode não ser mais a 93 °C,porque um desenvolvimento da formação de gel é observado.No geral, cada situação poderia requerer uma otimizaçãoespecifica levando em conta a totalidade dos parâmetrosessenciais, que comandam o desenvolvimento da formação degel (propriedades do cimento mas também condiçõesoperacionais tipo temperatura) .
Do mesmo modo, os inventores notaram que aperformance do silicato de sódio e borato dependem daquímica do silicato e borato. As composições cimentosas deconstrução possuem uma fase intersticial (composta deCa3AlzOe e Ca4Al2FeaOio) contendo alto teor de C3A. Como foiobservado alguns silicatos alcalinos especificamenteretardam a hidratação da fase intersticial de cimentosportland para composição cimentosa para campos de petróleo,ao' mesmo tempo em que eles não retardam a hidratação dasfases silicato. Agora, é observado pelos inventores, osmesmos resultados para alguns silicatos alcalinos e boratosalcalinos que especificamente retardam a hidratação da faseintersticial de cimentos portland para composição cimentosapara campos de petróleo e/ou construção, ao mesmo tempo emque eles não retardam a hidratação das fases silicato. Éconsiderado que na temperatura acima de cerca de 88°C (190°F) o tempo de cura se torna controlado pela hidratação dafase intersticial. Conseqüentemente esses silicatos e/ouboratos alcalinos atuam como auxiliar retardador emtemperaturas elevadas, permitindo reduzirsignificativamente a concentração do retardador normalmenterequerida para conseguir um dado tempo de espessamento.
Em muitos casos os problemas da formação de gel(isto é, espessamento precoce da lama cimentosa) sãoatribuídos ao nível maior de hidratação da faseintersticial. Os hidratos formados a partir dessa faseabsorvem grandes quantidades de moléculas orgânicas (porexemplo, retardadores, dispersantes) que não estejam maisdisponíveis na solução aquosa para retardar e dispersar ocimento. Desse modo, os silicatos e/ou boratos alcalinos,os quais estejam capazes para retardar a hidratação da faseintersticial, se comportam como eficientes agentes anti-formação de gel.Os silicatos alcalinos mais eficientes são aquelesque liberam algas proporções de anions poli-silicato emsolução aquosa. Na realidade a presença de anions poli-silicato é aumentada quando a relação molar SiO2: M2O (M éNa ou K) é igual ou acima de 1,5 e quando a solução aquosaestá concentrada. Essas duas condições são satisfeitas comsilicato de sódio que possua uma relação molar de SiO2: Na2Ode 3,37 e teor de sólidos de 38,5% p. Desse modo o silicatode sódio atua apropriadamente tanto como um auxiliarretardador em elevadas temperaturas e um agente anti-formação de gel.
Uma composição sólida feita com meta-silicato desódio (Na2SiOs, relação molar SiO2".Na2O de 1), é recomendadoquando aditivos líquidos não podem ser usados por questõeslogísticas. Todavia, essa composição não atuaapropriadamente porque sua solução aquosa é compostaprincipalmente de anions mono-silicato. E foi mostrado queum silicato de sódio sólido com uma relação molar SiO2: Na2Osimilar àquela do silicato de sódio se desempenha muitomelhor que o meta-silicato de sódio. Esse silicato de sódionão precisa estar sob forma anidra a fim de aumentar suataxa de dissolução dentro da água intersticial da lamacimentosa quando ele é misturado a seco com o cimento.
Os boratos alcalinos mais efetivos são aqueles queliberam altas proporções de anions poliboratos em soluçãoaquosa. Tetraboratos de sódio e pentaboratos de sódio sãopreferíveis.
Claims (14)
1. ADITIVO PARA MELHORAR AS PROPRIEDADES DE UMALAMA CIMENTOSA FEITA COM CIMENTO PORTLAND E PARA SERUTILIZADA NA CIMENTAÇÃO DE POÇO, o referido aditivocaracterizado por compreender componentes silicatos e/ouboratos que inibem a formação de gel que ocorre dentro dafase intersticial do referido cimento Portland.
2. Aditivo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por possuir a propriedade de liberar anionspoli-silicatos.
3. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 e 2, caracterizado por os silicatosestarem inclusos em silicatos de metal alcalinos de fórmulageral (SiOa)x(M2O), onde M é um metal alcalino, à lama.
4. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizado por a relação molar deSiO2: M2O ser maior que 1,5.
5. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4., caracterizado por a relação molar deSiO2IM2O estar na faixa de 1, 68-3/37.
6. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizado por os boratospossuírem a propriedade de liberar anions poliboratos.
7. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6, caracterizado por os boratos estareminclusos em boratos de metal alcalino de fórmula geral (B2-O3)y(N20), onde N é um metal alcalino, à lama.
8. Aditivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizado por a relação molar deΒ2θ3:Ν2θ ser igual ou maior que 2.
9. Aditivo,, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 8, caracterizado por a relação molar deB2OatN2O estar na faixa de 2-5.
10. USO DO ADITIVO PARA APLICAÇÃO DE CIMENTAÇÃO EMCAMPO DE PETRÓLEO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 9, caracterizado por ser com umretardador que compreende pelo menos um dos componentesescolhidos na lista constituída de: sais gliconato, saisglicoeptonato, ácidos hidroxicarboxílicos, saishidroxicarboxílicos, misturas de ácidos e/ou saishidroxicarboxílicos e derivados lignino-amina,lignosulfonatos não refinados e refinados.
11. MÉTODO DE PREPARAR UMA LAMA CIMENTOSA FEITA COMCIMENTO PORTLAND E PARA SER UTILIZADA EM CIMENTAÇÃO DEPOÇOS, o referido método caracterizado por compreender:(i) prover um cimento hidráulico feito comcimento portIand; e(ii) combinar um aditivo de acordo com uma dasreivindicações 1 a 9 com o referido cimento hidráulico numaquantidade na faixa de cerca de 0,1% até cerca de 20% empeso do referido cimento hidráulico na referida lama.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado por adicionalmente compreender acrescentar umretardador que compreende pelo menos um dos componentesescolhidos na lista constituída de: sais gliconato, saisglicoeptonato, ácidos hidroxicarboxílicos, saishidroxicarboxílicos, misturas de ácidos e/ou saishidroxicarboxílicos e derivados lignino-amina,lignosulfonatos não refinados e refinados.
13. MÉTODO PARA CIMENTAR UMA ZONA SUBTERRÂNEA,penetrada por ura furo de poço numa temperatura acima decerca de 88 °c (190 °f) utilizando uma lama cimentosa feitacom cimento portland, o referido método caracterizado porcompreender:(i) prover um cimento hidráulico feito comcimento portland;(ii) combinar um aditivo de acordo com uma dasreivindicações 1 a 9 com o referido cimento hidráulico numaquantidade na faixa de cerca de 0,1% até cerca de 20% empeso do referido cimento hidráulico na referida lama;(iii) bombear a referida lama contendo o referidoaditivo formado previamente ao interior da zona subterrâneapor meio do referido furo de poço; e(iv) permitir a referida lama a curar.
14. Método, de acordo com a reivindicação 131,caracterizado por adicionalmente compreender acrescentar umretardador que compreende pelo menos um dos componentesescolhidos na lista constituída de: sais gliconato, saisglicoeptonato, ácidos hidroxicarboxílicos, saishidroxicarboxílicos, misturas de ácidos e/ou saishidroxicarboxílicos e derivados lignino-amina,lignosulfonatos não refinados e refinados.
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