PROJETO DE APARATO EXPERIMENTAL PARA AVALIAÇÃO DE INCRUSTAÇÕES
EM TUBULAÇÕES HORIZONTAIS
A incrustação de sais inorgânicos é o mecanismo de deposição de minerais sólidos
sobre superfícies susceptíveis como metais, rochas etc. O processo resulta da precipitação
de sais solúveis inorgânicos que se aderem a parede da tubulação e é influenciado por
mudanças na temperatura e no pH, que alteram a solubilidade dos cristais incrustantes
presentes no meio aquoso, ou ainda pela combinação dos fatores: mudança de pressão,
impurezas, aditivos, variação da taxa de fluxo, expansão do fluido e evaporação de gás.
Incrustação em trocador de calor
Incrustação em tubulação
O estudo pretende avaliar o efeito da incidência de um campo eletromagnético
sobre trechos da tubulaçao como meio de mitigação da formação de incrustação. O
experimento recria as situações de concentração de sais e pressão encontradas na
industria de petróleo e leva em consideração o trabalho com o Carbonato de Cálcio
(CaCO3) por ser um mineral inorgânico inerte encontrado facilmente na natureza e
também um dos maiores causadores de incrustações salinas.
Índice:
1. Instalações físicas
2. Estudo das incrustações
3. Procedimento experimental
Instalações Físicas
Associado ao projeto está a implantação no prédio do Laboratório de Tecnologia de
Poços (LTP) uma infra-estrutura laboratorial dedicada ao atendimento de pesquisas nas
áreas de perfuração, completação e intervenção de poços de petróleo. O projeto do
aparato experimental foi concebido com parâmetros de operação abrangentes a fim de
atender a diferentes cenários e necessidades de medição.
O Rig Multipropósito, como é chamado, possui tubulações de 1” , 2” e 3” de
diâmetro e comprimento total de até 300m. Sua configuração permite opera-lo em
circuito aberto ou fechado com escoamentos monofásicos ou multifásicos água/óleo e,
eventualmente, gás.
Um sistema de bombeamento robusto é capaz de pressurizar a tubulação a até
260bar e permite vazões de 1 a 18m3/h. Medidores de temperatura e pressão a cada vinte
metros acompanham as caracteristicas do escoamento e junto com medidores de fluxo
mássico(coriolis) e ultrassônico compõem a intrumentação do equipamento.
Os reagentes químicos que formam o carbonato de cálcio são bombeados
individualmente para a tubulação a partir de dois tanques de 1m3.
®
Um separador água/óleo é utilizado quando a mistura for bifásica(sem emulsões).
Opera sobre pressão ambiente e vazão de até 1m3/h.
Estudo das incrustações
SeparadorO de
Água e Óleo
estudo do processo físico-químico de formação das incrustações tem inicio na
destina-se a interação
separar
emulsivos
em água.
águaO ou
efluentes.
É de uma
dosóleos
sais comnão
seu solvente,
usualmente
potencial
de incrustação
m materiais não
corrosivos
(PP, PVC
em De
regime
solução
está diretamente
ligado )a operando
sua solubilidade.
fato, alaminar
deposição de sais
inorgânicos
poderá ocorrer
soluções salinas
de alta concentração.
té 60ºC. Através
dosó módulo
deemplacas
o separador
de óleo,
nsidade entre o óleo
e a água em que está contido, fazendo com
A alteração de propriedades como pressão e temperatura afeta o chamado índice
. Quanto maior
for a diferença
de
densidade,
maior
a cristalinas
eficácia
incrustações
salinas.
pode
se apresentar
em três3será
diferentes:
de
saturação.
No casoEledo
carbonato
de cálcio(CaCO
)formas
a variação
de pressão
está
mulsivos não fortemente
serãoAragonita
separados
na 2003).
emulsão
nãoesse
setipo
verifica
a ocorre
associada
a sua pois
solubilidade.
Por esse motivo,
de incrustação
Calcita,
e Vaterita
(Patnaik,
com maior frequência em regiões onde há maior queda de pressão.
e de captação
do óleo separado, através de vertedor
2.6.1constante
Calcita
e óleo, totalmenteTrata-se
desenvolvido
pela QUIMITANK®,
que
torna
da forma
polimórfica
detrês
Cálcio
maiscristalinas
estável a
da natureza.
O carbonato
de cálcio
aparece de
na Carbonato
natureza em
formas
através de calhas coletoras e tubulação, até um recipientediferentes:
Calcita,
Aragonita
e Vaterita.
A Calcita
apresenta
a forma trigonal-romboédrica. Com relação à dureza, possui valor 3
do equipamento É dotado de bloco separador que pode ser
na escala
Mohs.
- Calcita
ra limpezas periódicas
sear o
Trata-se
da forma
de éCarbonato
de Cálcio
estável da Criada
natureza.
A
Vale
lembrar
que apolimórfica
escala Mohs
a mais utilizada
emmais
mineralogia.
pelo
Calcita apresenta a forma trigonal-romboédrica. Com relação à dureza, possui valor 3
alemão Friedrich
Mohs, em 1812, ela atribui valores de 1 a 10 à resistência que um
na escala Mohs.
determinado de
mineral oferece ao risco. O valor de 1 é dado ao talco e 10 ao diamante
separador
- Aragonita água e óleo QUIMITANK ®
(Gemology)
É bem menos estável do que a Calcita. A Aragonita possui uma solubilidade maior e
nte, dá-se por gravidade,
passando
porSuabaixo
placa
divisória,
apresenta a forma
ortorrômbica.
dureza nada
escala
Mohs está
entre 3,5 e 4
unidades. Ela é mais densa e aderente que a Calcita.
elo bloco separador,
que tem a finalidade de diminuir a velocidade
2.6.2 Aragonita
- Vaterita
mpo para que o óleo
flote (suba para a superfície) de onde será
ÉAbem
menos
estável
do que amais
Calcita.
Aragonita
possui Também
uma solubilidade
Vaterita
é a forma
polimórfica
rara deACarbonato
de Cálcio.
é
conhecida como µ-CaCO3. Assim como a Aragonita, ela é uma forma metaestável em
maior e apresenta a forma ortorrômbica. Sua dureza na escala Mohs está entre 3,5 e 4
alidade de regular
essa
camada
óleo
nasolubilidade
superfície,
funcionando
condições
ambientes.de
Possui
a maior
das três
formas.
unidades.
Ela
é
mais
densa
e
aderente
que
a
Calcita.
Quando
exposta
a
água,
a
Vaterita
pode
se
converter
em
Calcita
nível do efluente, ou seja: rosqueando no sentido horário, (aobaixas
nível
temperaturas) ou Aragonita (a temperaturas superiores a 60oC). Possui formato
entido anti-horário ohexagonal.
nível subirá de maneira que se pode regular a
da.
ão emulsionados, é que essa camada esteja entre 10 e 20mm de
assim que apenas óleo vá para as calhas coletoras.
(diluídos em água), deverão passar pelo processo de “quebra de
sar pelo separador.
2.6.4
Mecanismo de incrustação
Quimitank
Equipamentos
e Serviços
Industriais
Ltda.
Como já foi dito,
a pressão
exerce efeito
fundamental
na incrustação
por
Rua
Victória
Pena Giorgi,
486 de
- Parque
Carbonato de Cálcio.
Isso
porque,
durante
produção
óleo emMarajoara
poços deIIpetróleo, a
Figura
3 - Estruturas
cristalinasa de
Calcita e Aragonita
(Pengelly trust).
C.E.P.: 09112-170 - Santo André - S.P.
pressão tende a cair naturalmente.
Quando essa pressão fica abaixo da pressão de bolha,
Fone: 2324-1988
Fax: 55 11 4458-1288
ocorre o desprendimento natural de gás carbônico da mistura. Pela relação de Le
2.6.3 Vaterita
e-mail: [email protected]
Em que
tubulações
pressurizadas,
um mecanismo
de incrustação
ocorre
Chatelier
estabelece
as leis de deslocamento
de equilíbrio
químico,importante
a reação abaixo
devido A
perdas
de écarga
localizadas
e distribuídas
queCarbonato
diminuemdeaCálcio.
pressãoTambém
da linhaé
Vaterita
a forma
polimórfica
mais rara de
será deslocada no sentido da ocorrência da produção de CO2 e, portanto, também de
acarretando então o desprendimento natural de gás carbônico da
mistura, o que desloca o
conhecida como !-CaCO3. Assim como a Aragonita, ela é uma forma metaestável em
CaCO
.
3 químico no sentido da produção de CO2 e, portanto, também de CaCO3.
equilíbrio
condições ambientes. Possui
!! a maior!solubilidade das três formas.
!"
! !!"#! ! !"!#! ! !!"! ! !!! ! !
Quando exposta a água, a Vaterita pode se converter em Calcita (a baixas
Outra consequência
da desassociação
do superiores
gás carbônico
é o aumento
doformato
pH da
temperaturas)
ou também
Aragonita
temperaturas
60ºC).
Outro fato
não (a
pode
ser deixado de
lado. Comaa saída
do Possui
gás carbônico,
solução deixando o carbonato da cálcio ainda menos solúvel e, assim, aumentando a
hexagonal.
o pH dadesse
solução
aumenta. Isso torna o Carbonato de Cálcio ainda mais insolúvel e,
deposição
mineral.
assim, a deposição desse mineral tende a aumentar.
Além do fator pressão, a temperatura exerce papel no processo de incrustação.
O mecanismo de formação de incrustações é, em teoria, composto de 5 fases
8
Ao contrário do que acontece com muitos minerais, a solubilidade do carbonato diminui
principais: nucleação, transporte para a superfície, adesão à superfície, remoção e
à medida que a temperatura aumenta.
envelhecimento.
Em resumo, podemos verificar que a deposição tende a aumentar com o aumento
• Nucleação, fase inicial, quando nenhum sinal de material incrustado pode ser
da temperatura,
aumento
do pH,dediminuição
da pressão
diminuição
salinidade
total.
visto,
mesmo após
o início
funcionamento
do ecircuito
em da
questão.
Essa
fase
pode chegar a durar algumas horas.
2.6.5 Índices específicos
• Transporte para a superfície, também citado na literatura como transporte de
Para o caso específico do Carbonato de Cálcio, uma série de índices foram
massa, essa fase é a mais compreendida hoje em dia. É nela que o movimento das
criados comdoo centro
intuito de
o comportamento
desse
em ocorre.
água, óleo e gás.
partículas
do descrever
escoamento
para as paredes
da mineral
tubulação
Dentre eles, podemos citar:
• Adesão à superfície. Nem todo material transportado para a superfície se adere a
ela. As forças que atuam no material enquanto ele se aproxima das paredes exerce
2.6.5.1 Índice de saturação de Langelier (LSI)
um papel fundamental. Por outro lado, propriedades da partícula - densidade,
elasticidade,
superfície
e estado,
e da
superfície de
- rugosidade
e Cálcio
tipo deem
material,
Este índice
se propõe
a predizer
a estabilidade
Carbonato de
água.
também afetam consideravelmente a adesão do material à superfície da tubulação.
Ele indica se o mineral vai se precipitar, se dissolver ou entrar em equilíbrio. Langelier
remoção
em paredes
ou não
desenvolveu,Aem
meados de
de material
1930, um incrustado
método de predição
de pHdenatubos
qual a pode
água estará
• Remoção.
começar
logo
que a deposição
tem início.
saturada de
carbonato
(pHs).
O LSI é expresso
por uma
o pH medido
o pHs (LSI
= pH
A espessura
de diferença
material entre
incrustado
em umae parede
cresce
com– o
• Envelhecimento.
tempo,
até que
atinge
a estabilidade. A partir daí a força de deposição, que mantém o
pHs). Dessa
forma,
tem-se:
material incrustado, pode mudar com o tempo devido a mudanças na estrutura cristalina
i.
LSI > 0: Água supersaturada com tendência à deposição de carbonato;
do sal depositado. Essas mudanças podem ocorrer devido a processos de desidratação
ii.
LSI =dos
0: Água
equilíbrio
com o do
carbonato;
ou polimerização
grãos.saturada,
Assim em
sendo,
essa força
material incrustado pode
aumentariii.ou diminuir
o passar
do tempo.
LSI < 0:com
Água
insaturada
com tendência a dissolver carbonato.
9
Procedimento experimental
O planejamento experimental levou em conta parâmetros de outros trabalhos
semelhantes disponíveis na literatura cientifica. Entre todos os artigos publicados nenhum
se assemelha à escala aqui proposta, no entanto a tabela a seguir compara os parâmetros
do Rig Multipropósito com os dos experimentos.
Uma avaliação dos resultados obtidos em trabalhos anteriores indica de fato uma
tendência na redução das incrustações.
Efeito da aplicação de campo
eletromagnético em função da frequência.
550 ppm de CaCO3.(Tijing, 2010)
Efeito da aplicação de campo eletromagnético
em função da velocidade de escoamento.
330ppm de CaCO3. (Tijing, 2010)
Quanto às resultados esperados com a incidência de um campo eletromagnético pode-se
então dizer que as seguintes mudanças serão investigadas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Formação de Calcita no lugar de Aragonita;
Crescimento dos cristais;
Retardo na precipitação de Carbonato de Cálcio
Menores espessuras de material incrustado;
Mudanças na dureza;
Mudanças no pH;
Mudanças na condutividade.
A fim de validar os métodos de prevenção de incrustações e permitir o
acompanhamento das mudanças estruturais do cristal depositado, serão utilizados
equipamentos analíticos dentre os quais se destacam: ensaios de dureza, análise por
microscópio eletrônico, teste de alcalinidade, análise do tamanho de partículas, teste de
condutividade, pesagem de material incrustado, teste de difração por raio- X, entre outros.
Medições são feitas tanto no material incrustado quanto em amostras de fluido obtidas
durante o experimento.