Employee-based innovation theories and the normative discussion of

Conforme já foi anteriormente dito, os aditivos são utilizados para modificar as propriedades do cimento, com base nas propriedades requeridas para cada operação de cimentação. Esses aditivos se dividem em várias categorias: aceleradores de pega, retardadores, controladores de filtrado, agentes expansivos, aditivos que alteram a densidade da pasta, entre vários outros. A seguir, iremos analisar brevemente cada um deles, incluindo os produtos mais comuns.

2.6.1 Aceleradores de Pega

Os aceleradores de pega diminuem o tempo de espessamento da pasta, reduzindo o tempo necessário para que as reações ocorram. Os aceleradores de pega são bastante desejados principalmente nas situações onde se utilizam cimentos com baixa densidade (ou

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seja, pouco teor de cimento), assim como em formações com baixo gradiente geotérmico, ou baixa temperatura no local da cimentação.

O acelerador de pega mais utilizado é o cloreto de cálcio (CaCl2). O principal motivo

para isso é seu baixo custo e farta disponibilidade. Além disso, ao contrário de outros sais, quando o cloreto de cálcio é usado, independentemente de sua concentração, o mesmo sempre atua como acelerador de pega. Em geral, sua concentração “ótima” é de 1 a 4% em massa. Acima desses valores, a pasta pode ficar bastante instável e promover a gelificação da mesma. Outro sal bastante utilizado é o cloreto de sódio (NaCl), sal de cozinha. Ao contrário do cloreto de cálcio, em concentrações altas o NaCl pode atuar como retardador de pega, e em qualquer concentração atua como dispersante. Comumente, o cloreto de sódio pode ser usado como acelerador em até 10% de concentração.

O cloreto de potássio também pode ser usado como acelerador de pega, com um efeito secundário bastante benéfico em argilas e por não alterar o funcionamento de controladores de filtrado.

2.6.2 Retardadores de Pega

Do lado dos aceleradores de pega, os retardadores de pega possuem uma participação essencial na indústria de petróleo: os cimentos Portland padrão não possuem um tempo de pega alto o suficiente para serem aplicados em temperaturas superiores a 38ºC. Isso é um problema principalmente em poços profundos, onde o tempo de deslocamento da pasta pode ser bastante elevado.

O retardador mais usado atualmente são os ligno sulfonatos, sais metálicos derivados do processamento de rejeitos de madeira. Os mais comuns são os lignosulfonatos de cálcio e sódio. Os derivados de celulose também são bastante usadas como retardadores de pega. A hidroxietil celulose (HEC) e carboxi-metil-hidroxi-etil-celulose (CMHEC). Outra função do CMHEC é como controlador de filtrado.

Por fim, como já citamos anteriormente, os sais também podem ser usados como retardadores. Concentrações acima de 20% podem efetivamente retardar a pega do cimento em várias horas. Essas pastas super salinas são bastante utilizadas para cimentações através de domos salinos, e ajudam a proteger zonas com argilas, prevenindo maiores danos à formação.

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Por outro lado, as pastas super salinas são muito dispersadas, e requerem grandes quantidades de controladores de filtrado.

2.6.3 Extendedores

A densidade de uma pasta de cimento “padrão” é em torno de 15 lb/Gal. Entretanto, vários fatores podem fazer com que essa densidade de pasta seja demasiado alta: em zonas naturalmente fraturadas, com histórico de perda de fluido para a formação, ou até mesmo zonas com baixo gradiente de fratura, se exige um cimento de baixa densidade, capaz de reduzir o gradiente hidrostático da coluna de fluido. Para isso, se utilizam materiais chamados de extendedores. Existem diversos tipos de extendedores, entre eles os extendedores físicos (argilas e compostos orgânicos, além da vermiculita, usada neste trabalho), extendedores pozolânicos, extendedores químicos e gases.

Na prática, qualquer material que tenha densidade inferior à do cimento pode ser usado como extendedor. Esses materiais abaixam a densidade da pasta por um dentre esses três métodos: os extendedores físicos ocupam o lugar do cimento, diminuindo a densidade total da mistura. Os extendedores químicos (e os físicos, em menor proporção), absorvem água, permitindo que mais água seja adicionada à mistura, diminuindo a densidade do cimento sem que se produza água livre. Os gases, por fim, agem de maneira diferente, já que são usados para se produzir cimentos com densidades extremamente baixas, ao mesmo tempo em que retém resistências compressivas aceitáveis.

Os extendedores físicos são os mais comuns de todos. Em geral eles funcionam ao aumentar a quantidade possível de água na pasta, ou por diminuição da densidade conjunta do sistema. Os extendedores físicos mais usados são a bentonita, perlita, além, claro, da vermiculita, usada nesse trabalho.

A bentonita é um mineral argiloso composto basicamente de montmontrilonita sódica (NaAl2(AlSi3O10)·2OH). O uso de bentonita é tão comum que a mesma foi tratada em uma

especificação da API. A bentonita pode ser adicionada a qualquer cimento API, e seus usos mais comuns, além da diminuição da densidade da pasta, são para prevenir a segregação dos sólidos, reduzir água livre, reduzir filtrado e aumentar o rendimento da pasta. Geralmente, se limita a concentração de bentonita até 16% de concentração mássica.

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A Perlita vulcânica é um extendedor constituído de rocha vulcânica, tratada de forma a gerar um material com grande teor de ar em seu interior, resultando em uma baixa densidade. Exatamente por causa dessa característica, a Perlita tem grande tendência a se segregar do resto da pasta. Por isso, é necessário se adicionar cerca de 6% de bentonita. Por fim, a Perlita possui baixa compressibilidade, o que diminui consideravelmente a resistência compressiva das pastas com esse material.

2.6.4 Extendedores Pozolânicos

Outra classe de extendedores bastante comum são os extendedores pozolânicos. Em geral, se utilizam, nesses casos, cinzas, micro sílica, metacaulim, micro esferas de vidro, entre outros. Em comparação com outros aditivos, os extendedores pozolânicos podem ser usados em grandes concentrações. As cinzas, por exemplo, podem ser adicionadas em volumes até quatro vezes superiores aos do cimento, sendo o material pozolânico mais usado, sendo classificados em dois tipos, Classe F e Classe C, sendo a Classe F a mais usada. A maior vantagem desse material é seu baixo custo e abundância. As características das cinzas variam pouco entre suas bateladas, desde que a “fonte” seja constante.

As micro esferas são usadas quando se desejam pastas com densidades entre 8,5 a 11 lb/Gal. Elas consistem em pequenas esferas ocas, em geral, cinzas ocas, e estão sempre presentes em cinzas de Classe F, mas em quantidades reduzidas, e sua superfície é vítrea com aluminossilicatos, e seu interior é composto de gases de combustão, como CO2, NO2, SO2. Já

as esferas sintéticas são de vidro com borosilicato e criadas de forma a possuir grande resistência contra quebra, e em geral são preenchidas com nitrogênio. A maior desvantagem do uso dessas esferas está exatamente em sua possibilidade de quebra durante a mistura e bombeamento da pasta pela coluna, e quando expostas a pressões hidrostáticas maiores do que o esperado. O principal efeito negativo disso é o aumento da densidade da pasta, aumento da viscosidade, diminuição do volume da pasta e pega antecipada. Certamente, se o projeto da pasta for bem executado, há a possibilidade de se obter vários efeitos positivos, como grande crescimento da resistência mecânica da pasta, controle da perda de fluido e água livre.

Microsílica, também conhecida como pó de silício, é uma forma de sílica finamente dividida, com alta área superficial e que pode ser obtida tanto na forma líquida quanto em pó.

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Além da diminuição de densidade, a micro sílica promove outros benefícios à pasta. Por causa de seu reduzido diâmetro, as partículas de sílica preenchem as zonas entre as partículas maiores de cimento, resultando em uma matriz estrutural densa e resistente. Além disso, ocorre uma melhoria significativa das propriedades reológicas, já que as partículas agem como se fossem micro esferas. A concentração mássica desejada de micro sílica deve ser da ordem de 3 a 30% da pasta. O maior problema da micro sílica é seu custo. Tratada como rejeito há alguns anos, a micro sílica passou a ser intensamente utilizada, o que acabou por dificultar o acesso ao material. As propriedades da sílica a fazem ser útil em diversas outras aplicações: desde melhorias na compressibilidade da pasta até melhoria das propriedades tixotrópicas do cimento para squeezes, perda de circulação, migração de gás e controle de filtrado.

2.6.5 Extendedores Químicos

Diversos materiais são eficientes como extendedores químicos. Os mais comumente usados na indústria do petróleo são o silicato de sódio e a gipsita. O silicato de sódio pode ser até seis vezes mais eficiente do que a Bentonita quando usado como extendedor, sendo eficiente para criação de pastas com até 11,5 lb/Gal.

2.6.6 Cimento Aerado

É possível se desenvolver pastas cimentantes com densidades variando de 4 a 18 lb/Gal, se aproveitando da aeração das pastas. Esses cimentos são compostos, geralmente, por uma mistura de cimento, agentes aeradores e um gás, em geral nitrogênio. Esse gás é injetado a alta pressão em uma pasta que tenha previamente recebido um agente aerante e um estabilizador de espuma. Esse processo leva a criação de uma pasta bastante leve, composta de milhares de pequenas bolhas que não coalescem, formando uma matriz de baixa densidade e alta resistência.

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Em teoria, qualquer pasta de cimento pode ser passível de virar um cimento aerado. Da mesma forma, qualquer operação de cimentação pode ser passível de ser feita com cimentos aerados, quer seja uma cimentação primária ou secundária, em poços verticais ou horizontais. Apesar da operação com cimentos aerados ser mais difícil que o normal, o mesmo possui várias vantagens, como sua baixíssima densidade, excelente razão resistência/densidade, é facilmente bombeável, é expansível, ajuda a prevenir a migração de gás, melhora a isolação de zonas, não é necessário o uso de controladores de filtrado, estável em qualquer temperatura, dentre outros (COOK, 2004).

2.6.7 Agentes Adensantes

Agentes adensantes são utilizados para de aumentar a densidade das pastas, para controlar poços de alta pressão de poros. Em geral, para cumprir bem a sua função, os materiais devem ter densidade superiores a 17 lb/Gal. O adensante mais utilizado é a hematita (Fe2O3).

2.6.8 Dispersantes

Dispersantes são usados extensivamente na indústria de cimentação para melhorar as propriedades reológicas das pastas, de forma a diminuir as perdas de carga no bombeamento das mesmas. Outra vantagem dos dispersantes é sua habilidade de permitir uma alta carga de sólidos nas pastas. Dessa forma, cimentos com densidades superiores a 17 lb/Gal podem ser desenvolvidos sem o uso de agentes adensantes. O mesmo conceito, em teoria, pode ser utilizado para desenvolver pastas de baixíssima densidade, mas com alto teor de sólidos, e uso de extendedores.

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Romero Gomes da Silva Araujo Filho, Março/2012 2.6.9 Controladores de Filtrado

Controladores de filtrado são usados para manter um volume constante da pasta cimentante, de forma a garantir que as propriedades da pasta se mantenham dentro de um limite. Em geral, a variação de cada uma dessas propriedades depende da quantidade de água no cimento. Caso haja água em excesso, em geral o tempo de espessamento, perda de fluido, água livre, segregação, permeabilidade e porosidade do cimento serão maiores. Por outro lado, a densidade, viscosidade e resistência da pasta serão menores. E, tendo em vista que a previsibilidade das propriedades da pasta são uma das características mais desejadas nas mesmas, é essencial que se consiga controlar essas propriedades dentro de um range aceitável. As pastas de cimento, fisicamente falando, são suspensões coloidais com fases sólidas e líquidas distintas. Durante a operação de cimentação, caso ocorra das fases se segregarem, permitindo que zonas de alta densidade se formem dentro da pasta, o que pode causar, além da mudança brusca nas propriedades do cimento, até mesmo causando fraturamento da formação, pega instantânea, entre outros. Após o posicionamento da pasta, a fase fluida será filtrada para as formações permeáveis, resultando em uma diminuição do volume de pasta e da sua pressão hidrostática, além de vários outros pontos indesejáveis.

Os inibidores de filtrado são, dessa forma, usados para controlar a segregação das fases, líquida e sólida, dentro da pasta de cimento, assim como controlar a taxa de infiltração da parte líquida da pasta na formação. As pastas sem inibidor possuem, em geral, uma perda calculada de acordo com as normas API de 1500 cm³/30 min. Esse valor deve ser alterado para cada formação, em cada trabalho de cimentação.

2.6.10 Bentonita

A bentonita, apesar de ser um extendedor, ocupa um local de destaque no presente trabalho, tendo em vista que a mesma também pode ser usada como controlador de filtrado, é de fácil obtenção e baixo custo. Bentonita possui cerca de 85% do material argiloso smectita (também chamado de montmorilonita), e possui a propriedade pouco usual de se expandir

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várias vezes quando em contato com água, o que aumenta a viscosidade e a força gel das pastas, além de sua estabilidade, por manter melhor os sólidos suspensos (NELSON, 1990).

A bentonita, geralmente, é adicionada entre 6% a 20% em massa de água, e consegue atingir densidades até 12 lb/Gal. Entretanto, infelizmente ocorre uma diminuição considerável na resistência compressiva da pasta, que pode atingir valores de até 1 MPa, para concentrações próximas a 20% de bentonita. Além disso, a permeabilidade do cimento aumenta, o que diminui a resistência do mesmo a fluidos corrosivos.