USE OF BENTONITE CLAY IN OIL DRILLING FLUIDS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7632481
Jéssica Guimarães Barros1
Diego José Araújo Bandeira2
Patrício Gomes Leite3
Renata Tomaz Vieira Dias4
Antônio Nunes de Oliveira5
Tiago da Nóbrega Albuquerque6
Raimundo Calixto Martins Rodrigues7
Marcia Janiele Nunes da Cunha Lima8
RESUMO: Diante do crescente avanço do setor petrolífero, torna-se necessário o desenvolvimento de fluidos que tenham propriedades ideais para perfuração de poços de petróleo. Em função de suas propriedades, as argilas bentoníticas vem se destacando nessa área. Mais de 79% dessas argilas são encontradas em depósitos no Estado da Paraíba, principalmente no município de Boa Vista. Há mais de 40 anos, esses jazimentos vêm sendo extraídos de forma desordenada, o que tem levado ao esgotamento das variedades mais valiosas e prejudicado seriamente a qualidade do produto acabado. As mineradoras impõem condições estritas aos produtores, exigindo a compra de variedades inferiores ao lado das que ainda possuem qualidades mais desejáveis, e frequentemente variedades inferiores que são excluídas do processo produtivo. Dessa forma, objetivou-se com a execução desta revisão uma abordagem sobre a utilização de argila bentonita em fluidos de perfuração de petróleo. Utilizou-se como método uma revisão no campo bibliográfico de caráter exploratório sobre o resíduo gerado na atividade. Conclui-se que a utilização deste tipo de argila se dá devido a suas propriedades reológicas e de filtração.
PALAVRAS-CHAVE: Fluidos de perfuração. Argilas bentonitas. Propriedades reológicas. Propriedades de filtração.
ABSTRACT: Faced with the growing advance of the oil sector, it is necessary to develop fluids that have ideal properties for drilling oil wells. Due to their properties, bentonite clays have been highlighted in this area. More than 79% of these clays are found in deposits in the State of Paraíba, mainly in the municipality of Boa Vista. For over 40 years, these deposits have been extracted in a disorderly manner, which has led to the depletion of the most valuable varieties and seriously impaired the quality of the finished product. Mining companies impose strict conditions on producers, requiring the purchase of inferior varieties alongside those that still have more desirable qualities, and often inferior varieties that are excluded from the production process. Thus, the objective of this review was to approach the use of bentonite clay in oil drilling fluids. A review in the bibliographic field of an exploratory nature on the waste generated in the activity was used as a method. It is concluded that the use of this type of clay is due to its rheological and filtration properties.
KEYWORDS: Drilling fluids. Bentonite clays. Rheological properties. Filtration properties.
INTRODUÇÃO
As argilas são materiais que possuem grânulos finos e são formadas por silicatos de alumínio, ferro e magnésio. Minerais, também conhecidos como minerais de argila, os formam. Esses argilominerais são geralmente cristalizados, compostos por vários elementos como magnésio, ferro, cálcio, sódio, potássio, lítio e outros; após a moagem, formam uma pasta plástica, são misturados com água e podem conter matéria orgânica, sais dissolvidos, cristais de quartzo e outros resíduos minerais. (AISHWARYA & RACHEL, 2023).
As argilas possuem uma série de propriedades que as tornam materiais altamente vantajosos. Entre essas propriedades podemos citar: serem facilmente dispersáveis em água, faixa ampla de propriedades reológicas, plasticidade, área de superfície externa das partículas muito grande, baixa granulometria, entre outras, o que torna as argilas matérias-primas com amplas possibilidades de aplicações. Assim como o baixo custo, são de fácil manuseio e por serem encontradas em abundância. As argilas podem ser divididas em vários grupos, como esmectitas, ilitas, cloritas, vermiculitas, entre outros (ZHAO et al., 2023).
A bentonita é um tipo de argila formada pela desvitrificação e alteração química de cinzas vulcânicas. Elas receberam essa denominação devido à localização de seu primeiro depósito, em Fort Benton, nos EUA. A bentonita também pode ser definida como qualquer argila composta do argilomineral montmorilonita, que fazem parte do grupo das esmectitas (MOOSHAEE et al., 2022). A bentonita apresenta uma interessante característica que é a capacidade de troca de cátions, resultantes de substituições isomórficas, por isso ela se torna ideal para uso industrial (GAHLOT et al., 2020).
As argilas bentoníticas podem ser utilizadas em diversas áreas, destacando se na área industrial, como impermeabilizantes em barragens, descoloração de óleos, na indústria farmacêutica, cosméticos, fluidos de perfuração, entre outras aplicações (ROSTAMZADEH & SADEGHI, 2022).
As funções das argilas bentoníticas nos fluidos de perfuração são aumentar a estabilidade dos poços, diminuir o atrito com a broca, diminuir infiltrações do permeado formado, etc. Os fluidos podem ser classificados em três tipos: base óleo, base água e base gás (SANTOS, 2012).
Fluidos de perfuração podem ser definidos como líquidos que têm como objetivo facilitar o processo de perfuração de poços de petróleo. O êxito da operação de perfuração depende da performance dos fluidos. As propriedades ideais do fluido são consistência de gel, viscosidade, controle de filtrado, reboco, inibição de argilas hidratáveis e coeficiente de lubricidade (CELINO et al., 2022).
METODOLOGIA
Esta revisão de literatura de caráter exploratório e informativo (Pereira et al., 2018) apresenta uma explanação de forma abrangente do conceito de argilas bentonitas e sua utilização em fluidos de perfuração, abrangendo uma compilação de ideias no campo bibliográfico.
Realizou-se uma busca de trabalhos correlatos ao assunto proposto, selecionando-se de forma criteriosa artigos e trabalhos científicos de impacto que abordam a referência temática (Pereira et al., 2018). Os artigos selecionados para elaboração do presente trabalho foram retirados dos respectivos bancos de dados: Elsevier, Google Acadêmico, Periódicos Capes, Pubmed, Scielo, Scopus e Science Direct, na qual foram elaboradas sínteses de conhecimento prioritário entre os artigos da decante corrente (2011-2021), sem desconsiderar os trabalhos relevantes de anos anteriores.
RESULTADOS
Bentonita
Quando combinadas com água, as argilas exibem plasticidade e são definidas como um material natural, quebradiço e de grão fino. Quimicamente, as argilas são formadas a partir de silicatos de alumínio, ferro e magnésio e são conhecidas como argilominerais. (SANTOS, 1992; CARDUCCI et al., 2022).
Atualmente, o termo bentonita é usado de forma genérica para designar as argilas formadas por partículas muito finas, constituídas predominantemente pelo argilomineral Montmorilonita, que pertence ao grupo das esmectitas (SILVA et al., 2010; SANAVADA et al., 2023).
Bentonita é um termo geral utilizado pelo Departamento de Produção Mineral Nacional (DNPM) para se referir a argilas com teor de esmectita argilominerais variando de 55 a 70%, independente de sua origem ou ocorrência. (SILVA, 2013).
A Montmorilonita é composta por camadas que são compostas por duas folhas de dióxido de silício em forma tetraédrica, separadas por uma folha de alumínio em forma octaédrica. A presença de cátions tetragonais hidratados nas câmaras – tipicamente Ca+2, Mg+2 e Na+ equilibram o desequilíbrio de cargas elétricas no retículo de cristalinidade (SILVA et al., 2010; SANAVADA et al., 2023).
Neste tipo de estrutura, as folhas tetraédricas e folhas octaédricas diferentes encontram-se adjacentes, enquanto os átomos de oxigênio localizam-se em posições opostas, levando a uma fraca ligação entre as camadas. Além disso, existe forte potencial repulsivo na superfície das camadas, resultante do desbalanceamento elétrico (TONNESEN et al., 2012; NOGUEIRA et al., 2022).
As substituições isomórficas em nível da folha tetraédrica (em que o Si4+ pode ser substituído por Al3+, Fe3+) e no nível de folha octaédrica (em que o Al3+ pode ser trocado por cátions Mg2+, Fe2+) deixam como resultado um desbalanceamento elétrico que é compensado por cátions, como Na+ e Ca2+, que se posicionam entre as camadas e são intercambiáveis, dando origem às denominações sódica e cálcica das bentonitas. Estes dois fatores contribuem para o aumento da distância entres as camadas quando em presença de água (TONNESEN et al., 2012; WU et al., 2022).
Propriedades da bentonita
Segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral, bentonitas são argilas que possuem como características principais, além da tixotropia, um poder de inchamento de até 20 vezes de seu volume inicial, espaços interplanares de até 100 Å, área específica de até 800 m2/g e capacidade de troca de cátions entre 80 e 150 meq/100g de argila (SILVA et al., 2013).
A estrutura e a morfologia também determinam as propriedades das esmectitas, dessa forma, as posições terminais têm um papel importante na reatividade e comportamento coloidal das esmectitas. Apesar da área da superfície terminal representar apenas 1 a 3% da área da superfície total, sua contribuição é maior que 10% da capacidade da troca de cátion (DELAVERNHE et al., 2015).
A capacidade de troca de cátions, uma propriedade importante das esmectitas, é originada principalmente das cargas das camadas, contudo, aproximadamente de 10 a 20% da capacidade da troca de cátions são devido a taxas variáveis de pH e força iônica dos eletrólitos (KAUFHOLD et al., 2013; TONG et al., 2023).
Além da capacidade de troca de cátions, as propriedades reológicas são propriedades igualmente importantes da bentonita usada em fluido de perfuração, que é a viscosidade e a tixotropia. A bentonita pode ser usada como agente controlador de viscosidade de um fluido de perfuração, de modo a permitir uma maior eficiência no transporte de fragmentos de rochas para a superfície (KASHIF et al., 2023). Quanto às propriedades tixotrópicas, estas são importantes, pois permitem que a suspensão assuma uma estrutura gelatinosa quando em repouso. Sendo importante nos fluidos de perfuração, porque impede o retorno dos fragmentos de rochas ao fundo do poço, em casos como na paralisação do bombeamento para a troca de broca de perfuração ou na colocação de novas colunas de perfuração (TONNESEN et al., 2012; SONG et al., 2023).
Os materiais tixotrópicos e anti tixotrópicos apresentam propriedades dependentes do tempo. O modelo tixotrópico envolve a existência de dois tipos diferentes de comportamento reológico dependente do tempo (mudança estrutural e viscoelasticidade). O comportamento de materiais tixotrópicos estáveis e em ciclos de cisalhamento, aumento e diminuição na taxa de cisalhamento são explicados em termos da quebra e construção da estrutura (ZHANG et al., 2022).
O uso de bentonita nos fluidos de perfuração também está relacionado à ação lubrificante, sobre a broca e as tubulações e à formação de uma camada de baixa permeabilidade nas paredes do poço. Os fluidos desempenham uma série de funções essenciais dependentes diretamente das suas propriedades físicas e químicas, ou seja, densidade, viscosidade, consistência do gel, controle de filtrado e reboco e inibição das argilas hidratáveis (XIE et al., 2023).
A perfuração de poços é uma operação que está continuamente em desenvolvimento, onde novos materiais e tecnologias são propostos para controlar as inúmeras condições heterogêneas (CALÇADA et al., 2015; YANG et al., 2022).
Fluidos de perfuração consistem de sólidos dissolvidos em suspensão, líquido e agentes de tratamento, com o líquido constituindo a fase contínua. Para estabilizar a parede de poço, o fluido de perfuração forma um bolo o qual abre caminho para a formação de uma superfície sob uma condição de desequilíbrio. O bolo do filtrado deveria permitir o mínimo de filtração, prevenindo invasão dos sólidos para a formação e opondo-se ao desequilíbrio do alto diferencial de pressão (RUGANG et al., 2014; LIU et al., 2022).
A perda de circulação é um problema na construção de poços, gerando custos líquidos adicionais e, em circunstância extrema, comprometendo a realização da perfuração (CALÇADA et al., 2015; YANG et al., 2022).
Fluidos de perfuração
Os fluídos de perfuração são definidos por composições geralmente na forma líquida, que tem como principal objetivo ajudar no processo de perfuração de poços de petróleo, sendo indispensáveis nessa etapa, pois a eficácia da perfuração irá depender do bom desempenho do fluido utilizado. As funções dos fluidos são resfriar e lubrificar a broca de perfuração, reduzir o atrito entre a coluna de perfuração e as paredes do poço, manter a estabilidade do poço, transportar os detritos de perfuração, permitir sua separação na superfície e formar um filme de baixa permeabilidade (reboco) nas paredes do poço (THAR et al., 2023).
Os fluidos podem ser classificados em três tipos: base óleo, base água e base gás. Essa classificação depende diretamente de sua composição química e irá afetar diretamente suas aplicações (STRACHAN et al, 2012).
Existem requisições ambientais cada vez mais rígidas no setor de perfuração de poços de petróleo, isso torna o seu estudo mais frequente na busca de novos desenvolvimentos para fluidos à base água. Sabendo que os mesmos se encontram em crescente utilização e estudo (JABERI et al., 2023).
As propriedades apresentadas pelas argilas bentoníticas são de crucial importância para uso em fluido de perfuração, pois sua tixotropia contribui para o bom funcionamento do poço de perfuração, a viscosidade contribui para que as partículas removidas do poço fiquem aprisionadas no fluido e não retornem ao poço, resfriamento da broca, etc. (SILVA et al., 2023).
No Brasil, as argilas bentoníticas do município de Boa Vista, no estado da Paraíba, são as mais utilizadas na preparação de fluidos. Devido a isso, a exploração dos jazigos de Boa Vista durante muitos anos acarretou no esgotamento das variedades de boa qualidade, comprometendo o abastecimento do setor petrolífero em todo o mundo, gerando uma dependência das bentonitas de outros países (KALHORI et al., 2023).
O uso das argilas bentoníticas nos fluidos de perfuração está relacionado à lubrificação, sobre a broca e também sobre as tubulações, e à formação de uma camada de baixa permeabilidade nas paredes do poço. Além disso, existem inúmeras funções essenciais que os fluidos apresentam no setor de perfuração de poços de petróleo (VASCONCELOS et al., 2022).
Argilas bentoníticas para uso em fluidos de perfuração
Ao analisar a fração leve foi submetido a um processo de purificação para remoção de carbonato e óxidos de ferro presentes na estrutura, com o objetivo de aumentar a capacidade de troca catiônica, rendendo um aumento de 25% no rendimento quando comparado ao fracionamento leve e purificado. Utilizando os métodos de análise termodinâmica TG, DTG e DTA, foi possível entender melhor as etapas em que o fracionamento foi utilizado, identificando potenciais mudanças estruturais e impurezas para processos de adsorção (MACEDO et al., 2012.
Estudos realizados por Aghamelu e Okogbue (2015) avaliaram as propriedades das argilas de três unidades geológicas na Nigéria que foram Asu River Group (Albian), EzeAkuGroup (Turonian) e Imo ShaleFormation (Paleocene). As análises indicam que elas são predominantemente esmectitas e são típicas de camada mistas, mas possuem outras propriedades reológicas que ficam além dos requisitos para bons materiais de lama de perfuração. Por causa do beneficiamento, com 4% de Na2CO3, a maior parte da capacidade de intumescimento e parâmetros reológicos foi melhorada. No entanto, a melhoria, especialmente na qualidade do inchamento , é consideravelmente baixo quando comparado com os dados de intumescimento em bentonitas naturalmente ativas de Wyoming e do Texas, e argilas ativadas de Manitoba e da Índia.
Os estudos realizados por Balaban et al. (2015) avaliaram o comportamento sinérgico que ocorre quando três inibidores diferentes catiônicos para inchamento de argila são associados com salmoura contendo NaCl e KCl. Dessa forma, os inibidores comerciais utilizados foram o cloreto quaternário catiônico de poliamina, o cloreto de poliacrilamida catiônica com o grupo de quaternário amônio e o sal quaternário de cloreto de amônio. Os testes de capilaridade no CST (Capilary Succion Timer) e de inchamento no LSM (Linear Swell Meter) foram realizados com uma bentonita comercial, e também foi empregada uma análise estatística experimental (DOE), por metodologia de resposta de superfície (RSM) para uma melhor interpretação dos resultados. Os resultados mostraram vários graus de eficiência, ou seja, os inibidores misturados com salmouras foram mais eficazes do que os inibidores isoladamente, e os melhores resultados foram obtidos com cloreto de poliacrilamida catiônica com o grupo de amônio quaternário.
Boussen et al. (2015) investigaram as características físicas, mineralógicas, químicas e reológicas das argilas da formação Aleg (Tunísia), a fim de avaliar seu uso como lama de perfuração. A análise de Difração de Raios-X revelou uma predominância de esmectitas (≥90%), com menor quantidade de caulinita e ilita. As amostras ativadas com uma solução de Na2CO3 mostraram um comportamento reológico adequado para a preparação de lamas de perfuração, onde os parâmetros ótimos para a ativação foram concentração de Na2CO3 a 3%, o tempo de ativação de 60 min, 75 °C de temperatura de aquecimento e de concentração de argila de 75 g/l. Sob estas condições, as propriedades reológicas e físicas, incluindo a viscosidade aparente, área de superfície e índice de intumescimento mostraram um valor máximo.
Choo e Bai (2015) realizaram estudos para observar as influências da concentração de bentonita e pH da solução sobre as propriedades reológicas e estabilidades a longo prazo. As propriedades reológicas foram medidas em concentrações da bentonita de 5, 7 e 9% em massa e verificou-se que a viscosidade e tensão de cisalhamento crescem com o aumento da concentração e tempo de armazenamento da bentonita. Dessa forma a tensão de cisalhamento inicial da suspensão de bentonita 9% foi maior com o aumento do tempo de armazenamento do que o valor limite de elasticidade obtido a partir de modelo de Herschel-Bulkley ou modelo de Bingham. As propriedades reológicas e potenciais zeta foram medidos com várias quantidades de uma solução 1 M de HCl adicionado a uma suspensão de bentonita de 5%, e foi possível concluir que o valor absoluto do potencial zeta diminuiu à medida que a quantidade adicionada de uma solução de HCl era aumentada.
Azouz et al. (2016) realizaram estudos que examinaram o efeito da temperatura sobre as propriedades reológicas das dispersões de bentonita em soluções aquosas com carboxi metil celulose. Para tensões mais baixas do que um limite de elasticidade aparente, os sistemas comportam-se como um gel e, acima do limite de elasticidade aparente, que fluiu como líquidos. No regime de líquido, a viscosidade dos fluidos diminui à medida que a temperatura aumenta, e no regime de sólido, quando a temperatura aumenta, os resultados experimentais apresentaram comportamentos incomuns da viscosidade e dos módulos de cisalhamento.
CONCLUSÃO
Conclui-se que as propriedades reológicas e de filtração da argila bentonita, a colocam como material próprio para utilização em fluidos de perfuração, onde é amplamente utilizada ao redor do mundo para tal finalidade.
Os resultados contribuem para estudos futuros de viabilidade econômica de utilização de argilas bentonitas em fluidos de perfuração de petróleo, consolidando um material eficiente nesta indústria.
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1Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: jessicaguimaraes89@gmail.com
2Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: diegoimperium8@gmail.com
3Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: pgomesleite@gmail.com
4Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: renatatomazdias@outlook.com
5Instituto Federal do Ceará, e-mail: nunes.vieira@ifce.edu.br
6Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: tiagofernandes_pb@hotmail.com
7Universidade Estadual do Maranhão, e-mail: Calixto_80@hotmail.com
8Universidade Federal de Campina Grande, e-mail: marciacunhalima87@hotmail.com