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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPIRITO SANTO CENTRO UNIVERSITARIO DO NORTE DO ESPIRITO SANTO – CEUNES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO – DECOM
Engenharia de Petróleo
EUDER FLÁVIO DA SILVA ALVES FILHO
Relatório de atividades do estágio extracurricular desenvolvido na PUC-Rio (Período: 09 a 26 de julho de 2012)
São Mateus – ES, Setembro de 2012
Agradecimentos A Deus pela sua companhia. A minha família pelo amor incondicional e apoio financeiro. Ao meu orientador, Oldrich Joel Romero, pela dedicação, paciência, ensinamentos, apoio e confiança em mim depositado. Ao professor Marcio da Silveira Carvalho pela oportunidade e confiança em mim prestada. Ao Dr. Danmer Maza, pela paciência, ensinamentos e dedicação durante minha estadia no laboratório. Ao aluno Ademir Freire pela dedicação e ajuda dentro do laboratório. A Gisllane por ter nos ajudado com a caracterização dos fluidos no Laboratório de Caracterização de Fluidos (LCF) da PUC-Rio. Aos demais colegas Luiz Diego, Diego e Giovanni pela companhia durante minha estadia no laboratório. Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Ao meu amigo Eng. Pablo Morelato pela oportunidade de estada durante a realização deste trabalho em sua residência na cidade do Rio de Janeiro.
Resumo Neste documento são apresentados os resultados alcançados durante a visita ao Laboratório de Microhidrodinâmica e Meios Porosos do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, realizada no período 09 a 26 de julho de 2012. Atualmente com a alta necessidade de energia, a produção de petróleo, que é considerado a principal fonte de energia no mundo, deve ser cada vez mais eficiente, assim cada vez mais vão surgindo novas alternativas para melhor aproveitamento desta fonte energética. Existem inúmeras técnicas para obter um melhor aproveitamento do reservatório, fazendo com que cada vez mais óleo seja recuperado. No método de injeção de água, o óleo que se encontra no reservatório é varrido até os poços produtores por meio de frentes de deslocamentos não uniformes, o que faz com que o óleo fique estagnado em grandes áreas do reservatório. Frentes uniformes de deslocamento e uma melhor varredura do reservatório podem ser obtidas diminuindo a razão de mobilidade entre a água e o óleo (CASTILLO, 2011). Comumente, esta diminuição da razão de mobilidade pode ser obtida através da modificação da razão de viscosidade entre ambas as fases. No método de injeção de emulsões, a diminuição da razão de mobilidade pode ser feita bloqueando os poros ou os caminhos gerados pela água com gotas da fase dispersa de diâmetros maiores ou iguais ao tamanho do poro. É importante também conhecer a distribuição dos tamanhos das gotas da fase dispersa a fim de prever a queda de pressão no escoamento, uma vez que durante a produção as gotas maiores se quebram mudando a distribuição dos tamanhos de gotas. O principal objetivo deste trabalho é de aprender como preparar e caracterizar as emulsões de óleo em água e em seguida injeta-las em um micro capilar com garganta para obter a queda de pressão e de tal modo a estudar o efeito do tamanho das gotas da fase dispersa. Uma banca experimental foi utilizada para o estudo. Foi feito um estudo da queda de pressão das gotas da fase dispersa através de um micro-capilar com garganta. O experimento foi realizado utilizando uma seringa conectada ao conjunto de uma válvula mais um tubo e este conectado ao micro-capilar. A passagem das emulsões foi feita utilizando uma bomba de seringa, onde era possível controlar a vazão de injeção.
Palavras-chaves Emulsões; Meios Porosos; Micro-capilares; Petróleo; Recuperação Avançada;
Relatório de estagio extracurricular desenvolvido na PUC-Rio
Sumário Agradecimentos ...................................................................................................... 2 Resumo.................................................................................................................... 3 Lista de figuras........................................................................................................ 2 Lista de tabelas........................................................................................................ 3 1. Fundamento teórico............................................................................................. 4 1.1. Escoamento no meio poroso: escalas de análise .......................................... 4 1.2. Emulsões ...................................................................................................... 4 1.3. Surfactantes .................................................................................................. 6 2. Abordagem experimental.................................................................................... 7 2.1. Bancada experimental .................................................................................. 7 2.1.1. Sistema de injeção................................................................................. 9 2.1.2. Sistema de medição da pressão ........................................................... 10 2.2. Preparação das emulsões óleo em água (O/A)........................................... 12 2.2.1. Preparação da fase contínua (fase aquosa).......................................... 13 2.2.3. Preparação da emulsão........................................................................ 17 2.2.4. Processo de caracterização das emulsões............................................ 19 3. Resultados e discussões .................................................................................... 23 4. Comentários quanto à realização dos experimentos ......................................... 25 5. Considerações finais ......................................................................................... 27 6. Bibliografia ....................................................................................................... 28
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Lista de figuras Figura 1. Reservatório petrolífero nas escalas macroscópica e microscópica (Fonte: Romero, 2009). .................................................................................................... 4 Figura 2. Esquema de uma emulsão........................................................................ 5 Figura 3. Formação das micelas.............................................................................. 6 Figura 4. Representação esquemática da bancada experimental. ........................... 8 Figura 5. Fotografia da bancada experimental........................................................ 8 Figura 6. Montagem dos componentes do sistema de injeção. ............................... 9 Figura 8. Transdutor de pressão Validyne DP15-TL. ........................................... 10 Figura 9. Placa de terminais Validyne P/N 12871-1 (esquerda) e placa de interface Validyne UPC2100 (direita) (Fonte: CASTILLO, 2011)............................................... 11 Figura 10. Cabo P/N 12870-5 utilizado na conexão entre as placas (Fonte: CASTILLO, 2011). ........................................................................................................ 11 Figura 11. Interface do software EASYSENSE 2100........................................... 12 Figura 12. Equipamentos utilizados para filtrar e destilar a água utilizada no experimento. ................................................................................................................... 14 Figura 13. Balança ADVENTURE PRO® e Cloreto de Sódio. ........................... 14 Figura 14. Placa agitadora IKA® RW20. ............................................................. 15 Figura 15. Equipamentos utilizados para pesagem do surfactante ....................... 15 Figura 16. Balão volumétrico utilizado no experimento....................................... 16 Figura 17. Placa agitadora magnética FISATON 761 .......................................... 16 Figura 18. Gráfico da viscosidade versus taxa de cisalhamento........................... 17 Figura 19. Pipeta de volume ajustável automático (1-5 ml) utilizado na preparação das emulsões. .................................................................................................................. 18 Figura 20. Dispersor utilizado na emulsificação................................................... 18 Figura 21. HYDRO® 2000, equipamento utilizado no MASTERSIZER® 2000.19 Figura 22. Interface do software MASTERSIZER 2000. ..................................... 20 Figura 23. Exemplo de uma caracterização no MASTERSIZER 2000. ............... 21 Figura 24. Agitação das emulsões na placa magnética FISATOM® 761. ........... 21 Figura 27 - Emulsão O/A instável......................................................................... 26
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Lista de tabelas Tabela 1 - Fatores que foram levados em conta na elaboração das emulsões. ..... 13 Tabela 2 - Composição e concentração dos componentes da fase contínua ......... 13 Tabela 3. Concentração das fases utilizadas no preparo das emulsões................. 17 Tabela 4. Parâmetros utilizados no processo de emulsificação ............................ 19
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1. Fundamento teórico 1.1. Escoamento no meio poroso: escalas de análise
O óleo é encontrado nos poros das rochas, também conhecido como reservatório petrolífero, juntamente com água e gás natural. A rocha reservatório pode ter dimensões de vários quilômetros. A Fig. 1 (esquerda) mostra o escoamento no meio poroso em escala macroscópica e a direita o escoamento em escala microscópica.
Figura 1. Reservatório petrolífero nas escalas macroscópica e microscópica (Fonte: Romero, 2009).
A importância de estudar a injeção de emulsões nos meios porosos na escala microscópica se deve ao fato de que as forças viscosas e superficiais ficam mais evidentes podendo assim ser feita uma analisa mais detalhada da sua influencia durante a injeção.
1.2. Emulsões Emulsão é uma mistura de dois líquidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis onde uma das fases encontra-se dispersa na outra sob a forma de gotas de tamanho microscópico ou coloidal (ROSA, 2003), segundo representado Fig. 2 O sistema é termodinamicamente instável uma vez que a fase interna tende a se aglomerar e se separar. Agentes emulsificantes são usados para retardar essa separação inevitável (LISBÔA, 2002). Uma emulsão é dita estável quando a mesma consegue manter as gotas da fase dispersa por um tempo considerável, sem que haja separação das fases. Segundo Shaw (1975) a estabilidade é uma das propriedades mais importantes de uma emulsão. O termo “estabilidade da emulsão” pode ser empregado 4
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com relação a três fenômenos diferentes: sedimentação, floculação e quebra da emulsão. A quebra pode ocorrer, por exemplo, devido à coalescência das gotículas dispersas. Melo (2007) destaca que três fatores são necessários para a formação de uma emulsão:
Os líquidos devem ser imiscíveis ou parcialmente miscíveis;
Adição de energia (na forma de agitação ou de turbulência) deve ocorrer para dispersar um líquido no outro líquido;
Um agente emulsificante deve estar presente.
Quando a tensão interfacial obtida é muito pequena, as gotículas dispersas formam o que conhecido como microemulsão. Agentes emulsificantes são grandes moléculas anfifílicas (contêm grupos hidrofóbicos e hidrofílicos) e promovem a estabilidade da emulsão reduzindo a tensão interfacial, em função de sua adsorção na interface. A tensão interfacial pode ser entendida como a “força requerida para quebrar a superfície entre dois líquidos imiscíveis”. A emulsão se forma prontamente à medida que a tensão é reduzida e teoricamente se ela fosse zero, a emulsão se formaria espontaneamente (LISBÔA, 2002). A Figura 2 apresenta um tipo de emulsão e identificação das fases.
Figura 2. Esquema de uma emulsão.
Dependendo da origem, as emulsões podem ser classificadas como naturais ou sintéticas. As emulsões de origem natural são geradas espontaneamente, encontramos esse tipo de emulsões como resultado de processos de digestão de comida, lactação, entre outros. Por outro lado, as emulsões sintéticas, formuladas e geradas em laboratório, são produzidas através de processos mecânicos de cisalhamento, escoamento submetido à extensão, entre outros mecanismos (PEÑA, 2007). 5
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Dependendo da concentração volumétrica de cada fase, as emulsões podem ser caracterizadas como sendo emulsões água-em-óleo (A/O) ou emulsões óleo-em-água (O/A). Nas emulsões A/O a água se encontra dispersa no óleo que atua como a fase contínua. Por outro lado, nas emulsões O/A o óleo que se encontra disperso na água. São dois os fatores principais que alteram o tamanho das gotículas da fase dispersa. A taxa de cisalhamento e a tensão interfacial. A taxa de cisalhamento está diretamente relacionada com a deformação da gota. Para um escoamento através de um tubo de seção reta, a taxa de cisalhamento define o nível de deformação das gotas. E a tensão interfacial ou superficial pode ser definida como a força por unidade de comprimento que impede o rompimento da superfície de contato entre as duas fases.
1.3. Surfactantes O surfactante age como um agente emulsificante, como objetivo de isolar as gotículas da fase dispersa e evitar a segregação gravitacional. Segundo Villalobos (2010) um surfactante é uma substância composta de moléculas com regiões tanto hidrofílicas (polares, afins à água) quanto lipofílicas (não polares, afins aos óleos). Sua ação é resultado da natureza de suas moléculas. Existe uma concentração acima da qual a interface fica saturada de maneira que as moléculas de surfactante excedentes ficam em solução em uma das fases formando diferentes tipos de aglomerados conhecidos como micelas gerando uma repentina mudança nas propriedades da solução. A concentração de surfactante na qual se inicia a formação de micelas é conhecida como concentração micelar crítica (CMC) (VILLALOBOS, 2010). Na Figura 3 é esquematizada a formação das micelas.
Figura 3. Formação das micelas.
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2. Abordagem experimental
Neste capítulo será descrito o procedimento experimental seguido, assim como o detalhamento de cada um dos componentes da bancada experimental e preparação dos fluidos utilizadas nesta experiência. Este
trabalho
foi
desenvolvido
nas
instalações
do
Laboratório
de
Microhidrodinâmica e Escoamento em Meios Porosos (LMMP) do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, local onde está montada a bancada em ambiente com temperatura controlada a 24 ºC. A bancada foi projetada durante os trabalhos de Peña (2007) e Cobos (2007), desde então vem recebendo melhorias na concepção do projeto e nos equipamentos, contribuições estas resultado da atuação de mestrandos e doutorandos do grupo do Prof. Márcio Carvalho. O desafio neste curto tempo, 15 dias, de visita ao Laboratório foi apreender os conceitos teóricos e principalmente ganhar experiência com a utilização da bancada e equipamentos auxiliares. O período de realização dos testes foi do dia 09 a 26 de julho de 2012. A abordagem experimental é constituído por três etapas, que são: i.
Preparação e caracterização morfológica de emulsões óleo-em-água (O/A);
ii.
Preparação da bancada experimental para análise de escoamento através de micro-capilares com garganta;
iii.
Realização de experimentos para medição da relação vazão – diferença de pressão no escoamento de emulsões óleo-água através de micro-capilares com garganta.
Como complemento a este trabalho, algumas dificuldades encontradas durante a abordagem experimental serão discutidas posteriormente e sugestões para futuros trabalhos. Na sequência será detalhada a bancada experimental utilizada neste trabalho e posteriormente a preparação e caracterização das fases e por fim os resultados.
2.1. Bancada experimental A bancada é composta de dois sistemas: i.
Sistema de injeção; e, 7
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ii.
Sistema de medição da pressão.
A Figura 4 é a representação esquemática da bancada experimental utilizada neste trabalho. A emulsão é bombeada a uma vazão constante pela bomba de seringa no sentido indicado pelas setas 1 e 3. O transdutor registra a pressão e armazena no computador em uma planilha do Excel de forma continua. A emulsão segue o caminho indicado pela seta 3 atravessando o microcapilar com garganta para ser depositada em um pequeno reservatório de coleta.
Figura 4. Representação esquemática da bancada experimental.
O procedimento de preparação e caracterização das emulsões é descrito detalhadamente na seção 2.2. A Figura 5 representa a foto dos equipamentos utilizados na bancada experimental utilizada no presente trabalho.
Figura 5. Fotografia da bancada experimental.
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2.1.1. Sistema de injeção É composto pela bomba de seringa, seringa, micro-capilar com garganta e acessórios utilizados para montagem do circuito. As emulsões foram injetadas, a vazões constantes, por uma bomba de seringa COLE-PALMER® 78-0100C. Esta bomba possui um motor de passo e engrenagens, controlado por um microprocessador, que permite fornecer taxas volumétricas de injeção com ±0.5% de exatidão e ±0.2% de reprodutibilidade das medições (SYRINGE PUMPS). A seringa utilizada foi a MULTIFIT de vidro com capacidade volumétrica de 3 ml e ponta com conexão true lock. Segundo Castillo (2011), esta permite uma conexão hermética com uma torneira de três vias EMBRAMED, de plástico e com o mesmo tipo de conexão em duas de suas vias. A utilização deste tipo de torneira facilitou muito na redução do número de acessórios na montagem do circuito. Figuras 6 e 7 apresentam os componentes do sistema de injeção.
Figura 6. Montagem dos componentes do sistema de injeção.
Figura 7. Capilar 200/50 µm (Fonte: DEL AGUILA, 2008).
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Foi utilizado um micro-capilar de vidro fabricado pela HILGENBERG®. O comprimento do capilar é de 80 mm. O diâmetro da seção reta é de 200 µm e o diâmetro da sua garganta é de 50 µm. A Figura 7 apresenta a geometria do capilar.
2.1.2. Sistema de medição da pressão Para a aquisição dos dados da queda de pressão foram utilizados um transdutor de pressão, uma placa de terminais externa, uma placa de interface e um computador para controlar e salvar os dados. O transdutor de pressão utilizado é do tipo diafragma da VALIDYNE Mod. DP15-TL, Nº. 132116, com ±0.25% de exatidão no total da escala. Figura 7 mostra o detalhe deste acessório.
Figura 7. Transdutor de pressão Validyne DP15-TL.
A variação de pressão no diafragma do transdutor é transmitida como valor de voltagem para a placa de terminais externa VALIDYNE P/N 12871-1. Esta placa, com conexão independente para termopares e oito conjuntos de terminais para diversos sensores, transmite o sinal analógico para a placa de interface VALIDYNE UPC2100 conectada diretamente no computador através de uma porta PCI. A conexão entre as placas é feita mediante o cabo de fita P/N 12870-5 (VALIDYNE ENGINEERING CORP). Figura 8 e 10 mostram os componentes do sistema de medição da queda de pressão. 10
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Figura 8. Placa de terminais Validyne P/N 12871-1 (esquerda) e placa de interface Validyne UPC2100 (direita) (Fonte: CASTILLO, 2011).
Figura 9. Cabo P/N 12870-5 utilizado na conexão entre as placas (Fonte: CASTILLO, 2011).
A aquisição e o tratamento de dados foram efetuados mediante a utilização do software EASYSENE 2100. Este software é compatível com o Visual Basic e C++ e os dados podem ser armazenados em uma planilha no Excel. Na configuração do software foi necessário calibrar a placa de aquisição de dados em até 20 psi. A Figura 10 mostra a interface do software. Durante a calibração obteve-se o scale factor, o fator offset e o sistema de unidades a ser utilizado. Houve a necessidade também de escolher o sensor a ser utilizado, que foi o AC Sensors. É possível também escolher o número de aquisições e o intervalo entre cada uma delas.
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Figura 10. Interface do software EASYSENSE 2100.
2.2. Preparação das emulsões óleo em água (O/A)
A preparação das emulsões é dividida em três etapas: (i) preparação da fase contínua; (ii) preparação da fase dispersa; e finalmente, (iii) preparação das emulsões. Em Montalvo (2009) são citados alguns fatores que devem ser levados em conta ao preparar as emulsões, que são: a. Definir o propósito para o qual a emulsão vai ser utilizada; b. Determinar o tipo de emulsão, micro ou macro-emulsão, uma emulsão água em óleo ou óleo em água, tudo isto em concordância com o propósito para o qual a emulsão é destinada; c. Considerar a natureza das fases envolvidas. Por exemplo, a fase aquosa será simplesmente água ou terá algum soluto presente? Que tipo de óleo será utilizado para a emulsão? d. Tomar uma decisão a respeito da natureza e concentração do agente emulsificante. A Tabela 1 foi elaborada levando em consideração os fatores mencionados acima.
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Relatório de estagio extracurricular desenvolvido na PUC-Rio Tabela 1 - Fatores que foram levados em conta na elaboração das emulsões. Fatores Caso de Estudo
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Propósito da emulsão
Escoamento em micro-capilares com garganta com a finalidade de estudar a queda de pressão na entrada do capilar.
Micro ou Macro-emulsão?
Macro e Micro-emulsão. Com o intuído de estudar o comportamento de ambas no microcapilar.
Emulsão A/O ou O/A?
Emulsão Óleo em Água (O/A). Atendendo que sua aplicação em reservatórios de petróleo seria através de poços de injeção, como método de recuperação avançada.
Natureza Fase Aquosa
Solução a base de água, NaCl e uma substância a fim de favorecer a formação de emulsões.
Natureza Fase Oleosa
Óleo com densidade próxima a da água com a finalidade de evitar a segregação gravitacional.
Agente emulsificante
Foi utilizado um substancia a fim de favorecer a formação das emulsões.
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3
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2.2.1. Preparação da fase contínua (fase aquosa) Nesta etapa foi preparada a fase contínua ou fase aquosa. Para preparar esta solução utiliza-se 18,3 g de cloreto de sódio (NaCl), 500 ml de água micro-filtrada e adicionalmente o surfactante STEOL CS-330 a uma concentração de vinte e seis vezes a concentração micelar crítica (CMC) e que segundo Castillo (2011) o surfactante é utilizado para estabilizar as emulsões, reduzir a tensão interfacial entre as fases e impedir a coalescência das gotas da fase dispersa. A concentração do surfactante utilizado foi de 2 g/l. Tabela 2 resume a composição da fase contínua. Tabela 2 - Composição e concentração dos componentes da fase contínua 500 ml de água
Fase Contínua 18,3 g de NaCl 2 g/l de CS‐330
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O equipamento utilizado para destilar, filtrar e remover o odor e o cheio da água utilizada neste trabalho é ilustrado na Figura 11.
Figura 11. Equipamentos utilizados para filtrar e destilar a água utilizada no experimento.
Para o preparo da fase contínua, adiciona-se 300 ml água micro-filtrada em um béquer de 500 ml e 18,3 g de NaCl. O cloreto de sódio foi pesado utilizando a balança OHAUS ADVETURE PRO® Mod. AV2101 +/- 0,1g de exatidão, Figura 12.
Figura 12. Balança ADVENTURE PRO® e Cloreto de Sódio. Para uma completa dissolução do NaCl na água, foi utilizado um agitador da marca IKA® RW20 DIGITAL com uma rotação de 300 rpm durante 6 minutos, Figura 13. 14
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Figura 13. Placa agitadora IKA® RW20.
Em seguida, adiciona-se o surfactante STEOL CS-330 a uma concentração de 2 g/l. Para fazer isto a mesma balança utilizada para pesar o NaCl foi empregada (Figura 14) uma vez que precisamos de apenas 1,1 g para meio litro de água. O surfactante foi adicionado diretamente ao béquer contendo água e cloreto de sódio. O béquer foi colocado na balança para efetuar a tara em seguida adiciona-se o surfactante utilizando uma pipeta de volume ajustável automático da marca KACIL® de 1-5 ml.
Figura 14. Equipamentos utilizados para pesagem do surfactante Tendo feito a adição, obteve-se 300 ml da solução aquosa. Em seguida, a solução foi transferida do béquer para um balão volumétrico de 500 ml, Figura 15, e completada com água até a marca indicada. Esta troca de recipientes foi feita porque o balão 15
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volumétrico apresenta maior precisão na medição e conserva melhor as propriedades da solução aquosa.
Figura 15. Balão volumétrico utilizado no experimento Na sequencia, para que haja completa dissolução do surfactante na solução, foi utilizada a placa agitadora magnética FISATOM 761. O tempo estabelecido do agitador magnético, em uma velocidade constante, foi de 40 min, Figura 16.
Figura 16. Placa agitadora magnética FISATON 761 A concentração de surfactante foi modificada algumas vezes para preparar a solução contínua. Primeiro tentamos com 1,5 g, e depois com 2,5 g. Devido a certas dificuldades de injetar a emulsão no micro-capilar, a passagem ficava obstruída, aferimos ser por causa da alta concentração de surfactante, então decidimos diminuí-la para 1,1 g/l.
2.2.2. Preparação da fase dispersa 16
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Para a fase dispersa foi utilizado um óleo de campo micro-filtrado a 11 µm. Foram preparadas duas concentrações de óleo, 5% e 15% para 150 ml de volume total. Entretanto, não houve estabilidade da emulsão. Alguns testes adicionais foram realizados comprovando-se a instabilidade. Por exemplo, foi diminuída a concentração do surfactante para 1% da concentração de óleo, sem sucesso. A tensão interfacial do óleo utilizado em relação a água do mar é de 22.85 dyn/cm. O gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento é representado na Figura 17.
Figura 17. Gráfico da viscosidade versus taxa de cisalhamento.
2.2.3. Preparação da emulsão Nesta seção será descrito o processo de criação das emulsões utilizando 99% da fase contínua (148,5 ml) e 1% (1,5 ml) da fase dispersa. A Tabela 3 apresenta a concentração porcentual de cada fase. Tabela 3. Concentração das fases utilizadas no preparo das emulsões. Fase
Concentração %
Contínua
99
Dispersa
1
Como mencionado, a concentração da fase dispersa é de 1 % (1,5 ml), os tamanhos de gota obtidos foram denominados de Gota Pequena (GP) e Gota Grande 17
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(GG). Nesta seção serão apresentados os procedimentos para criar as emulsões, incluindo uma breve discussão dos equipamentos utilizados. Para cada amostra foi fixado um volume total de aproximadamente 150 ml. Para obtenção deste volume foi utilizado uma pipeta de volume ajustável automático de 1-5 ml da marca KACIL®, a mesma utilizada para pesar o surfactante, Figura 18. Ambas as fases foram adicionadas lentamente em um béquer de 250 ml, primeiro a fase contínua e em seguida a fase dispersa. Vale ressaltar que o tipo de béquer e a ordem de adição foram mantidos para todas as amostras, visto que estes têm forte influência no processo de emulsificação e nos tamanhos das gotas.
Figura 18. Pipeta de volume ajustável automático (1-5 ml) utilizado na preparação das emulsões.
Figura 19. Dispersor utilizado na emulsificação No processo de emulsificação utilizamos o dispersor ULTRA TURRAX® T-25, que possui seis velocidades variando de 6.500 até 24.000 rpm. A formação das gotas é produzida por cisalhamento no espaço anular entre o rotor e o estator (CASTILLO, 2011). A Figura 19 mostra o dispersor. Na Tabela 4 estão listadas as características das emulsões preparadas.
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Tabela 4. Parâmetros utilizados no processo de emulsificação
% ÓLEO
1%
EMULSÃO
1GP 1GG
VELOCIDADE TEMPO DE DE ROTAÇÃO MISTURA [minutos] [rpm]
6500 9500
15 15
2.2.4. Processo de caracterização das emulsões A caracterização precisa e cautelosa das emulsões criadas se faz necessária para determinar o tamanho das gotas da fase dispersa. Para este fim utilizamos um método óptico (laser) utilizando um analisador de partículas MASTERSIZER 2000 fabricado pela MALVERN INSTRUMENTS. O Malvern Mastersizer 2000 é o equipamento que emprega técnica da difração do laser para medição da DTG, Figura 20. Possui capacidade para caracterização de tamanhos no intervalo de 0,02 a 2000 micrometros, dependendo do sistema analisado. Este equipamento é controlado por um computador, com software apropriado para aquisição dos sinais e tratamentos estatísticos. Por padrão, o princípio de funcionamento do equipamento segue a teoria de Mie (OLIVEIRA, 2010).
Figura 20. HYDRO® 2000, equipamento utilizado no MASTERSIZER® 2000.
A caracterização é feita utilizando um béquer com mais ou menos 800 ml de água micro-filtrada. O Mastersizer é ligado a uma rotação de 1.600 rpm, sendo esta contínua. O software, de aquisição de dados, é aberto no computador e primeiramente devemos 19
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ficar atento ao valor do Laser Intensity, que deve ser sempre superior a 80%. Este valor indica o nível de “pureza” do equipamento. Atingido o valor de 80% ou mais, clicamos em start, onde se inicio a sintonização do software com o equipamento. Após a sintonização, deve-se ficar atento com o valor do Laser Obscuration, que tem que estar na faixa de 5-20%, o valor ideal está na faixa de 11-13%, Figura 21. Este valor indica a quantidade de emulsão que você inseriu no béquer de 800 ml. Caso este valor ultrapasse os 20%, deve-se adicionar mais água ao béquer para diluir as emulsões.
Figura 21. Interface do software MASTERSIZER 2000.
Na sequencia, clicamos em start novamente, após o valor do Laser Obscuration se estabilizar. O software começa a fazer a caracterização das emulsões, cerca de 2 minutos os resultados são apresentados e podem ser facilmente interpretados, Figura 22.
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Figura 22. Exemplo de uma caracterização no MASTERSIZER 2000.
A caracterização e a injeção das emulsões no micro-capilar foram feitas em sequência para evitar a segregação gravitacional. As emulsões foram agitadas por uma placa agitadora magnética da marca FISATOM 761, Figura 23, e manualmente.
Figura 23. Agitação das emulsões na placa magnética FISATOM® 761.
Os gráficos da distribuição dos tamanhos de gota estão representados na Figura 25 , para uma concentração de 1 % de volume de óleo. A curva vermelha representa as gotas pequenas, rotação de 9.500 rpm, enquanto que a curva verde as gotas grandes, a uma rotação de 6.500 rpm.
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Volume (% )
12 10 8 6 4 2 0 0.1
1
10
100
1000
Particle Size (µm)
Figura 25. Distribuição dos tamanhos das gotas a uma concentração de 1% de volume de óleo.
Na Figura 25 são mostrados os resultados do diametro máximo de gota do volume de 50 % da fase dispersa da emulsão analisada ou d(0,5) e de 90 % ou d(0,9), relacionando-o com as condições dos processos de formação das emulsões. Como referencia, o diâmetro da seção reta do capilar por onde as emulsões escoam é de 200 m enquanto que na garganta é 50 m. Assim, observa-se que para 50 %, as emulsões obtidas com baixa e alta rotação resultam em um diâmetro médio de gota próximo ao da garganta do capilar. Para 90 %, o diâmetro médio da emulsão é duas vezes maior que o diâmetro da garganta. Tabela 5. Parâmetros de emulsificação e características morfológicas das emulsões.
Emulsão 1GP 1GG
Tempo Velocidade de de Rotação Mistura [rpm] [min] 9500 15 6500 15
d(0,5) d(0,9) [um] [um] 48,439 65,023
110,181 113,072
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3. Resultados e discussões
Nesta etapa serão apresentados os resultados obtidos com os testes sob as condições descritas anteriormente. As vazões de injeção para todos os testes foram de 3, 4 e 5 ml/h e foram mantidas constantes. Destaca-se que experimentos de escoamento de emulsões óleo-em-água obtidas a partir de óleo morto de reservatórios petrolíferos, escoando em micro-capilares com gargantas são raros. As dificuldades encontradas ao longo dos experimentos e comentadas na seção 4, são também motivadas por esta abordagem mais realista. A queda de pressão registrada pelo transdutor Validyne é a pressão necessária para deslocar as gotas da fase dispersa através do capilar e é considerada a partir da queda de pressão requerida para a fase contínua escoar. Assim, os resultados a seguir mostram os valores de queda de pressão em função do tempo de escoamento das emulsões e da fase contínua através do capilar de 200/50 µm, isto é capilar com seção reta de 200 m e garganta de 50 m, com emulsões de 1 % em volume de óleo. Figura 26 mostra a queda de pressão do escoamento da fase contínua. As vazões de 3, 4 e 5 ml/h foram mantidas constantes durante 15 minutos.
Figura 26. Queda de pressão em função da vazão no escoamento das emulsões de 1% de óleo através do capilar 200/50μm.
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O efeito do tamanho da gota da fase dispersa (óleo) escoando através de microcapilares foi avaliado em termos de dois tamanhos de gotas, as gotas pequenas (GP) e as gotas grandes (GG), como mostra a Tabela 5. As emulsões de gotas grandes apresentam diâmetro maior do que da garganta do micro-capilar, já as de gotas pequenas apresentam um diâmetro menor. Vale ressaltar também que as gotas grandes apresentam um diâmetro menor que da seção reta do micro-capilar de 200 µm. Os resultados na Figura 26 mostram que para vazão de 3 e 4 ml/h a emulsão de gotas grandes apresentam maiores valores para a queda de pressão. Segundo Castillo (2011), este efeito se deve à resistência apresentada pela gota na sua deformação durante a passagem através da garganta e no escoamento através da seção reta do capilar. Esta diferença não é muito visível devido a alguns fatores limitantes que serão descritos na secção 4. Para as vazões de 3 e 4 ml/h os valores de queda de pressão fazem sentindo, uma vez que para tais valores têm que ser menor para a fase contínua, intermediando com os valores das gotas pequenas e altos para as gotas grandes, como foi dito no parágrafo anterior. Já para a vazão de 5 ml/h os resultados ficaram um pouco duvidoso, sendo que houve quase a mesma queda de pressão para ambas emulsões. Isto pode ter ocorrido devido a uma série de fatores que também serão descritos na secção 4. Mas observando o resultado como um todo, nota-se que o escoamento da emulsão de gotas grandes geram valores maiores de queda de pressão, sendo este efeito predominante para todas as vazões.
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4. Comentários quanto à realização dos experimentos
Em função do pouco tempo, 15 dias, previsto para desenvolvimento das experiências, assim como pelo fato de estar utilizando óleo de campo para a abordagem experimental, foram encontradas e superadas algumas dificuldades. Nesta seção, estas são destacadas apenas com o intuito de melhorar os procedimentos para futuras visitas ao Laboratório de Microhidrodinâmica e Meios Porosos da PUC-Rio para coleta de dados complementares. É muito importante que, durante a preparação das fases, a medida de cada componente seja feita de forma precisa. Houve certa dificuldade para obter a medida correta do surfactante, uma vez que a CMC é dado nas unidades g/l enquanto que o equipamento utiliza ml. Então, para fazer a medição colocamos o béquer com a solução aquosa na balança para a tara correspondente, na sequencia o surfactante foi adicionado até a concentração desejada. Durante a preparação da fase dispersa, houve dificuldades para obter uma medida precisa do volume de óleo utilizado. Parte do óleo, por ser muito viscoso, ficava retido na pipeta de volume ajustável automático. A margem de erro nesta etapa foi muito alta, o que pode justificar os resultados encontrados. Durante o processo de emulsificação na bomba de seringa, é muito importante que não haja bolhas de ar em nenhuma parte do sistema para que não criem perturbações por compressão dificultando a passagem do fluido pelo micro-capilar. As bolhas foram expulsas retirando a seringa da bomba, colocando-a em uma posição vertical e esperando a segregação das bolhas de ar até a saída para que, movimentando o embolo da seringa de forma cuidadosa, as bolhas de ar são eliminadas. Deve-se ter muito cuidado ao movimentar o embolo da seringa para que não haja desperdício de emulsões. Após a eliminação das bolhas na seringa, precisamos ficar atendo as bolhas no circuito. Para elimina-las, conectamos a seringa na bomba e a ligamos com uma vazão constante até que certa quantidade de emulsão circule por todo o sistema, garantindo que não há mais bolhas de ar. As emulsões são muito sensíveis aos procedimentos de preparo (DEL AGUILA, 2008). Então é muito importante que haja uma padronização durante o preparo das emulsões, garantindo que a mesma seringa, o mesmo béquer, a mesma ordem de adição
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das fases etc. seja utilizado, para que haja repetitividade nos resultados, tornando possível a comparação dos mesmos. Outra dificuldade foi relacionada à instabilidade das emulsões. Em minutos era possível visualizar a separação de fases tal como apresenta a Figura 27. Como não há trabalhos anteriores onde se utilizava a mesma fase contínua e dispersa da utilizada neste trabalho, ficamos sem parâmetros para comparar os resultados e as concentrações de cada fase.
Figura 24 - Emulsão O/A instável.
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5. Considerações finais Durante a visita ao Laboratório de Microhidrodinâmica e Meios Porosos (LMMP) na PUC-Rio não pude deixar de notar o quão importante é vivenciar o dia a dia de um laboratório completo, ter na prática toda a teoria ensinada em sala de aula, perceber que tudo não é tão simples como parece e que há muitos desafios a serem superados – e que só serão com mais pesquisas e pessoas disposta a fazer isto, de ter vivenciado de perto como um grupo de pesquisa de ponta funciona e de ter conhecido com mais detalhes muitos equipamentos da área da engenharia de petróleo. A importância e a diferença que um laboratório pode fazer na vida acadêmica de um estudante é notório, ir além do que os livros mostram, ter a oportunidade de desenvolver pesquisas diferentes e fazer parte de um grupo é de extrema importância para o enriquecimento da vida acadêmica. Além da experiência ganha no LMMP, foi possível estreitar o vínculo entre duas instituições de ensino, uma já consagrada, PUC-Rio, e outra em crescimento, a UFES. Foi uma oportunidade para fortalecer a idéia de que o estágio extracurricular para alunos da graduação de Engenharia de Petróleo/UFES é possível e viável. Por outro lado, há o desejo de continuar o desenvolvimento desta linha de pesquisa no Projeto de Graduação. Esta visita pode abrir as portas para esta etapa e posteriormente para um possível Mestrado na área. Foi uma oportunidade para aprender muito a respeito da teoria das emulsões, da recuperação avançada de petróleo e principalmente como tudo isso funciona na prática. Além de aprender a utilizar diversos equipamentos desde os mais simples como uma bomba de seringa até os mais complexos como o MASTERSIZER 2000 ou o transdutor VALIDYNE. Oportunidades que só agregaram coisas boas em minha vida acadêmica e pessoal.
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6. Bibliografia
Castillo, O. Á. F. R. Análise Experimental do Escoamento de Emulsões Óleo. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ. 2011. Cobos, S. Dependendo da origem, as emulsões podem ser classificadas como naturais. 2007. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ. 2007 Del Aguila, M.. Escoamento de emulsões óleo em água através de microcapilares. 2008. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ. 2008. Lisboa, C. P. Físico-química de solução de polímeros e surfatantes. UNICAMP. [S.l.]. 2002. Melo, E. M. Estabilidade de Emulsões Petróleo em Sistemas Pressurizados. UNIT. Aracajú, SE - BRASIL. 2007. Montalvo, M. E. D. A. Escoamento de Emulsões Óleo em Água através de Micro-capilares. 2008. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ. 2008. Oliveira, A. G. D. Caracterização da Distribuição do Tamanho de. Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, p. 125. 2010. Peña, T. J. Dependendo da origem, as emulsões podem ser classificadas como naturais. 2007. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ. 2007. Romero, O. J. Transient displacement of a newtonian liquid by gas in a constricted channel. Brazilian Journal of Petroleum and Gas, vol. 3, no 3, p. 103-112. 2009. Rosa, J. J. Desenvolvimento de um Novo Processo de Tratamento de Águas Oleosas - Processo FF. Água Fonte de Vida. [S.l.]. 2003. Shaw, D. J. Introdução à química dos colóides e de superfície. São Paulo: Edgard Blucher/Edusp, 1975. SYRINGE PUMPS. SYRINGE PUMPS – COLE-PARMER. Disponivel em: . Acesso em: 30 Julho 2012. 28
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