Resumo Este trabalho teve como objetivo correlacionar a reatividade e composição mineralógica de folhelhos à sua desintegração. Para tanto, foram caracterizadas cinco amostras de folhelho das Bacias do Rio do Peixe e Araripe, localizadas nos estados brasileiros da Paraíba e Ceará e, para fins de comparação, foi utilizada uma amostra de argila bentonítica industrializada. A caracterização foi realizada por capacidade de troca de cátions, analise granulométrica, fluorescência de raios X e difração de raios X. Também foram realizados testes de desintegração, de acordo com as normas API (American Petroleum Institute), na presença de água deionizada, solução aquosa de citrato de potássio e fluido de perfuração. Os resultados sugeriram que formações que não apresentam argilominerais reativos podem ser instáveis e que a maior reatividade das formações frente a fluidos aquosos não implica, necessariamente, em maior nível de desintegração, mostrando assim que diferentes mecanismos não associados ao inchamento dos argilominerais podem assumir maior ou menor importância na instabilidade da formação.

Abstract This work aimed to correlate the reactivity and mineralogical composition of shales to their disintegration. To accomplish this, five samples of shale from Rio do Peixe Basin and Araripe Basin, located in the Brazilian States of Paraíba and Ceará, respectively, were characterized. A sample of industrialized bentonite clay was used as a reference to provide a comparison. Characterization was performed through cation exchange capacity, particle size analysis, X-ray fluorescence, and X-ray diffraction. Disintegration tests were performed according to the American Petroleum Institute standards in the presence of deionized water, aqueous potassium citrate solution, and drilling fluid. The results suggested that samples presenting no reactive clay mineral content may be unstable and the higher the reactivity of the samples to aqueous fluids does not necessarily imply a higher level of disintegration. This demonstrated that different mechanisms not associated with clay swelling may assume greater or lesser relevance on the instability of a formation.

Resumo Este trabalho teve como objetivo avaliar a influência da estrutura química da carboximetilcelulose (CMC) no desempenho reológico e de perda de filtrado de dispersões de argila. As dispersões foram preparadas com concentração fixa de argila bentonítica (15 g/350 mL de água) e diferentes concentrações de CMCs (0,5, 1,0, 2,0 g/350 mL de água). Após repouso de 24 h, as dispersões foram testadas e com um viscosímetro foram calculadas as viscosidades aparente e plástica, o limite de escoamento e a força gel segundo norma da Petrobras (EP-1EP-00011-A) e o volume de filtrado foi determinado em filtro-prensa API. Os resultados evidenciaram que a adição de CMC com cadeia longa, baixo grau de substituição e menor uniformidade de substituição contribui para o fenômeno de floculação. Além disso, as diferentes características químicas do CMC somente influenciam a perda de filtrado quando a força iônica da dispersão é diferente de zero.

Abstract The aim of this work was to evaluate the influence of the chemical structure of carboxymethylcellulose (CMC) on the rheological performance and fluid loss of clay dispersions. The dispersions were prepared with a fixed content of bentonite clay (15 g/350 mL of water) and different concentrations of CMCs (0.5, 1.0, 2.0 g/350 mL of water). After aging for 24 h in ambient and static conditions, the dispersions were tested in a viscometer. Apparent and plastic viscosities, yield point and gel strength were obtained using the viscometer, according to Petrobras’ standard (EP-1EP-00011-A). The filtrate volume was determined using the API filter press. The results showed that the addition of long chain, low degree of substitution and lower substitution uniformity of CMC contribute to the flocculation phenomenon. In addition, the different chemical characteristics of CMC only influence fluid loss when the ionic strength of the dispersion is set to any other value than zero.

Resumo O problema da estabilidade do poço em formações expansivas frustrou os engenheiros de campos de petróleo desde o início da exploração de petróleo e gás natural. A estabilidade de folhelhos ricos em argila é profundamente afetada por suas interações físicas e químicas complexas com fluidos de perfuração. Assim, estas rochas com alto teor de argila mostraram alterações significativas, tais como inchaço ou expansão, quando colocadas em contato com fluidos aquosos para a adsorção de moléculas polares de água ou íons hidratados dissolvidos no meio. Essas mudanças podem causar colapso da rocha durante a perfuração com fluidos de perfuração à base de água. Para uma melhor compreensão dos fenômenos de interação entre a rocha e o fluido de perfuração, este trabalho objetiva a análise da reatividade de folhelhos provenientes do Recôncavo Baiano por meio da sua caracterização. Para isto, os folhelhos foram submetidos a ensaios de CTC, FRX, DRX e inchamento de Foster. Foi possível detectar que os folhelhos apresentaram significativos valores de CTC, bem como FRX com composição próxima da esmectita e padrão de DRX com picos característicos da esmectita. Em relação ao inchamento de Foster, o folhelho com maior CTC também apresentou o maior valor de inchamento indicando que a CTC pode ser aplicada como parâmetro indicativo da reatividade.

Abstract The problem of wellbore stability in expansive formations has frustrated engineers of oil fields since the start of oil and gas well perforation. The stability of shales rich in clay are deeply affected by its complex physical and chemical interactions with drilling fluids. Thus, these rocks with a high content of clay have shown significant changes, such as swelling or expanding, when placed in contact with aqueous fluids due to the adsorption of polar molecules of water or hydrated ions dissolved in the medium. These changes may cause collapse of the rock during drilling with water-based drilling fluids. For a better understanding of the phenomenon of interaction between the rock and the drilling fluid, this study aims to analyze reactivity of shales from the Recôncavo Baiano through their characterization. For this, the shales were characterized by CEC, XRF, XRD and Foster swelling. The results indicated that the shales showed significant values of CEC, FRX composition close to that of smectite, and XRD pattern with characteristic peaks of smectite. Regarding to Foster swelling, the shale of higher CEC also presented the higher value of swelling, indicating that the CEC can be applied as a parameter indicative of the reactivity.

Resumo A carboximetilcelulose (CMC) é um polímero linear aniônico usado como agente viscosificante e redutor de filtrado e em fluidos de perfuração. A estrutura química e massa molar do polímero interferem nas interações complexas entre as cadeias poliméricas e os sólidos minerais presentes na suspensão. Desta forma, este trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento reológico e de filtração de suspensões argilosas em função do aumento da concentração de aditivo polimérico com diferentes massas molares. Para tanto, foi utilizada uma amostra de argila bentonítica, comercialmente conhecida por Volclay, duas amostras de carboximetilcelulose com diferentes massas molares (CMC 1 (9,0 x 104 g/mol) e CMC 2 (2,5 x 105 g/mol)) e mesmo grau de substituição (DS = 0,7), e uma amostra de calcita. Foram determinadas as propriedades reológicas (viscosidades aparente e plástica, limite de escoamento e força gel) e de filtração (volume de filtrado, spurt loss ), espessura e permeabilidade do reboco, e poder de retenção) das suspensões argilosas. As propriedades reológicas e de filtração das suspensões argilosas preparadas com aditivos poliméricos são fortemente dependentes das interações CMC-argila e CMC-calcita e estas, por sua vez, são dependentes do grau de viscosidade e tamanho da cadeia do polímero.

Abstract The carboxymethylcellulose (CMC) is a linear anionic polymer used as viscosifier agent and filtrate reducer in drilling fluids. The chemical structure and molecular weight of the polymer interfere in the complex interactions between the polymeric chains and the mineral solids in the suspension. This study aimed to evaluate the rheological behavior and filtration process of clay suspensions in function of the increase of the polymeric additive concentration with different molar masses. For this, a sample of bentonite clay, two samples of CMC with different molecular weight (CMC 1 (9.0 x 104 g/mol) and CMC 2 (2.5 x 105 g/mol)) and same degree of substitution (0.7) and one sample of calcite were used. The rheological properties (apparent viscosity, plastic viscosity, yield limit and gel strength, and filtration process parameters (filtrate volume, spurt loss, cake thickness and permeability, and retaining power of the clay suspensions were determined. The rheological and filtration properties of the clay suspensions prepared with polymeric additives are strongly dependent of the CMC-clay interactions and CMC-calcite and these are dependent on the viscosity grade and chain size of the polymer.

Suspensões argilosas são utilizadas como fluidos de perfuração de poços nas primeiras camadas rochosas, geralmente constituídas por sedimentos inconsolidados. Em camadas mais profundas são comumente utilizados fluidos base óleo devido sua resistência térmica. No entanto, em virtude das leis ambientais estes fluidos estão sendo substituídos e as suspensões argilosas surgem como uma alternativa pelo caráter ambientalmente correto e menor custo. Assim, torna-se de extrema importância o estudo das propriedades de suspensões argilosas a temperaturas moderadas e elevadas. Desta forma, este trabalho tem por objetivo avaliar as propriedades das suspensões argilosas de bentonita sob diferentes condições térmicas. Para tanto, foi empregado um planejamento fatorial do tipo 2² com três experimentos no ponto central + configuração estrela, totalizando 11 corridas experimentais para avaliar a influência da temperatura e do teor de argila (variáveis de entrada) sobre as propriedades reológicas e de filtração das suspensões argilosas. As suspensões foram preparadas com concentração de bentonita variando de 8,75 g/350 mL a 22,4 g/350 mL e submetidas a temperaturas entre 38 °C e 176 °C durante 16 h. Foram estudados dois tipos de envelhecimento térmico, dinâmico e estático, em equipamento Roller Oven da Fann. As propriedades reológicas (viscosidades aparente - VA e plástica - VP) foram determinadas em viscosímetro Fann 35A e o volume de filtrado (VF) em filtro-prensa API. Concluiu-se que as variáveis de entrada influenciam estatisticamente, ao nível de 95% de confiança, as propriedades das dispersões, sendo observado que a combinação de temperaturas elevadas e altas concentrações de argila conduz a maiores valores de VA e VP, bem como que os maiores valores de VF foram obtidos com as suspensões preparadas com baixa concentração de argila e submetidas à elevada temperatura. Ficou evidenciado ainda que o tipo de envelhecimento tem influência direta no comportamento reológico das dispersões avaliadas.

Clay suspensions are used as drilling fluids for the initial rock layers, usually constituted of unconsolidated sediments. For deeper layers oil based fluids are more commonly used due to their thermal resistance. Therefore, because of the environmental laws, these fluids are being replaced and the clay suspensions arise as an alternative, as they are environmentally correct and have lower cost. So, it becomes of great importance to study the properties of clay suspensions at moderate and high temperatures. This work has the aim to evaluate the properties of bentonit clay suspensions under different thermal conditions. For so, a type 2² factorial plan with three experiments in the centre + star configuration, was applied, totalizing 11 experimental runs to evaluate the influence of temperature and clay content (entrance variables) over the rheological and filtration properties of the clay suspensions. The clay suspensions were prepared with bentonit concentrations between 8.75 g/350 mL and 22.4 g/350 mL and were submitted to temperatures between 38 ºC and 176 ºC during 16 h. Two types of thermal aging were studied, dynamic and static, in a Fann Roller Oven equipment. The rheological properties (apparent viscosity - AV and plastic viscosity - PV) were determined in a Fann 35A viscometer and the filtered volume (FV) in a API filter-press. Could be concluded that the entrance variables did influence statistically, at a 95% confidence level, on the dispersion properties, being observed that the combination of elevated temperatures and high clay concentrations leads to higher values of VA and VP, as for the higher values of VF were obtained from the suspensions prepared with lower clay concentrations and submitted to higher temperature. It became evident that the type of aging does have direct influence in the rheological behaviors of the evaluated dispersions.

Devido aos grandes desafios encontrados na perfuração de poços, há a necessidade de se desenvolver fluidos com propriedades adequadas e capazes de atender todas as exigências da perfuração, como elevada capacidade de carreamento de sólidos e alta lubricidade, como também fluidos ambientalmente corretos. O grau de impacto dos fluidos de perfuração no meio ambiente depende especialmente do tipo de fluido utilizado, se de base aquosa, oleosa, sintética ou mesmo de base ar. Portanto, é de fundamental importância o desenvolvimento de fluidos com características específicas em cada etapa da perfuração. Sendo assim, este trabalho objetivou o desenvolvimento de fluidos aquosos, com baixo teor de sólidos e propriedades reológicas, de filtração e lubricidade adequadas à perfuração de poços de petróleo onshore. Os fluidos foram formulados utilizando em sua composição bentonita sódica industrializada, aditivos poliméricos e lubrificantes, em diferentes concentrações. O estudo reológico, de filtração e lubricidade mostrou que os fluidos apresentam comportamento pseudoplástico e que os aditivos selecionados desempenham com êxito suas funções de modificadores reológicos, redutores de filtrado e agente lubrificante. Além disto, ficou evidenciada a necessidade de aditivos lubrificantes em fluidos aquosos contendo argila bentonítica e polímeros. A adição de 1% de lubrificante no fluido é suficiente para adequar a capacidade lubrificante dos fluidos.

Due to challenges encountered in drilling wells, there is a need to develop fluids that have properties suitable and able to meet all the requirements of drilling, such as, high capacity for carrying of solid and high lubricity. Besides that, they need to be environmentally friend. The degree of impact of drilling fluids in the environment depends on the type of fluid used, if water or oil or synthetic or air based. It is therefore of fundamental importance to develop fluid with specific characteristics in each stage of drilling. Thus, the aim of this work is to develop aqueous fluids with low content of solids and rheological, filtration and lubricity properties adjusted for drilling of onshore oil wells. The fluids were formulated by using industrialized sodium bentonite, polymeric additives and lubricants, in different concentrations, in its composition. Rheological, filtration and lubricity studies showed that the fluids have pseudoplastic behavior and, the selected additives successively play their functions of rheological modifiers, filtrate reducer and lubricant agent. Moreover, it was evidenced the necessity oflubricant additives in aqueous fluids containing bentonite clay and polymers. The addition of 1% of lubricant in the fluid is sufficient to adjust the lubricant capacity of fluids.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da utilização de compostos poliméricos na aditivação de bentonitas de Boa Vista, PB, consideradas de qualidade inferior, para utilização em fluidos de perfuração à base de água, visando a melhoria das suas propriedades reológicas e de filtração. Foram estudadas uma amostra de argila bentonítica e três amostras de aditivos poliméricos, sendo uma de poliacrilamida parcialmente hidrolisada e duas de carboximetilcelulose de diferentes graus de viscosidade. O dimensionamento das composições do composto polimérico foi obtido por meio da metodologia de delineamento de misturas, sendo definidas dez composições. O composto polimérico foi misturado à argila seca, em diferentes concentrações e, em seguida, preparados os fluidos de perfuração e determinados as viscosidades aparente e plástica, o limite de escoamento e o volume de filtrado segundo normas da Petrobrás. Os resultados mostram que a aditivação da argila bentonítica com o composto polimérico melhora as suas propriedades, adequando-a às especificações da Petrobrás para utilização em fluidos de perfuração à base de água.

The aim of this work is to evaluate the effect of polymeric compound on the treatment of bentonite clays for using in water and clay based drilling fluids for the improvement of the filtration and the rheological properties. One industrialized sodic bentonite clay sample and three polymeric additive samples, being two samples of carboximethylcellulose and one of partially-hydrolyzed polyacrylamide, were studied. The compositions of the polymeric compound were obtained through the methodology of mixture design, being defined ten different compositions. The polymeric compound with dry clay was mixed in different concentrations and the drilling fluids were prepared according to the Petrobrás standards; the apparent and plastic viscosities, the yield stress and the water loss were determined. The results show that the use of additives in bentonite clays with polymeric compound improves their properties, according to the Petrobrás specifications for their use in water based drilling fluids.

O objetivo deste trabalho foi utilizar o planejamento experimental para avaliar o efeito da composição de misturas ternárias de bentonitas na reologia de fluidos de perfuração de poços de petróleo. Por meio do planejamento foram determinadas as proporções dos componentes nas misturas ternárias das argilas e então ajustados modelos de regressão relacionando viscosidade aparente, viscosidade plástica e volume de filtrado com a proporção de cada argila. A aplicação da modelagem de misturas, incluindo composições ternárias, aliada a metodologia de superfícies de resposta e otimização matemática e gráfica permitiu delimitar uma gama de composições de argilas que favorece a melhoria das propriedades reológicas e de filtração dos fluidos estudados.

The purpose of this work was to study of composition effect of ternary bentonite mixtures on the rheology of drilling fluids. Through the experimental design were defined the components proportions in the ternary clays mixtures and then adjusted regression models relating apparent and plastic viscosities and water loss, with the proportion of each clay. The application of mixture experimental design, include ternary composition, response surface methodology, graphic and mathematical optimization allowed to delimit a strip of compositions that favors the improvement of the rheological properties of the drilling fluids.

Este trabalho teve como objetivo avaliar a influência de aditivos dispersantes e umectante aniônicos nas viscosidades aparente (VA) e plástica (VP), no volume de filtrado (VF) e na espessura do reboco (ER) de fluidos de perfuração á base de água e argila bentonítica. Os fluidos foram preparados com 4,86% em massa de argila bentonítica e os aditivos estudados nas concentrações de 0,025 g a 0,300 g/24,3 g de argila seca para os dispersantes e de 0,005 g a 0,300 g/24,3 g de argila seca para o umectante aniônico. Os resultados mostraram que a espessura do reboco foi significativamente reduzida pela presença do umectante aniônico, sem, contudo, alterar as taxas de filtração dos fluidos estudados. Como era esperado, observou-se a redução nos valores de VA e VP após a aditivação dos fluidos com os aditivos dispersantes. Além disso, a mudança brusca nos valores de VA, VP e ER dos fluidos aditivados com o umectante aniônico na concentração de 0,100 g/24,3 g de argila seca evidenciou que esta é muito provavelmente a concentração micelar crítica deste aditivo.

The aim of this work is to evaluate the influence of dispersants additives and anionic surfactants in the apparent viscosity (AV), plastic viscosity (PV), water loss (WL) and filter-cake thickness (FT) of the water based drilling fluids with bentonite clay. The fluids were prepared with 4.86 wt % of bentonite clay and the additives studied in the concentrations of 0.025 g to 0.300 g/24.3 g of dry clay for the dispersants and 0.005 g to 0.300 g/24.3 g of dry clay for the anionic surfactant. The results had shown the filter-cake thickness was significantly reduced by the presence of the anionic surfactant, without, however, to modify the taxes of filtration of studied fluids. As it was waited, it was observed the reduction in the values of AV and PV after treating the fluids with dispersants addictives. Also, the abrupt change in the values of AV, PV and FT of fluids treated with the anionic surfactant in the concentration of 0.100 g/24.3 g of dry clay evidenced that this is very probably the critical concentration micelar of this additive.

O objetivo deste trabalho foi utilizar o planejamento experimental, aplicado ao estudo de misturas, para avaliar o efeito da composição de misturas binárias de bentonitas na reologia de fluidos de perfuração de poços de petróleo. Por meio do planejamento foram determinadas as proporções dos componentes nas misturas binárias das argilas e então ajustados modelos de regressão relacionando viscosidade aparente (VA), viscosidade plástica (VP) e volume de filtrado (VF) com a proporção de cada argila. A aplicação desta ferramenta permitiu delimitar uma faixa de composições que favorece a melhoria das propriedades reológicas e de filtração das dispersões estudadas.

The purpose of this work was to apply experimental design to the study of composition effect binary mixtures of bentonite on the rheology of drilling fluids. Through the experimental design were defined the components proportions in the binary clays mixtures and then adjusted regression models relating the parameters, apparent and plastic viscosities and filtrate volume, with the proportion of each clay. The application of this tool allowed to delimit a strip of compositions that favors the improvement of the rheological properties of the dispersions of bentonite clays.

Este trabalho avalia a influência dos cátions Ca2+ e Mg2+, através da eletrodiálise, na reologia de dispersões de argilas bentoníticas de Boa Vista, PB. As dispersões de argila foram preparadas com 4,86% em massa, e realizado o processo de eletrodiálise com uma membrana polimérica catiônica, em um reator de bancada, sendo utilizadas tensões de 7, 10 e 13 V e tempos de ensaios de 40, 80 e 120 min, segundo planejamento fatorial do tipo 2² + 3 experimentos no ponto central. Após a eletrodiálise, as dispersões foram tratadas com Na2CO3 e após cura, determinadas as viscosidades aparente e plástica, em viscosímetro Fann 35A e o volume de filtrado, em filtroprensa Fann. Para quantificar os cátions eliminados, foram determinados os cátions trocáveis antes e após o processo de eletrodiálise. Os resultados mostraram que a eletrodiálise poderá ser uma valiosa ferramenta no estudo dos fatores que determinam o comportamento reológico das dispersões de argilas bentoníticas, e ainda que os cátions Ca2+ e Mg2+, parcialmente eliminados, não interferem na reologia das dispersões estudadas.

The aim of this work is to evaluate, by electrodialysis, the influence of Ca2+ and Mg2+ on the rheology of bentonite clay dispersions from Boa Vista, PB. Dispersions were prepared with 4.86 wt.% and submitted to electrodialysis process by using a cationic polymeric membrane in the batch reactor. The electrodialysis was set up according to 2² + 3 factorial design by using 7, 10 and 13 V and 40, 80 and 120 min. After electrodialysis, the dispersions were treated with Na2CO3 and after curing, the apparent and plastic viscosities were measured using a viscosimeter and water loss with a filter-press. Moreover, exchanged cations were determinated before and after the electrodialysis process. The results show that the electrodialysis can be a valuable tool to identify the factors that dictate the rheological behavior of bentonite clay dispersions, as well as that the partially eliminated Ca2+ and Mg2+ do not influence on the rheology of the dispersions.

Foram estudados os efeitos da incorporação de quatro diferentes aditivos poliméricos nas propriedades reológicas e de filtração de fluidos de perfuração à base de água e argilas bentoníticas de Boa Vista, PB. Os resultados mostraram que estas propriedades são fortemente influenciadas pela presença dos polímeros e que o tamanho da cadeia polimérica é um fator determinante.

The effects of addition of four different polymeric additives in the rheological and water loss properties of clay dispersions as drilling fluids based on water were studied. The results show that these properties are strongly dependent on the polymeric additives as well as on polymer chain length.

Este trabalho teve como objetivo estudar a influência do tipo de ferramenta, da velocidade e do tempo de agitação nas propriedades reológicas de dispersões de quatro amostras de argilas bentoníticas sódicas industrializadas no Estado da Paraíba, Brasil. Foi realizado um planejamento fatorial do tipo 2³ para avaliar os fatores de entrada (tipo de ferramenta, velocidade e tempo de agitação) sobre as viscosidades aparente e plástica e o volume de filtrado. As dispersões foram preparadas na concentração de 4,86% em massa de argila (24,3 g de argila em 500 mL de água deionizada) utilizando ferramentas do tipo palheta corrugada e em forma de borboleta, duas velocidades (10.000 rpm e 17.000 rpm) e dois tempos de agitação (10 e 20 min). As viscosidades aparente e plástica foram determinadas em viscosímetro Fann 35A, e o volume de filtrado, em filtro prensa Fann. Através da regressão dos dados experimentais, verificou-se que as variáveis de entrada não apresentam influências estatisticamente significativas nas propriedades reológicas das dispersões estudadas, bem como, que dentre as quatro argilas estudadas apenas uma apresenta comportamento reológico de acordo com as normas vigentes para uso como agente tixotrópico para fluidos de perfuração à base de água doce.

This work had as objective to study the influence of the tool type, of the speed and of the stirring time in the rheological properties of suspensions of four samples of sodic bentonite clays supplied by industry from the state of Paraíba, Brazil. A factorial design of the type 2³ was developed to evaluate the entrance factors (tool type, speed and stirring time) in the apparent and plastic viscosities and fluid loss. The suspensions in the concentration of 4.86% (24.3 g of clay in 500 mL of water) using tools of the type corrugated disk and butterfly form, two speeds (10,000 rpm and 17,000 rpm) and two stirring time (10 and 20 min) were prepared. The apparent and plastic viscosities were measured in viscometer Fann 35A, and the fluid loss, in presses filter Fann. Through the regression of the experimental data, it was verified that the entrance variables don't present significant influences in the rheological properties of the studied dispersions, as well as, that just one presents rheological behavior in agreement with the effective norms for use as thixotropic agent for water based drilling fluids.