Otimização e análise mecânica de pastas geopoliméricas para uso em poços sujeitos à injeção cíclica de vapor

Oil wells subjected to cyclic steam injection present important challenges for the development of well cementing systems, mainly due to tensile stresses caused by thermal gradients during its useful life. Cement sheath failures in wells using conventional high compressive strength systems lead to the use of cement systems that are more flexible and/or ductile, with emphasis on Portland cement systems with latex addition. Recent research efforts have presented geopolymeric systems as alternatives. These cementing systems are based on alkaline activation of amorphous aluminosilicates such as metakaolin or fly ash and display advantageous properties such as high compressive strength, fast setting and thermal stability. Basic geopolymeric formulations can be found in the literature, which meet basic oil industry specifications such as rheology, compressive strength and thickening time. In this work, new geopolymeric formulations were developed, based on metakaolin, potassium silicate, potassium hydroxide, silica fume and mineral fiber, using the state of the art in chemical composition, mixture modeling and additivation to optimize the most relevant properties for oil well cementing. Starting from molar ratios considered ideal in the literature (SiO2/Al2O3 = 3.8 e K2O/Al2O3 = 1.0), a study of dry mixtures was performed,based on the compressive packing model, resulting in an optimal volume of 6% for the added solid material. This material (silica fume and mineral fiber) works both as an additional silica source (in the case of silica fume) and as mechanical reinforcement, especially in the case of mineral fiber, which incremented the tensile strength. The first triaxial mechanical study of this class of materials was performed. For comparison, a mechanical study of conventional latex-based cementing systems was also carried out. Regardless of differences in the failure mode (brittle for geopolymers, ductile for latex-based systems), the superior uniaxial compressive strength (37 MPa for the geopolymeric slurry P5 versus 18 MPa for the conventional slurry P2), similar triaxial behavior (friction angle 21° for P5 and P2) and lower stifness (in the elastic region 5.1 GPa for P5 versus 6.8 GPa for P2) of the geopolymeric systems allowed them to withstand a similar amount of mechanical energy (155 kJ/m3 for P5 versus 208 kJ/m3 for P2), noting that geopolymers work in the elastic regime, without the microcracking present in the case of latex-based systems. Therefore, the geopolymers studied on this work must be designed for application in the elastic region to avoid brittle failure. Finally, the tensile strength of geopolymers is originally poor (1.3 MPa for the geopolymeric slurry P3) due to its brittle structure. However, after additivation with mineral fiber, the tensile strength became equivalent to that of latex-based systems (2.3 MPa for P5 and 2.1 MPa for P2). The technical viability of conventional and proposed formulations was evaluated for the whole well life, including stresses due to cyclic steam injection. This analysis was performed using finite element-based simulation software. It was verified that conventional slurries are viable up to 204ºF (400ºC) and geopolymeric slurries are viable above 500ºF (260ºC)

Poços sujeitos à injeção cíclica de vapor apresentam importantes desafios para desenvolvimento de pastas de cimentação, devido principalmente aos esforços de tração causados pelos gradientes térmicos durante a sua vida útil. Falhas em cimentações que empregaram pastas convencionais de elevada resistência à compressão levaram ao emprego de pastas mais flexíveis e/ou dúcteis, com destaque para as pastas de cimento Portland com adição de látex. Recentes pesquisas têm apresentado pastas geopoliméricas como alternativa. Estas pastas cimentantes são baseadas na ativação alcalina de aluminosilicatos amorfos como o metacaulim ou a cinza volante e possuem propriedades vantajosas como alta resistência à compressão, rápido endurecimento e estabilidade térmica. Encontram-se na literatura formulações geopoliméricas básicas que atendem às especificações da indústria de petróleo, incluindo reologia, resistência à compressão e tempo de espessamento. Neste trabalho, desenvolveu-se novas formulações geopoliméricas à base de metacaulim, silicato de potássio, hidróxido de potássio, microssílica e fibra mineral, utilizando o estado da arte em composição química, modelagem de misturas e aditivação para otimizar as propriedades relevantes para a cimentação de poços. Partindo de razões molares consideradas ideais na literatura (SiO2/Al2O3 = 3,8 e K2O/Al2O3 = 1,0), realizou-se um estudo de misturas secas baseado no modelo do empacotamento compressível, obtendo-se um volume ótimo de 6% para o material sólido adicional. Este material (microssílica e fibra mineral) serve tanto como fonte de sílica adicional (no caso da microssílica) quanto reforço mecânico, principalmente no caso da fibra mineral, a qual incrementou a resistência à tração. Realizou-se o primeiro estudo mecânico triaxial desta classe de pastas. Para efeito de comparação, também foi realizado um estudo mecânico de pastas convencionais à base de látex. Apesar de diferenças no modo de ruptura (frágil no caso dos geopolímeros, dúctil no caso das pastas com látex), a superior resistência compressiva uniaxial (37 MPa para a pasta geopolimérica P5 versus 18 MPa para a pasta convencional P2), comportamento triaxial similar (ângulo de atrito 21° para P5 e P2) e menor rigidez (na região elástica 5,1 GPa para P5 versus 6,8 GPa para P2) das pastas geopoliméricas permitiu uma capacidade de absorção de energia (155 kJ/m3 para P5 versus 208 kJ/m3 para P2) comparável entre as duas, sendo que os geopolímeros atuam no regime elástico, sem a microfissuração presente nas pastas com látex. Assim, os geopolímeros estudados neste trabalho devem ser dimensionados para aplicações no regime elástico para evitar fraturas frágeis. Finalmente, a resistência à tração do geopolímero é originalmente pobre (1,3 MPa para a pasta geopolimérica P3) devido à sua estrutura frágil. Entretanto, após a aditivação desse sistema com fibra mineral, a resistência à tração do mesmo tornou-se equivalente (2,3 MPa para P5 e 2,1 MPa para P2) à das pastas com látex. A viabilidade técnica das formulações convencionais e geopoliméricas foi avaliada durante toda a vida útil do poço, incluindo os esforços devidos à injeção cíclica de vapor. Esta análise foi feita utilizando um software de simulação à base de elementos finitos. Verificou-se que as pastas convencionais são viáveis até a temperatura de 204°C (400°F) e as geopoliméricas acima de 260°C (500°F)