Estudo da incorporação de cascalho proveniente da perfuração de poços de petróleo em formulações para tijolos de solo-cimento

The present work is to study the characteristics and technological properties of soil-cement bricks made from binary and ternary mixtures of Portland cement, sand, water, with or without addition of gravel from the drilling of oil wells, which could be used by industry, aiming to improve its performance and reduce cost by using the residue and, consequently, increasing its useful life. The soil-cement bricks are one of the alternatives to masonry construction. These elements, after a short curing period, provide compressive strength similar to that of solid bricks and ceramic blocks, and the higher the resistance the higher the amount of cement used. We used the soil from the city of São José do Mipibu / RN, the banks of the River Baldun, cement CPIIZ-32 and residue of drill cuttings from oil wells drilling onshore wells in the town of Mossley, RN, provided Petrobras. To determine the optimum mix, we studied the inclusion of different residues (100%, 80%, 70%, 60% and 50%) where 15 bodies were made of the test piece. The assessment was made of bricks made from simple compression tests, mass loss by immersion and water absorption. The experimental results proved the efficiency and high utilization of the waste from the drilling of oil wells, making the brick-cement-soil residue with a higher strength and lower water absorption. The best result in terms of mechanical strength and water absorption for the ternary mixture was 10% soil, 14% cement and 80% residue. In terms of binary mixtures, we obtained the best result for the mix-cement residue, which was 14% cement incorporated in the residue

Desenvolvimento de pastas de cimento flexíveis para poços de petróleo submetidos à injeção de vapor utilizando látex do tipo SBR

Novel cementing materials formulations containing flexible polymeric admixtures have been studied aiming at improving the mechanical behavior of oil well cement slurries submitted to steam injection. However, research activities in this sector are still under development. The steam injected directly into the well causes casing dilation, which after a reduction in temperature, tends to return to its original dimensions, resulting in crack formation and hydraulic isolation loss of the well, which will result in shortening of well life. In this scenario, the objective of the present study was to evaluate the mechanical behavior of Portland-based slurries containing SBR latex, applied in oil well cementing of wells submitted to steam injection. Were formulated slurries with densities of 1.797 g/cm3 (15.0 lb/Gal) and 1.869 g/cm3 (15.6 lb/Gal), containing admixtures with a latex concentration of 0; 66.88; 133.76; 200.64 and 267.52 L/m3 (0, 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 gpc). Tests including rheology, fluid loss control, thickening time, API compressive strength and splitting tensile strength, beyond steam injection simulation. Microstrutural characteristics of the slurries were also performed (XRD, TG, FTIR and SEM). The results showed that increasing the polymer concentration increased in the rheological properties and fluid loss, and a decrease in the elasticity modulus of the cement slurries. The results obtained showed that the slurries can be applied in cementing operations of oil wells submitted to steam injection.

Compósitos Portland-biopolímeros para cimentação de poços de petróleo

The oil production in mature areas can be improved by advanced recovery techniques. In special, steam injection reduces the viscosity of heavy oils, thus improving its flow to surrounding wells. On the other hand, the usually high temperatures and pressures involved in the process may lead to cement cracking, negatively affecting both the mechanical stability and zonal isolation provided by the cement sheath of the well. The addition of plastic materials to the cement is an alternative to prevent this scenario. Composite slurries consisting of Portland cement and a natural biopolymer were studied. Samples containing different contents of biopolymer dispersed in a Portland cement matrix were prepared and evaluated by mechanical and rheological tests in order to assess their behavior according to API (American Petroleum Institute) guidelines. FEM was also applied to map the stress distribution encountered by the cement at bottom bole. The slurries were prepared according to a factorial experiment plan by varying three parameters, i.e., cement age, contents of biopolymer and water-to-cement ratio. The results revealed that the addition of the biopolymer reduced the volume of free water and the setting time of the slurry. In addition, tensile strength, compressive strength and toughness improved by 30% comparing hardened composites to plain Portland slurries. FEM results suggested that the stresses developed at bottomhole may be 10 to 100 times higher than the strength of the cement as evaluated in the lab by unconfined mechanical testing. An alternative approach is proposed to adapt the testing methodology used to evaluate the mechanical behavior of oilwell cement slurries by simulating the confined conditions encountered at bottornhole

Avaliação do comportamento reológico de pastas de cimento para poços de petróleo com adição de plastificantes

The isolation of adjacent zones encountered during oilwell drilling is carried out by Portland-based cement slurries. The slurries are pumped into the annular positions between the well and the casing. Their rheological behavior is a very important component for the cementing process. Nowadays, several alternative materials are used in oilwell cementing, with goal the modification and the improvement of their properties, mainly the increase of the fluidity. And this can be reached by using plasticizers additives able to account for different oilwell conditions, yielding compatible cement slurries and allowing enough time for the complete cementing operation. If the rheological properties of the slurry are properly characterized, the load loss and flow regime can be correctly predicted. However, this experimental characterization is difficult. Rheological models capable of describing the cement slurry behavior must be capable of predicting the slurry cement deformation within reasonable accuracy. The aim of this study was to characterize rheologically the slurries prepared with a especial class of Portland cement, water and plasticizers based on lignosulfonate, melamine and polycarboxylate at temperatures varying from 27°C to 72°C. The tests were carried out according to the practical recommendations of the API RP 10B guidelines. The results revealed a great efficiency and the dispersive power of the polycarboxylate, for all temperatures tested. This additive promoted high fluidity of the slurries, with no sedimentation. High lignosulfonate and melamine concentrations did not reduce the rheological parameters (plastic viscosity and yield stress) of the slurries. It was verified that these additives were not compatible with the type of cement used. The evaluated rheological models were capable of describing the behavior of the slurries only within concentration and temperature ranges specific for each type of additive

Estudo do comportamento de pastas compósitas cimento/sílica/poliuretana para poços de petróleo HPHT

Os poços HPHT atravessam zonas anormalmente pressurizadas e com altos gradientes de temperatura. Esses poços apresentam elevadas concentrações de tensões produzidas pelas operações de perfuração e fraturamento hidráulico, flutuações da pressão e temperatura, forças dinâmicas geradas durante a perfuração, formações inconsolidadas, entre outros aspectos, podendo resultar em falhas mecânicas na bainha de cimento. Tais falhas comprometem a estabilidade mecânica do poço e o isolamento das zonas produtoras de óleos e/ou gás. Para que operações corretivas não se façam necessárias, é preciso adequar as pastas às condições de cada poço. Sistemas de pastas de cimento para poços HPHT requerem um bom controle de suas propriedades termo-mecânicas. Visto que a temperaturas superiores a 110 oC (230 oF) o cimento, após alcançar um valor máximo de resistência, inicia um processo de perda de resistência (retrogressão). Para prevenir esse efeito substitui-se parcialmente o cimento Portland por sílica com objetivo de incrementar a reação pozolânica. Esta reação modifica a trajetória do processo natural de hidratação do cimento, o gel de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) se converte em várias outras fases com maior resistência. Polímeros também são adicionados para proporcionar maior flexibilidade e agir como barreira à propagação de trincas desenvolvidas sob tensão. O presente trabalho teve como objetivo estudar o comportamento do sistema cimento/sílica/polímero quando submetido às condições de alta temperatura e alta pressão. Foram formuladas pastas de cimento puro, pastas contendo 40 % BWOC de sílica flour e pastas com diferentes concentrações de poliuretana (5 % a 25 %) e 40 % BWOC de sílica flour. O peso específico das pastas foi fixado em 1,87 g/cm3 (15,6 lb/gal). Os resultados demonstram que as resistências da pasta contendo 40% de sílica e das com adição de polímero foram muito superiores a da pasta de cimento puro, não ocorrendo o efeito da retrogressão. As pastas com polímero apresentaram um crescente aumento da tenacidade com o aumento da concentração da mesma, sendo assim capaz de suportar as tensões. Além de se manterem estáveis termicamente acima de 180 ºC. O sistema também apresentou excelentes resultados de filtrado, reologia, água livre, estabilidade e permeabilidade. Sendo assim, o mesmo mostrou ser aplicável a poços HPHT

Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland compostos para cimentação de poços petrolíferos

The Compound Portland cements are commonly used in construction, among them stand out the CPII-Z, CPII-F and CPIV. These types of cement have limited application on oil well cementing, having its compositional characteristics focused specifically to construction, as cement for use in oil wells has greater complexity and properties covering the specific needs for each well to be coated. For operations of oil wells cementing are used Portland cements designed specifically for this purpose. The American Petroleum Institute (API) classifies cements into classes designated by letters A to J. In the petroleum industry, often it is used Class G cement, which is cement that meets all requirements needed for cement from classes A to E. According to the scenario described above, this paper aims to present a credible alternative to apply the compound cements in the oil industry due to the large availability of this cement in relation to oil well cements. The cements were micro structurally characterized by XRF, XRD and SEM tests, both in its anhydrous and hydrated state. Later technological tests were conducted to determine the limits set by the NBR 9831. Among the compound cements studied, the CPII-Z showed satisfactory properties for use in primary and secondary operations of oil wells up to 1200 meters cementing

Efeito da adição de microfibras de lã de vidro na tenacidade à ruptura de pastas de cimento para poços de petróleo

Although there are a wide variety of additives that act in fresh state, to adjust the properties of cement, there is also a search by additions that improve the tenacity of the cement in the hardened state. This, in turn, can often be increased by inserting fibers, which act on the deflection of microcracks. This study aimed to use a microfiber glass wool (silica-based) as an additive reinforcing the cement matrix, improving the rupture tenacity, in order to prevent the propagation of microcracks in the cement sheath commonly found in oil wells submitted to high temperatures. The fibers were added at different concentrations, 2 to 5% (BWOC) and varied average sizes, grinding for 90 s, 180 s, 300 s, 600 s. The cement slurries were made with a density of 1,90 g/ cm3 (15,6 lb/gal), using Portland cement CPP- Special Class as the hydraulic binder and 40% silica flour. The characterization of the fiber was made by scanning electron microscopy (SEM), particle size by sieving, X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetry (TG / DTG). Were performed technological tests set by the API (American Petroleum Institute) by rheology, stability, free water, compressive strength, as well as testing rupture energy, elastic modulus and permeability. The characterization results showed good thermal stability of the microfiber glass wool for application in oil wells submitted to steam injection and, also, that from the particle size data, it was possible to suggest that microfibers milled up to 300 s, are ideal to act as reinforcement to the cement slurries. The rheological parameters, there was committal of plastic viscosity when larger lengths were inserted of microfiber (F90). The values obtained by free water and stability were presented according to API. The mechanical properties, the incorporation of microfiber to the cement slurries gave better rupture tenacity, as compared to reference cement slurries. The values of compressive strength, elastic modulus and permeability have been maintained with respect to the reference cement slurries. Thus, cement slurries reinforced with microfiber glass wool can ensure good application for cementing oil wells submitted to steam injection, which requires control of microcracks, due to the thermal gradients

Análise da pozolanicidade da cinza da casca da castanha do caju pelo método de difratometria de raios X

Atualmente, o aproveitamento de resíduos na construção civil tem sido estimulado, uma vez que esse setor apresenta-se como um dos maiores consumidores de materiais naturais em seus processos e produtos. As cinzas ocupam lugar de destaque entre os resíduos agroindustriais por resultarem de processos de geração de energia. Grande parte dessas cinzas possui atividade pozolânica, podendo ser utilizada como substituto parcial do cimento Portland, resultando numa economia significativa de energia e custo. Este trabalho faz parte de uma pesquisa mais ampla, a qual busca avaliar a viabilidade técnica da cinza da casca da castanha de caju (CCCC) como adição mineral em matrizes de cimento Portland, como também, propor uma metodologia de análise de cinzas agroindustriais. Aplicou-se a técnica de difratometria de raios X para avaliar a reatividade do hidróxido de cálcio pela cinza da casca da castanha de caju em pastas, empregaram-se teores de substituição entre 2,5 e 30,0% e os difratogramas das pastas foram comparados com os das pastas confeccionadas com sílica ativa, executados sobre as mesmas condições de ensaio. Os resultados apontam para a ausência de reatividade pozolânica da CCCC com o cimento Portland.

Swine deep bedding ashes as a mineral additive for cement based mortar

The sustainability of intensive swine production demands alternative destinations for the generated residues. Ashes from swine rice husk-based deep bedding were tested as a mineral addition for cement mortars. The ashes were obtained at 400 to 600ºC, ground and sieved through a 325 mesh sieve (# 0.045 mm). The characterization of the ashes included the determination of the index of pozzolanic activity with lime. The ashes were also tested as partial substitutes of Portland cement. The mortars were prepared using a cement:sand proportion of 1:1.5, and with water/cement ratio of 0.4. Three percentages of mass substitution of the cement were tested: 10, 20 and 30%. Mortar performances were assessed at 7 and 28 days determining their compressive strength. The chosen condition for calcinations at the laboratory scale was related to the maximum temperature of 600ºC since the resulting ashes contained vitreous materials and presented satisfactory values for the pozzolanic index under analysis. The pozzolanic activity indicated promising results for ashes produced at 600ºC as a replacement of up to 30% in cement masses.

Contribuição para o conhecimento das propriedades pozolânicas da fracção fina resultante da produção de areia de origem granítica

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado incluída no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre as condições de desidroxilação para a obtenção de metacaulino com propriedades cimentíceas, a partir da fracção argilosa proveniente dos finos residuais da produção de areias de natureza granítica. O produto resultante da alteração e desintegração dos feldspatos constituintes dos granitos são ricos em caulinite. Na natureza e em particular no Norte de Portugal, existem significativos depósitos cauliníticos com características potenciadoras para a produção de metacaulino. O metacaulino utilizado neste estudo foi obtido de uma amostra de argila submetida a 750oC, por um período de tempo de 30 minutos, processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. Os metacaulinos, também conhecidos por geopolímeros, são produtos de fácil produção utilizando uma matéria-prima abundante e proporcionam a obtenção de novos produtos que permitem a substituição parcial do cimento Portland normal na composição das pastas de betão, com vantagens significativas no comportamento mecânico e na resistência aos agentes atmosféricos. Neste estudo são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. No âmbito da especialidade de Georrecursos, consideramos que este trabalho está perfeitamente adequado, já que, para além do estudo para o conhecimento das propriedades da matéria-prima, foi possível, através das alterações introduzidas com o tratamento térmico, obter um novo produto, cuja utilização terá importantes reflexos na sustentabilidade dos recursos naturais e sua utilização.

Contribuição para o conhecimento sobre o efeito da utilização de material pozolânico no fabrico de betão

O presente trabalho, realizado no âmbito da Tese de Mestrado, tem como principal objectivo estudar as características pozolânicas dos materiais da zona de Arganil para substituição parcial do cimento Portland com o objectivo de intensificar certas qualidades devido à diminuição da porosidade do betão. Estas qualidades são interessantes quando se procura maior durabilidade. Para tal, foram realizados diversos ensaios para a caracterização física, química e mineralógica dos produtos. Os metacaulinos utilizados foram obtidos de amostras de argila submetidas a calcinação (750oC, durante uma hora), processo que permitiu a desidroxilação quase total da matéria-prima, transformando esta numa fase amorfa e irreversível, com propriedades pozolânicas. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da matéria-prima, das condições de calcinação e do produto resultante da desidroxilação, nomeadamente a determinação da pozolanicidade e superfície específica e das características fundamentais para a aplicabilidade do produto. Descreve ainda o emprego do metacaulino em betões de resistência convencional. Estudou-se a influência do emprego do metacaulino (15% de substituição de cimento, em massa) na resistência à flexão e à compressão (aos 28 dias) em argamassas e o emprego de metacaulino (10%, 15% e 20% de substituição de cimento, em massa) na resistência à compressão (3, 7 e 28 dias) no betão.

Influência da microestrutura morfológica no comportamento de argamassas

As argamassas são materiais de construção porosos utilizados em diversos tipos de aplicação, por vezes muito distintos. A compreensão do seu comportamento, face às diversas solicitações a que podem estar sujeitas, é determinante para que possam efectivamente ser cumpridas as exigências que, em cada caso, sejam definidas. O desempenho das argamassas depende em grande medida das propriedades da sua microestrutura que, por sua vez, são condicionadas por um conjunto de cinco aspectos principais: os componentes, o traço, a cura, os procedimentos de aplicação e o tipo de suporte. O objectivo desta tese foi o de avaliar a forma como se relacionam o tipo de ligante e a granulometria das areias, as propriedades da microestrutura morfológica e o comportamento de argamassas. Foram globalmente preparadas cinquenta composições de argamassa que incluíram quatro tipos de ligante (cal aérea, cal hidráulica, cimento branco e um ligante misto composto por cal aérea e cimento Portland corrente) e dezasseis areias de granulometria distinta. A análise dos resultados obtidos permitiu o estabelecimento de um conjunto de conclusões que se julgam relevantes. A dimensão das partículas e o volume de vazios das areias desempenham um papel determinante nas propriedades da microestrutura morfológica das argamassas, i.e. na dimensão, na quantidade e na forma dos poros. Por outro lado, a retracção por secagem inerente aos processos de endurecimento dos ligantes aéreos e dos ligantes hidráulicos induz uma distinção de fundo na microestrutura das argamassas fabricadas com uns e com outros, que se traduz por diferenças na conectividade da rede porosa. Este facto dá origem a comportamentos diferenciados, sobretudo no que diz respeito à absorção de água por capilaridade e às resistências mecânicas. A análise das areias conduziu à definição de novos parâmetros numéricos que se julga contribuírem para uma caracterização da granulometria mais detalhada face ao que tem sido prática corrente.

Valorização de fosfogesso - contributo para a mineralização do clínquer

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciência e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Influência dos métodos de ensaio nas características de argamassas de cal aérea e hidráulica

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Reabilitação de Edifícios

Avaliação da evolução das características de argamassas de cal aérea com diferentes teores de metacaulino sujeitas a ambientes de diferente humidade relativa

Dissertação para obtenção do grau Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Construção