[pt] DESEMPENHO MECÂNICO E REOLÓGICO DE PASTAS DE CIMENTAÇÃO COM INCLUSÃO DE FIBRAS DE PVA EM CONDIÇÕES EXTREMAS

[en] MECHANICAL AND RHEOLOGICAL PERFORMANCE OF CEMENT SLURRIES WITH PVA FIBER INCLUSION UNDER EXTREME CONDITIONS

[pt] ANDERSON VIANA NEVES

[pt] AUTOCLAVE

[pt] DEGRADACAO POR H2S E CO2

[pt] PASTA DE CIMENTO CLASSE G

[pt] FIBRA DE PVA

[en] CURE CHAMBER

[en] H2S AND CO2 DEGRADATION

[en] CLASS G CEMENT

[en] PVA FIBER

[pt] Este trabalho teve como principais objetivos investigar a durabilidade de pastas de cimento Classe G expostas a ambientes severos encontrados em poços de petróleo (salmoura saturada com H2S e CO2). Além disso, avaliar o potencial da adição de fibras de PVA para potencializar as propriedades mecânicas e reológicas dessas pastas, especialmente em operações de abandono de poços. Para atingir esses objetivos, foram realizadas as seguintes caracterizações e ensaios: caracterização física da porosidade, permeabilidade e microtomografia computadorizada; caracterização química por difração de raio-X e medição do pH das soluções de exposição; ensaios mecânicos não confinados e confinados; e caracterização reológica para determinação da curva de escoamento e imiscibilidade entre os fluidos na presença das fibras. Os resultados obtidos demonstraram que a exposição da matriz de cimento aos ambientes de degradação durante três meses resultou em uma perda significativa da resistência mecânica, com reduções de aproximadamente 36 por cento e 45 por cento nos ensaios não confinados para os ambientes com CO2 e H2S, respectivamente. Nos ensaios confinados, observou a redução da resistência mecânica com confinamento utilizando pressões de 10 e 20 MPa e aumento da resistência com confinamento de 40 MPa em ambos os ambientes de exposição. A avaliação da adição de fibras de PVA em pastas em estado fresco,quando endurecidas e expostas ao ambiente ácido, revelou um incremento da resistência média das pastas, independentemente da condição de confinamento. O ambiente com salmoura saturada com H2S mostrou-se mais agressivo às fibras e à matriz de cimento. As fibras de PVA apresentaram um papel importante nas primeiras idades da pasta de cimento exposta ao ambiente com salmoura saturada com CO2, contribuindo para o ganho de ductilidade do material sob confinamento. Contudo, após seis meses de exposição, as fibras de PVA sofreram degradação, comprometendo sua função estrutural na matriz. No contexto de abandono de poços, a incorporação de fibras de PVA à pasta de cimento fresca demonstrou efetividade na modificação das propriedades reológicas da matriz cimentícia. Os ensaios reológicos revelaram que a adição das fibras modificou positivamente a viscosidade e a tensão de escoamento tanto da pasta de cimento quanto do fluido simulador utilizado (Carbopol), resultando na estabilização destas fases sobre os fluidos simuladores de perfuração em experimentos com duto vertical. Este comportamento de estabilização sugere a garantia da integridade do plugue de abandono, prevenindo a migração de fluidos de formação. A fração volumétrica das fibras de PVA influenciou diretamente a viscosidade e, principalmente, o limite de escoamento da pasta de cimento.

[en] This work aimed to investigate the durability of Class G cement pastes exposed to severe environments found in oil wells (brine saturated with H2S and CO2). Furthermore, to evaluate the potential of adding PVA fibers to enhance the mechanical and rheological properties of these pastes, especially in well abandonment operations. To achieve these objectives, the following characterizations and tests were performed: physical characterization of porosity, permeability, and computed microtomography; chemical characterization using X-ray diffraction and measurement of the pH of the exposure solutions; unconfined and confined mechanical tests; and rheological characterization to determine the flow curve and immiscibility between fluids in the vertical duct in the presence of the fibers.The results obtained demonstrated that the exposure of the cement matrix to the degradation environments for three months resulted in a significant loss of mechanical strength, with reductions of approximately 36 per cent and 45 per cent in unconfined tests for the CO2 and H2S environments, respectively. In confined tests, a reduction in strength was observed with confinement of 10 and 20 MPa; however, a gain in strength was observed in both exposure environments when the confining pressure reached 40 MPa. The evaluation of PVA fiber addition in fresh state pastes, after hardened and exposed to an acidic environment revealed an increase in the average strength of the pastes, regardless of the confinement condition. The environment with H2S-saturated brine proved to be more aggressive to both the fibers and the cement matrix. PVA fibers played an important role in the early ages of the cement paste exposed to the CO2-saturated brine environment, contributing to the gain in material ductility under confinement. However, in the case of samples subjected to six months of exposure, the PVA fibers underwent a degradation process, compromising their structural function within the matrix. In the specific context of well abandonment operations, the incorporation of PVA fibers into the fresh cement paste demonstrated effectiveness in modifying the rheological properties of the cementitious matrix. The rheological tests revealed that the addition of the fibers positively modified the viscosity and yield stress of both the cement paste and the simulator fluid used (Carbopol), resulting in the stabilization of these phases over the drilling simulator fluids in vertical duct experiments. This stabilization behavior suggests the assurance of the abandonment plug integrity, preventing the migration of formation fluids. The volumetric fraction of PVA fibers directly influenced the viscosity and, mainly, the yield stress of the cement paste.

FLAVIO DE ANDRADE SILVA

VICTOR NOGUEIRA LIMA

FLAVIO DE ANDRADE SILVA

PAULO ROBERTO DE SOUZA MENDES

LOURDES MARIA SILVA DE SOUZA

VICTOR NOGUEIRA LIMA

OSCAR AURELIO MENDOZA REALES

ANTONIO ACACIO DE MELO NETO

2025-05-15

2025-02-21

[pt] TEXTO

application/pdf

PORTUGUÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=70450@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=70450@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.70450