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Investigação reológica na mineração e exploração de petróleo

Embora a mineração seja uma das indústrias mais antigas do mundo, com metal e pedra sendo extraídos desde tempos pré-históricos, ela continua a crescer e ser ampliada ainda hoje. Os produtos minerados variam de materiais de energia básica, como carvão e gás, até materiais de construção como ferro, e metais preciosos, como níquel, titânio, lítio, ouro e outros. 

Os principais processos envolvidos na mineração incluem perfuração, processamento e transporte de materiais escavados e a remoção de armazenamento de produtos residuais. Uma vez que a maioria das minas lida com áreas e quantidades extremamente grandes, pequenas diferenças na eficiência desses processos podem ter um enorme impacto sobre a produtividade e a viabilidade econômica da mina.

Comportamento reológico de materiais usados na mineração e exploração de petróleo

As medições reológicas oferecem informações importantes sobre a eficiência dos processos descritos acima, que estão bastante ligados ao fluxo de pastas e líquidos:

Perfuração

Fluidos de perfuração desempenham papéis importantes no processo de perfuração, como lubrificação de broca e coluna de perfuração, remoção de cascalho da face da broca, e manter os fluidos de formação afastados. Medições reológicas são necessárias para monitorar e prever o desempenho de fluidos de perfuração em ambientes diversos, de minas em alto-mar com temperaturas de 5 °C, a poços geotérmicos de até 180 °C. 

Processamento e transporte

Em certos casos, materiais escavados precisam ser transportados em longas distâncias antes que possam ser processados e refinados. Dados reológicos são necessários para definir as melhores condições de bombeamento, incluindo tamanho de tudo, composição de fluidos e pressão de bomba.

Tratamento de resíduos

A indústria de mineração é a maior produtora de resíduos do mundo. Remover boa parte da água antes que resíduos sejam transportados pode resultar em economia de água, energia de transporte e custos de armazenamento; no entanto, concentrar os resíduos também pode mudar significativamente seu comportamento de fluxo, de forma que medições reológicas são necessárias para traçar a melhor estratégia de descartes de resíduos.

Materiais tipicamente medidos na indústria de mineração:

Fluidos de perfuração

A função mais importante que um fluido de perfuração realiza é minimizar a concentração de cascalho ao redor da broca e em todo o poço. O fluido de perfuração também precisa estabilizar o poço e lubrificar a broca e a coluna de perfuração para garantir altas taxas de perfuração. O fluido precisa ser suficientemente viscoso para fazer com que os cascalhos e fragmentos subam até a superfície; porém, ao mesmo tempo, sua viscosidade não deve ser alta demais para que mantenha as perdas de pressão de atrito em níveis mínimo. A melhor maneira de controlar o equilíbrio de viscosidade é gerenciar a reologia de fluidos de perfuração.

Testes reológicos em fluidos de perfuração

Fluidos de perfuração passaram por uma enorme evolução tecnológica: antes, eles eram uma simples mistura de água e argilas; atualmente, são misturas sintéticas complexas de diversos produtos orgânicos e inorgânicos conhecidos como "lamas de perfuração". Ao controlar os componentes, as propriedades reológicas podem ser melhoradas e adaptadas. Por exemplo, se água for adicionada à mistura, a viscosidade diminui em uma faixa ampla de taxa de cisalhamento. Se bentonita for usada, a viscosidade aumenta. Polímeros também ajudam a aumentar a viscosidade em altas  taxas de cisalhamento, enquanto cal branco é usado para aumentar a viscosidade em taxas menores de cisalhamento. 

A figura abaixo mostra como aumentar a quantidade de espessante em um fluido de perfuração aumenta sua viscosidade em uma ampla faixa de taxa de cisalhamento .

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de medição de cilindro.

Pastas

As características de processamento e transporte de suspensões dependem significativamente de suas propriedades reológicas. O limite de elasticidade, por exemplo, informa a força mínima necessária para iniciar o fluxo da pasta, enquanto a viscosidade é uma medida da resistência da pasta ao fluxo. Uma quantidade desproporcional de energia é necessária para superar o limite de elasticidade e, até o limite de elasticidade ser atingido, a resistência e a pressão no tubo aumentam proporcionalmente enquanto a pasta está parada. Dessa forma, se o limite de elasticidade for muito alto, é impossível iniciar o processo de bombeamento. É de essencial importância monitorar e controlar essas propriedades reológicas porque uma pequena mudança na eficiência de bombeamento pode ter efeitos significativos sobre energia e custos.

Testes reológicos em pastas

O limite de elasticidade e a viscosidade podem ser influenciados ao variar a composição de pasta, como, por exemplo, a quantidade de água, aditivos (sólidos, polímeros, líquidos), tamanho de partículas e temperatura de bombeamento. Muitas vezes, uma pasta de afinamento de corte é necessária, onde aumentar a tensão de cisalhamento reduz a viscosidade da pasta, facilitando que ela seja bombeada.

A relação entre a taxa de cisalhamento e a viscosidade em uma amostra de afinamento de corte pode ser vista na figura abaixo. Em taxas de cisalhamento baixas e com baixo fluxo volumétrico, a tensão de cisalhamento e a diferença de pressão no tubo são relativamente altas. No entanto, aumentar o fluxo volumétrico da pasta no tubo exige apenas um pequeno aumento adicional na pressão. Isso se deve ao comportamento de afinamento de corte da pasta, ou seja, a viscosidade cai quando aumenta a taxa de cisalhamento.

Esse teste exige um reômetro equipado com um sistema de medição de cilindro jateado.