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Studio reologico nell'industria mineraria e nell'esplorazione petrolifera

Nonostante l'estrazione mineraria sia una delle industrie più antiche, con il metallo e la pietra estratti già nella preistoria, è un settore che continua a crescere e ad espandersi ancora oggi. Gli obiettivi minerari vanno dai materiali energetici di base, come carbone e gas, a materiali da costruzione come il ferro, fino a metalli preziosi come nichel, titanio, litio, oro e altri. 

I principali processi coinvolti nell'estrazione includono perforazione, lavorazione e trasporto dei materiali di scavo, nonché la rimozione e lo stoccaggio dei prodotti di scarto. Poiché la maggior parte delle miniere ha a che fare con aree e quantità estremamente grandi, piccole differenze nell'efficienza di questi processi possono avere un grande impatto sulla produttività e sulla redditività economica della miniera stessa.

Comportamento reologico di materiali utilizzati nell'industria mineraria e nell'esplorazione petrolifera

Le misure reologiche forniscono importanti informazioni sull'efficienza dei processi sopra descritti, che ruotano in gran parte intorno al flusso di impasti semiliquidi e liquidi:

Perforazione

I fluidi di perforazione svolgono una serie di ruoli importanti nel processo di perforazione, come la lubrificazione della punta e della batteria di perforazione, l'eliminazione di pezzi dalla faccia della punta e il controllo della formazione dei fluidi. Sono necessarie misure reologiche per monitorare e prevedere le prestazioni dei fluidi di perforazione in diversi ambienti, dalle miniere in alto mare con temperature basse fino a 5 °C ai pozzi geotermici con temperature fino a 180 °C. 

Lavorazione e trasporto

In alcuni casi, i materiali di scavo devono essere trasportati su lunghe distanze prima di poter essere lavorati e raffinati. I dati reologici sono necessari per definire le condizioni ottimali di pompaggio, comprese le dimensioni dei tubi, la composizione del fluido e la pressione della pompa.

Trattamento dei rifiuti

L'industria mineraria è la prima produttrice di rifiuti al mondo. La rimozione di gran parte dell'acqua prima del trasporto dei rifiuti può comportare un risparmio di acqua, energia di trasporto e costi di stoccaggio; tuttavia, la concentrazione dei rifiuti può anche modificarne drasticamente il comportamento del flusso, quindi sono necessarie misure reologiche per definire la migliore strategia di smaltimento.

Materiali misurati tipicamente nell'industria mineraria

Liquidi e fluidi di perforazione

La funzione più critica svolta da un fluido di perforazione è quella di ridurre al minimo la concentrazione di pezzi intorno alla punta di perforazione e attraverso il foro del pozzo. Il fluido di perforazione deve anche stabilizzare il foro del pozzo e lubrificare la punta e la batteria di perforazione per garantire velocità di perforazione elevate. Il fluido deve quindi essere abbastanza viscoso da convogliare in superficie i detriti ma, al contempo, la  viscosità  non deve essere così alta da minimizzare la perdita di carico per attrito. Il modo migliore per controllare l'equilibrio di viscosità è gestire la reologia dei fluidi di perforazione.

Test reologici sui fluidi di perforazione

I fluidi di perforazione hanno visto una grande evoluzione tecnologica: in passato erano una semplice miscela di acqua e argille; oggi sono complesse miscele sintetiche di vari prodotti organici e inorganici noti come "fanghi di perforazione". Controllando i componenti, le proprietà reologiche possono essere migliorate e adattate. Ad esempio, aggiungendo acqua alla miscela, la viscosità scende su un ampio intervallo di velocità di taglio. Se si aggiunge bentonite, la viscosità aumenta. I polimeri aiutano ad aumentare la viscosità a velocità di taglio elevate, mentre la calce è utilizzata per aumentare la viscosità a velocità di taglio più basse. 

La figura seguente mostra come aumentare la quantità di addensante in un fluido di perforazione ne aumenta la viscosità in una ampio intervallo di velocità di taglio .

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di misurazione a cilindro.

Impasti semiliquidi

Le caratteristiche di processo e di trasporto degli impasti semiliquidi sono fortemente dipendenti dalle loro proprietà reologiche. Il limite di scorrimento, ad esempio, indica la forza minima richiesta per innescare lo scorrimento dell'impasto semifluido, mentre la viscosità è una misura della resistenza dell'impasto allo scorrimento. È necessaria una quantità sproporzionata di energia per superare il limite di scorrimento, e fino al raggiungimento del limite di scorrimento la resistenza e la pressione nel tubo aumentano proporzionalmente mentre l'impasto è fermo. Pertanto, se il limite di scorrimento è troppo alto, è impossibile iniziare il processo di pompaggio. È di vitale importanza monitorare e controllare queste proprietà reologiche poiché un piccolo cambiamento nell'efficienza di pompaggio può avere effetti significativi su energia e costi.

Test reologici su impasti semiliquidi

Il limite di scorrimento e la viscosità possono essere influenzati variando la composizione dell'impasto, ad es. la quantità di acqua, additivi (solidi, polimeri, liquido), dimensione delle particelle e la temperatura di pompaggio. Spesso è necessario un impasto shear-thinning , mentre l' aumento dello sforzo di taglio riduce la viscosità dell'impasto, facilitando il pompaggio.

La relazione tra velocità di taglio e viscosità in un campione shear-thinning può essere illustrata nella figura sotto. A basse velocità di taglio e bassa portata volumetrica, lo sforzo di taglio e la differenza di pressione nel tubo sono relativamente elevate. Tuttavia, per aumentare la portata volumetrica dell'impasto nel tubo basta solo un leggero aumento della pressione. Ciò dipende dal comportamento shear-thinning  dell'impasto, vale a dire che la viscosità scende quando aumenta la velocità di taglio.

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di misura con cilindri sabbiati.