Nanopartículas de óxidos metálicos como potenciais aditivos em fluidos de perfuração de poços de petróleo: Uma revisão da literatura

Abstract

Com uma demanda crescente por petróleo e a exploração de poços localizados em regiões mais profundas, os projetos de perfuração se tornam mais caros e complexos, demandando por fluidos de perfuração de alta performance, cada vez mais tecnológicos. Os fluidos de perfuração são indispensáveis na construção de um poço de petróleo e precisam ser estáveis ao longo de toda a perfuração para desempenhar funções como controle das pressões e limpeza do poço. Por isso, conhecer e otimizar as propriedades deles, tal como reologia e filtrado, é importante para racionalizar sua aplicação e reduzir os custos de exploração de petróleo. Os aditivos que compõem os fluidos de perfuração consistem basicamente de argilas, polímeros, surfactantes e sais, que são empregados de acordo com a formação rochosas e a necessidade e função desejada na perfuração do poço. Com os avanços na síntese e funcionalização de nanopartículas de óxido metálicos (NPOM), esta classe de compostos passou a ser vista como um aditivo potencial para os fluidos, devido a sua elevada estabilidade térmica e mecânica, resistência a corrosão e capacidade de alterar os parâmetros de reologia e filtrado. Além disso, a síntese química empregada para produzir nanopartículas permite um controle de suas características, como o tamanho, a fase cristalina, a forma e os ligantes ancorados na superfície do material, fornecendo um enorme potencial para elevar a performance dos fluidos de perfuração. Sendo assim, este trabalho revisou a literatura científica sobre a aplicação de NPOM em fluidos de perfuração, compilando informações da formulação e concentração utilizada, identificando alterações nas propriedades, os tipos de materiais e compósitos que estão sendo estudados e os mecanismos propostos para o funcionamento das nanopartículas como aditivos no fluido. O estudo identificou que a maioria dos autores avaliaram a influência das NPOM nos parâmetros reológicos e de filtrado no fluido de perfuração, sendo observado diferenças nas propriedades do fluido em todos os casos se comparada ao fluido fabricado com a sua formulação original sem a adição de nanopartículas. Além disso, as NPOM de Al2O3 e Fe2O3 foram capazes de reduzir a fricção, enquanto as de CuO e ZnO com goma xantana melhoraram a condutividade térmica e elétrica do fluido. NPOM de ZrO2 se destacaram como uma forma de melhorar a reologia e o filtrado do fluido, com destaque para o compósito formado com bentonita API, que foi capaz de aumentar os parâmetros reológicos e de filtragem com a adição de 0,15% em massa. No caso das nanopartículas de SiO2, a funcionalização promoveu dispersões em fluidos a base de água, óleo e emulsão água/óleo. A melhoria na redução da perda de filtrado foi atribuída a ligações cruzadas entre os polímeros funcionalizando as NPOM de SiO2 e as interações de ligação de hidrogênio de grupos hidroxila nas regiões de poros da formação rochosa. Nesse sentido, as nanopartículas poderiam ser aplicadas objetivando melhorar a compatibilidade do fluido com a formação rochosa, trazendo assim inovações tecnológicas importantes para o setor de óleo e gás, com possibilidade de otimizar a performance das operações de perfuração de poços de petróleo.

With a growing demand for oil and the exploration of wells located in deeper regions, drilling projects become more expensive and complex, demanding high-performance drilling fluids, increasingly technological. Drilling fluids are indispensable in the construction of an oil well and need to be stable throughout the drilling to perform functions such as pressure control and well cleaning. Therefore, knowing and optimizing their properties, such as rheology and filtrate, is important to rationalize their application and reduce oil exploration costs. The additives that make up the drilling fluids basically consist of clays, polymers, surfactants and salts, which are used according to the rock formation and the need and desired function in drilling the well. With advances in the synthesis and functionalization of metal oxide nanoparticles (NPOM), this class of compounds has come to be seen as a potential additive for fluids, due to its high thermal and mechanical stability, corrosion resistance and ability to change parameters. of rheology and filtrate. In addition, the chemical synthesis used to produce nanoparticles allows control of their characteristics, such as size, crystalline phase, shape and ligands anchored on the surface of the material, providing enormous potential to increase the performance of drilling fluids. Therefore, this work reviewed the scientific literature on the application of NPOM in drilling fluids, compiling information on the formulation and concentration used, identifying changes in properties, the types of materials and composites that are being studied and the proposed mechanisms for the functioning of the nanoparticles as additives in the fluid. The study identified that most authors evaluated the influence of NPOM on the rheological and filtrate parameters in the drilling fluid, with differences in the fluid properties being observed in all cases compared to the fluid manufactured with its original formulation without the addition of nanoparticles. Furthermore, the Al2O3 and Fe2O3 NPOM were able to reduce friction, while the CuO and ZnO with xanthan gum improved the thermal and electrical conductivity of the fluid. ZrO2 NPOM stood out as a way to improve the rheology and fluid filtration, with emphasis on the composite formed with bentonite API, which was able to increase the rheological and filtration parameters with the addition of 0.15% by mass. In the case of SiO2 nanoparticles, the functionalization promoted dispersions in fluids based on water, oil and water/oil emulsion. The improvement in filtrate was attributed to crosslinking between the functionalization polymers in the SiO2 NPOM and the hydrogen bonding interactions of hydroxyl groups in the pore regions of the rock formation. In this sense, nanoparticles could be applied aiming at better fluid compatibility with the rock formation, thus bringing important technological innovations to the oil and gas sector, with the possibility of optimizing the performance of oil well drilling operations