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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-8047-6890
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Microwave paddle dryer como alternativa para a secagem de cascalhos da perfuração em ambientes offshore
Alternate title (s): Microwave paddle dryer as an alternative for drying drilling cuttings in offshore environments
Author: Barbosa, Vinícius Pimenta
First Advisor: Pereira, Marina Seixas
First coorientator: Duarte, Cláudio Roberto
First member of the Committee: Pereira, Fabio de Assis Ressel
Second member of the Committee: Santana, Ricardo Correa de
Third member of the Committee: Béttega, Rodrigo
Fourth member of the Committee: Gedraite, Rubens
Summary: No processo de perfuração de poços de petróleo, os fragmentos de rocha gerados pela ação da broca são denominados cascalhos e transportados até a superfície pela ação do fluido de perfuração. O fluido de perfuração possuí diversas funções para realizar a operação de perfuração do poço com segurança e estabilidade, apresentando características reológicas necessárias ao processo e que são resultantes dos diversos aditivos que fazem parte de sua composição. Porém, fluidos de base orgânica tem olefinas em sua formulação, componente tóxico ao meio ambiente. Por esta razão, o limite atual no Brasil de teor de orgânicos provenientes do fluido de perfuração no cascalho é de 5,9% em massa para o descarte offshore. Em virtude do aumento das restrições ambientais, deve-se chegar a um valor significativamente menor num futuro próximo. A mistura entre o cascalho e o fluido de perfuração é separada por vários equipamentos em série que formam a unidade de controle de sólidos, entretanto a eficiência de separação destes equipamentos já está próxima do máximo permitido pela legislação, o que demanda a concepção de um novo equipamento para garantir a adequação ambiental para a disposição dos cascalhos contaminados. O equipamento proposto por este trabalho é o Microwave Paddle Dryer, que utiliza micro-ondas para o processo de secagem dos cascalhos contaminados combinado com a agitação do leito. Foi avaliado o potencial do equipamento na descontaminação de cascalhos com componentes orgânicos em modo batelada para 3 velocidades de rotação do eixo de agitação nos valores de 5, 20 e 35 rpm, além do estudo de aspectos operacionais de controle e segurança operacional. Para a velocidade intermediária de 20 rpm do eixo de agitação, o equipamento foi capaz de descontaminar o cascalho de rocha carbonática contaminado com fluido de perfuração de base orgânica de um teor inicial de 8,4% de orgânicos e 11% de água para o teor residual médio de orgânicos no leito de 4,16%, consumindo 0,35 kwh de energia elétrica por kg de cascalho contaminado em uma batelada de 71 kg. As regiões centrais do leito alcançaram teores residuais de orgânicos abaixo de 2% e outras regiões apresentaram teores residuais acima 10,7%, sendo esta desigualdade na separação proveniente de fenômenos como a condensação dos vapores no casco interno e a não homogeneidade da distribuição do campo eletromagnético gerado pelas micro-ondas. Também foram realizados ensaios de dinâmica das partículas no leito em modo contínuo utilizando areia seca e sem aplicação de micro-ondas, sendo o objetivo o estudo de parâmetros operacionais relacionados ao escoamento do material no leito para uma futura adaptação para a secagem em modo contínuo. Nos ensaios de dinâmica do leito com areia foram avaliadas a influência das variáveis rotação do eixo de agitação, altura de vertedouro e inclinação, ao passo que as respostas analisadas foram a massa retida no leito e a velocidade das partículas de areia. As três variáveis independentes se mostraram significativas para a retenção de material no leito, com o aumento da altura do vertedouro contribuindo para o aumento da retenção do leito, enquanto o aumento da rotação do eixo de agitação e da inclinação contribuíram para a redução da massa retida no leito. Os experimentos de dinâmica do leito com areia também apresentaram fenômenos como a formação de uma região acima das pás de agitação que afetou o deslocamento superficial das partículas no leito e que foi relacionada a valores críticos de rotação do eixo de agitação e inclinação do leito.
Abstract: In the process of drilling oil wells, the rock fragments generated by the drill are called "drill cuttings" and are transported to the surface by the action of drilling fluid. This drilling fluid has various functions to perform the drilling operation safely and stably. It has specific characteristics that are needed for the process, which result from various additives included in its composition. However, organic-based fluids contain olefins in their formulation, which are toxic to the environment. For this reason, the current limit in Brazil for the content of organics from drilling fluid in the drill cuttings is 5.9% by weight for offshore disposal. Due to increasing environmental restrictions, this value is expected to be significantly lower in the near future. The mixture of drill cuttings and drilling fluid is separated by a series of equipment in sequence, forming the solid control unit. However, the efficiency of these separating machines is already close to the maximum allowed by law. This demands the conception of a new machine to ensure environmental adequacy for the disposal of contaminated drill cuttings. The equipment proposed in this work is the Microwave Paddle Dryer, which uses microwaves for drying contaminated drill cuttings combined with bed agitation. The potential of the equipment was evaluated for the decontamination of drill cuttings with organic components in batch mode at three rotation speeds of the agitation axis at values of 5, 20, and 35 rpm. Operational control and safety aspects were also studied. For the intermediate speed of 20 rpm of the agitation axis, the equipment was able to decontaminate carbonate rock drill cuttings contaminated with organic-based drilling fluid from an initial content of 8.4% organics and 11% water to a residual average organic content in the bed of 4.16%. It consumed 0.35 kWh of electric energy per kg of contaminated drill cuttings in a batch of 71 kg. The central regions of the bed reached residual organic contents below 2%, and other regions showed residual contents above 10.7%. This inequality in separation comes from phenomena like vapor condensation on the internal hull and the non-uniform distribution of the electromagnetic field generated by the microwaves. Tests were also conducted for particle dynamics in the bed in continuous mode using dry sand and without the application of microwaves. The goal was to study operational parameters related to material flow in the bed for future adaptation for continuous drying. In the bed dynamics tests with sand, the influence of variables such as rotation speed of the agitation axis, overflow height, and inclination were evaluated. The responses analyzed were the bed holdup and the speed of the sand particles. All three independent variables were significant for material retention in the bed. Increasing the overflow height contributed to an increase in bed holup, while increasing the rotation speed of the agitation axis and inclination contributed to a reduction in the bed holdup. The sand bed dynamics tests also showed phenomena like the formation of a region above the agitation blades that affected the superficial displacement of particles in the bed and was related to critical values of the agitation axis rotation speed and bed inclination.
Keywords: Descontaminação de cascalhos
secagem
micro-ondas
paddle dryer
dinâmica de partículas
segurança do processo
Decontamination of drill cuttings
Microwave
Drying
Paddle Dryer
Particle dynamics
Process safety
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Subject: Engenharia química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: BARBOSA, Vinícius Pimenta. Microwave paddle dryer como alternativa para a secagem de cascalhos da perfuração em ambientes offshore. 2022. 157 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.560
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.560
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39184
Date of defense: 30-Sep-2022
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