Simulador de Blowout no Poço de Petróleo

Laboratório
Simulador de Blowout no Poço de Petróleo

Contexto

Eu preparei esta experiência para a aula de minha filha na escola primária quando fui convidado para animar uma atividade sobre o "Mundo do Petróleo". A experiência pretendia colocar a física em movimento em meio a mapas, vídeos e descrições geológicas. A atividade deu tão certo que precisei repetir a atividade várias vezes!

A lama é bombeada pelo centro da tubulação de perfuração e volta à superfície no espaço entre a tubulação de perfuração e as paredes do poço.

Um dos maiores riscos de se perfurar um poço de petróleo é o blowout, que ocorre quando a pressão do gás dentro do poço força repentinamente o óleo para fora. Esta demonstração, e a animação relacionada, ilustram como um blowout pode ocorrer, e como pode ser prevenido.

A experiência também destaca fatores que devem ser considerados na perfuração de um poço de petróleo: lama de perfuração, prevenção do blowout, pressão hidrostática, equilíbrio de pressão, compressibilidade do gás e densidade.

Ferramentas e Materiais

• Tubo de vinil transparente com diâmetro interno de 6 mm
• Tubo de vinil transparente com diâmetro externo de 6 mm
• Balões de festa
• Tábua de madeira, 1 m x 20 cm
• Grampeador para fios elétricos
• Fita métrica
• Caixinha de filme ou pequeno recipiente de plástico
• Placa de espuma
• Cruzeta de bronze de 6 mm
• Válvula de agulhas
• Bomba de bicicleta
• Fita adesiva
• Água
• Sal
• Balança de cozinha
• Funil pequeno

O Que Fazer

O modelo é construído a partir de materiais facilmente encontrados em casas de construção ou ferramentas. O diagrama mostra como montá-los. O tubo de vinil transparente com diâmetro interno de 6 mm simula um poço de petróleo. O balão de festa é o reservatório de petróleo. Usei o tubo transparente maior (diâmetro externo de 6 mm) de uma bomba de ar de aquário para o manômetro, ou medidor de pressão, embora ele resulte em um pequeno erro capilar. Podem ser usados tubos maiores, mas, para a montagem continuar prática, os tubos não devem ser grandes demais.

Eu fixei os tubos à tábua usando grampeador para fios elétricos redondos. As fitas métricas deram muito certo como escalas graduadas para medir o nível de água no poço e no manômetro. O poço e o manômetro devem ser cuidadosamente alinhados em relação ao mesmo ponto de referência horizontal. Eu usei uma caixinha de filme fotográfico ou pequeno recipiente de plástico como tanque de água para o manômetro. Coloquei uma camada de placa grossa de espuma na tampa, e forcei a tubulação do poço e do manômetro através da tampa e da placa de espuma, para deixar a entrada hermética. Então, fixei a tubulação do poço e o balão do reservatório à cruzeta de 6 mm e à válvula de agulhas.

Será necessário um pouco de criatividade para tornar as conexões herméticas usando encaixes mais ou menos improvisados. Fita adesiva ou faixas elásticas podem ser usadas para ajudar na fixação. Se estiver realizando o projeto em uma sala de aula, recomendamos que ensaie antes para se familiarizar com os pequenos erros dessa montagem tão simples.

Experiência 1

1. Feche a válvula de agulhas. Preencha o tubo que simula o poço com água potável até a borda. Preencha também o tanque do manômetro com água potável.
2. Use a bomba de bicicleta até que o nível no tubo do manômetro esteja um pouco abaixo do nível da água no tubo do poço. Se o balão se inflar demais, instale dois balões, um dentro do outro.
3. Pare a bomba e veja se não está vazando. Abra cuidadosamente a válvula de agulhas. O nível da água no poço diminuirá levemente até a mesma altura do manômetro. Neste momento, estamos em equilíbrio. A pressão hidrostática da coluna de água no poço corresponde exatamente à pressão do reservatório, mantendo os fluidos (nesse caso, ar) no lugar.

   Marque o nível exato na fita métrica do manômetropara referência futura. Se o nível cair abaixo da borda do tubo do poço, feche a válvula de agulhas, preencha novamente o poço e coloque uma pressão um pouco maior antes de abrir a válvula de agulhas novamente.

4. Agora vamos simular uma falta de equilíbrio. Pressione com cuidado o balão, aumentando levemente a pressão do reservatório, e observe a primeira bolha de ar entrando no tubo. Observe como o tamanho aumento em seu trajeto até a parte superior do tubo, à medida que a pressão hidrostática diminui.

5. O aumento no volume da bolha de ar desloca água, que espirra para fora do tubo do poço. À medida que a quantidade de água no poço diminui, o mesmo acontece com a pressão hidrostática, e mais ar entra no tubo, deslocando mais água, e… rapidamente toda a água será espirrada, molhando todo mundo que estiver em volta!

Essa cena poderia muito bem acontecer ao se perfurar um poço de óleo, resultando em um blowout, com consequências catastróficas. Na verdade, a perfuração primitiva consistia em martelar uma estaca no chão até que o reservatório fosse atingido e o fluido viesse para fora. Além de ser um desperdício perigoso e poluidor, essa técnica (ou falta de) só poderia ser usada para poços rasos. Na perfuração rotativa moderna, usa-se uma lama especialmente formulada no poço para manter os fluidos do reservatório no lugar; a lama também tem outras funções. A lama de perfuração é constantemente circulada dentro do poço no tubo de perfuração e fora do poço no espaço vazio que fica entre o tubo de perfuração e o poço. O retorno do fluido de perfuração é continuamente monitorado para detectar a presença de gás.

Se for detectado gás, o perfurador imediatamente posiciona o tubo de perfuração o mais baixo possível e o crava com o bate-estacas de tubos para prevenção de blowout, interrompendo a perda de fluido do poço. Em seguida, uma lama de densidade maior é injetada no tubo de perfuração e o fluido do espaço anular é chacoalhado para remover o gás e a lama de menor densidade, mantendo ao mesmo tempo a pressão. A lama mais pesada desce o tubo de perfuração e sobe o anel. À medida que a coluna de lama fica mais pesada, cada vez menos gás é detectado na superfície. Quando a lama mais pesada estiver no lugar e os fluidos do reservatório, contidos, os bate-estacas de tubos são abertos e a perfuração é retomada. Isso também pode ser feito em nosso simulador.

Experiência 2

1. Coloque um recipiente de capacidade suficiente para o líquido necessário para encher o tubo do poço na balança de cozinha e ajuste-a para zero. Preencha com água potável e pese.
2. Adicione sal de cozinha até que o peso aumente entre 5% e 10%. Mexa para dissolver completamente o sal.
3. Feche a válvula de agulhas e preencha o tubo do poço com a água salgada.
4. Acione a bomba até que o nível no tubo do manômetro esteja entre 5% e 10% maior que na Experiência 1, dependendo da quantidade de sal adicionada no passo 2.
5. Abra cuidadosamente a válvula de agulhas e observe como uma coluna mais curta de fluido mais pesado (mais denso) no poço equilibra uma coluna mais alta de fluido mais leve no tubo do manômetro.
6. Se entrarem bolhas de ar no poço, significa que a pressão está muito alta – você bombeou demais e o nível do manômetro está muito alto. Inversamente, se for perdido fluido do tubo do poço, significa que o reservatório está supercompensado – a pressão no poço está alta demais. (Observe que uma pequena perda é inevitável, em razão da relativa baixa precisão de nossas medições.)
7. Atingimos novamente o equilíbrio e uma leve pressão no balão produzirá o mesmo resultado da Experiência 1.

Outras Ideias

Simulador de Blowout no Poço de Petróleo
		Clique na imagem para testar o simulador virtual de blowout.

É fácil deduzir que, para perfurar com segurança, a pressão hidrostática exercida pela coluna de lama de perfuração deve compensar levemente a pressão do reservatório. Mas essa pressão só pode ser suposta antes da perfuração; portanto, é necessário construir uma margem de segurança. Também vimos que a supercompensação na coluna do poço resulta em perda de fluido do reservatório. Isso também é perigoso, pois levará ao equilíbrio, que é o estágio que precede o blowout. Para evitar essa situação, as lamas de perfuração são formuladas para obstruir os poros do reservatório. Partes dos elementos mais fluidos, conhecidos como filtrados, se infiltram nos poros do reservatório. As partículas sólidas maiores em suspensão bloqueiam os poros que formam o que é conhecido como depósito de sólidos, evitando a entrada de mais fluidos no reservatório. A perda do fluido de perfuração também é um parâmetro estreitamente monitorado durante a perfuração do poço de petróleo.