Formulação de fluidos de perfuração à base água a partir do rejeito de rochas ornamentais: Uma análise para aplicação na perfuração de rochas carbonáticas

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dc.contributor.advisor-co1Dalmaschio, Cleocir José
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-3773-5786
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5209978120430790
dc.contributor.advisor1Nascimento, Andreas
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-4465-5450
dc.contributor.advisor1Latteshttps://buscatextual.cnpq.brhttp://lattes.cnpq.br/2072155247986639
dc.contributor.authorMoreira, Kelly Costa Cabral Salazar Ramos
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0003-4651-6785
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4803056863749096
dc.contributor.referee1Mantegazini, Diunay Zuliani
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-0606-5991
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1059490151468461
dc.contributor.referee2Siqueira, Renato do Nascimento
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-8397-8180
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/9791817633014124
dc.contributor.referee3Soares, Edson José
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0003-4967-4957
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/4485206584533650
dc.contributor.referee4Machado, Marta Albuquerque
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0001-8335-3351
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/5991893415892784
dc.date.accessioned2025-09-23T21:40:10Z
dc.date.available2025-09-23T21:40:10Z
dc.date.issued2025-08-28
dc.description.abstractXanthan gum (GX), widely used in drilling fluids, undergoes polymer chain degradation and changes in its properties at high temperatures. Minerals such as bentonite are also common additives used to adjust fluid properties. However, their limitations in carbonate formations have driven the search for alternative mineral additives. Ornamental Rock Waste (RRO), a byproduct of granite and marble processing, is an available mineral whose disposal presents a significant challenge. In this context, this study proposes the use of RRO as a partial or total substitute for bentonite in aqueous fluids with GX, evaluating its influence on the polymer’s thermal stability. Two types of waste (RRO FD and FH) were characterized, with RRO FD selected for the formulations. The characterization of GX confirmed its structure, and thermogravimetric analysis revealed mass losses at 79 °C and 277 °C, associated with adsorbed water and volatiles, respectively. Kinetic evaluation (30–55% conversion) indicated an average activation energy of 177 kJ·mol⁻¹, typical of biopolymers. The z Master plot analysis suggested that degradation begins with rapid nucleation in the side chains, exposing the main chain to progressive thermal fragmentation. The pseudoplastic behavior of GX solutions was confirmed, and aging tests showed greater polymer degradation at temperatures above 140 °C (static) and above 100 °C (dynamic, 600 rpm). Thus, in dynamic aging, degradation was more severe due to the early loss of side chains. The addition of RRO to the polymeric fluid reduced viscosity, yield stress, and thixotropy, and also resulted in unstable suspensions. To improve this interaction, RRO was treated with terephthalic acid (TPA), stabilizing the particles in an alkaline medium. The reaction with ethylenediamine (EDA) and GX produced the RTPEX composite, confirmed by FTIR through the formation of amide bonds (C=O at 1653 cm⁻¹ and N-H at 1546 cm⁻¹). Fluids containing RTPEX showed improved rheological performance, especially at low shear rates. As the shear rate increased, the composite structure was broken, reducing its rheological properties. Flow curves adjusted using the Herschel-Bulkley and Power-Law models revealed shear-thinning behavior. The fluid with 100% bentonite (B 100%) exhibited the highest viscosity and yield stress (2.7412 Pa) due to its interaction with GX. The fluid combining RTPEX and bentonite at a 50:50% ratio (m/m) (RTPEX_B) showed comparable rheological performance to B 100%, indicating the formation of a stable three-dimensional network. Adjusting the pH to 10 improved the rheological parameters of the fluids containing RTPEX and bentonite, including the 100% RTPEX fluid, due to deprotonation of acidic groups. In thixotropy tests, RTPEX_B showed the largest hysteresis loop area (1431.6 Pa·s⁻¹), surpassing B 100% (1347.39 Pa·s⁻¹), reinforcing the synergy between components. After dynamic thermal aging, RTPEX_B maintained superior parameters, indicating greater resistance to degradation under shear. The results demonstrate the potential of RTPEX as a partial substitute for bentonite. To assess the economic viability of this reuse, a case study was conducted at an ornamental stone company in Espírito Santo, indicating the potential for significant reductions in operational costs for the ornamental stone industry
dc.description.resumoA goma xantana (GX), amplamente empregada em fluidos de perfuração, apresenta degradação da cadeia polimérica e alteração de suas propriedades em altas temperaturas. Minerais como a bentonita também são aditivos comuns para ajustar as propriedades dos fluidos. Contudo, suas limitações em formações carbonáticas impulsiona a busca por novos aditivos minerais. O Rejeito de Rochas Ornamentais (RRO), subproduto do processo de beneficiamento de granito e mármore, constitui um mineral disponível cujo descarte representa um grande desafio. Neste contexto, este estudo propõe o uso do RRO como substituto parcial ou total da bentonita em fluidos aquosos com GX, verificando sua influência na estabilidade térmica do polímero. Dois tipos de rejeito (RRO FD e RRO FH) foram caracterizados, sendo o RRO FD selecionado para as formulações. A caracterização da GX confirmou sua estrutura e a análise termogravimétrica revelou perdas de massa em 79 °C e 277 °C, associadas à água adsorvida e voláteis. A avaliação cinética (30-55% de conversão) indicou uma energia de ativação média de 177 KJ.mol-1, típica de biopolímeros. A análise z-Master plot sugeriu que a degradação começa por nucleação rápida nas cadeias laterais, expondo a cadeia principal à fragmentação térmica progressiva. O comportamento pseudoplástico das soluções de GX foi confirmado, e os testes de envelhecimento mostraram maior degradação polimérica em temperaturas acima de 140 °C (condição estática) e acima de 100 °C (condição dinâmica, 600 rpm). Logo, em envelhecimento dinâmico a degradação foi mais severa devido à perda precoce de cadeias laterais. A adição do RRO ao fluido polimérico reduziu a viscosidade, tensão limite de escoamento e tixotropia, além de gerar suspensões instáveis. Para melhorar essa interação, o RRO foi tratado com ácido tereftálico (TPA), estabilizando as partículas em meio alcalino. A reação com etilenodiamina (EDA) e GX gerou o compósito RTPEX, confirmado por FTIR pela formação de ligações amida (C=O a 1653 cm-1 e N-H a 1546 cm-1). Os fluidos com RTPEX apresentaram melhor desempenho reológico, especialmente em baixas taxas de cisalhamento. Com o aumento da taxa, a estrutura do compósito foi rompida, reduzindo suas propriedades. As curvas de fluxo ajustadas pelos modelos Herschel-Bulkley e Power-Law revelaram um comportamento afinante. O fluido com bentonita a 100% (B 100%) apresentou a maior viscosidade e tensão limite de escoamento (2,7412 Pa), devido à interação com a GX. Já o fluido com RTPEX e bentonita na proporção 50:50% (m/m) (RTPEX_B) mostrou um desempenho reológico comparável ao B 100%, indicando a formação de uma rede tridimensional estável. O ajuste do pH para 10 melhorou os parâmetros reológicos dos fluidos com RTPEX e bentonita, incluindo o RTPEX 100%, devido à desprotonação de grupos ácidos. Em testes de tixotropia, o RTPEX_B exibiu a maior área de loop de histerese (1431,6 Pa.s-1) superando o B 100% (1347,39 Pa.s-1), reforçando a sinergia entre esses componentes. Após envelhecimento térmico dinâmico, o RTPEX_B apresentou parâmetros superiores, indicando maior resistência à degradação sob cisalhamento. Os resultados demonstram o potencial do RTPEX como substituto parcial da bentonita. A fim de avaliar a viabilidade econômica deste reuso, um estudo de caso foi conduzido em uma empresa de rochas do Espírito Santo, indicando a possível redução significativa dos custos operacionais da indústria de rochas ornamentais
dc.description.sponsorshipFinanciadora de Estudos e Projetos (FINEP)/Fundação Espírito-santense de Tecnologia (FEST) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20397
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Química
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Exatas
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
dc.subjectDegradação térmica
dc.subjectFuncionalização
dc.subjectReologia
dc.subjectEnvelhecimento térmico
dc.subjectCompósitos
dc.subjectEngenharias
dc.subjectThermal degradation
dc.subjectFunctionalization
dc.subjectRheology
dc.subjectThermal aging
dc.subjectComposites
dc.subjectEngineering
dc.subject.cnpqQuímica
dc.titleFormulação de fluidos de perfuração à base água a partir do rejeito de rochas ornamentais: Uma análise para aplicação na perfuração de rochas carbonáticas
dc.title.alternativeFormulation of water-based drilling fluids with ornamental stones waste: An analysis for carbonate rocks drilling
dc.typedoctoralThesis
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