Obtenção de carboximetilcelulose termorresponsiva como aditivo para sistemas de fluidos de perfuração pump and dump

Balaban, Rosangela

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

2026-06-22

poli(N-isopropilacrilamida]

Carboximetilcelulose

Copolímero

Reologia

Temperatura consoluta inferior

Este trabalho teve como objetivo a síntese e a avaliação do copolímero carboximetilcelulose enxertada com poli(N-isopropilacrilamida) (CMC-g-PNIPAM) visando sua aplicação em fluidos de perfuração do tipo pump and dump. Para isso, foi realizada a síntese de enxertia da PNIPAM nas cadeias da CMC via reação radicalar. Para verificar as características estruturais dos produtos obtidos, foram feitas as análises de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta. Foi evidenciada a formação de macromoléculas híbridas a partir da combinação do caráter aniônico da CMC com a natureza termorresponsiva da PNIPAM. O comportamento termorresponsivo foi investigado por meio da determinação da temperatura de turvação, utilizando espectroscopia na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). Os resultados demonstraram que a LCST pode ser modulada em função da proporção entre os componentes e da concentração polímero. Além disso, a adição de NaCl promoveu a redução da LCST, antecipando a transição conformacional. Os ensaios reológicos revelaram que os copolímeros apresentaram desempenho superior, destacando-se pela manutenção ou aumento da viscosidade em temperaturas elevadas, em contraste com o comportamento da CMC pura, que apresentou redução de viscosidade com o aumento da temperatura. Esse efeito foi intensificado em meios salinos, como em água do mar sintética, nos quais as interações hidrofóbicas entre as cadeias poliméricas compensaram a blindagem das cargas eletrostáticas. Para as medidas reológicas com as soluções concentradas e diluídas, utilizando a metodologia empregada em fluidos pump and dump no campo, foi observado que os copolímeros apresentaram comportamento termoviscosificante e a presença dos sais tornou algumas concentrações diluídas superiores as concentradas em termos de viscosidade. Quando adicionados aos fluidos de perfuração, os copolímeros demonstraram boa estabilidade após envelhecimento e comportamento reológico adequado às condições operacionais, combinando baixa viscosidade em superfície em altas taxas de cisalhamento, favorecendo o bombeamento, e elevada capacidade de transporte de cascalhos em temperaturas mais altas, devido ao aumento da viscosidade.

The objective of this study was to synthesize and evaluate carboxymethylcellulose grafted with poly(N-isopropylacrylamide) (CMC-g-PNIPAM) for use in pump-and-dump drilling fluids. To this end, PNIPAM was grafted onto CMC chains via a radical reaction. To characterize the structural properties of the resulting products, Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), and zeta potential analyses were performed. The formation of hybrid macromolecules resulting from the combination of the anionic nature of CMC with the thermoresponsive nature of PNIPAM was demonstrated. The thermoresponsive behavior was investigated by determining the clouding temperature using ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy. The results demonstrated that the LCST can be modulated as a function of the ratio between the components and the polymer concentration. Furthermore, the addition of NaCl led to a reduction in the LCST, bringing forward the conformational transition. Rheological tests revealed that the copolymers exhibited superior performance, notably by maintaining or increasing viscosity at elevated temperatures, in contrast to the behavior of pure CMC, which exhibited a decrease in viscosity with increasing temperature. This effect was intensified in saline media, such as synthetic seawater, where hydrophobic interactions between the polymer chains compensated for the shielding of electrostatic charges. For rheological measurements of concentrated and diluted solutions, using the methodology employed for “pump-and-dump” fluids in the field, it was observed that the copolymers exhibited thermoviscifying behavior, and the presence of salts caused some diluted concentrations to outperform the concentrated ones in terms of viscosity. When added to drilling fluids, the copolymers demonstrated good stability after aging and rheological behavior suitable for operating conditions, combining low surface viscosity at high shear rates—which facilitates pumping—and high proppant transport capacity at higher temperatures due to increased viscosity.