[pt] A poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) é amplamente empregada no processo de recuperação avançada de petróleo (EOR). No entanto, sua eficácia é prejudicada pela degradação das moléculas do polímero durante o fluxo através das linhas de injeção, válvulas e reservatório. Essa degradação leva a uma diminuição do peso molecular médio e, consequentemente, reduza viscosidade e as propriedades viscoelásticas da solução, afetando sua eficácia no deslocamento do petróleo. Para abordar essas questões, nossa pesquisa caracterizou o grau de degradação mecânica das soluções de HPAM usando reologia de cisalhamento e extensional. Induzimos a degradação fazendo as soluções fluírem por uma válvula com constrição e diferentes vazões através deum modelo microfluídico de um médio poroso. Os resultados revelam que aadição de nanopartículas de sílica (SiO2) tem um efeito insignificante sobreas viscosidades de cisalhamento e extensional de soluções frescas e minimiza a degradação mecânica das soluções de HPAM. As propriedades reológicas das soluções de HPAM com nanopartículas de SiO2 não são significativamente afetadas pela degradação mecânica, o que sugere que a incorporação de nanopartículas poderia aumentar a eficiência da injeção de polímeros em processosde EOR por meio da estabilização das soluções de HPAM. Além disso, nosso estudo explorou escoamento de deslocamento de óleo usando soluções de polímero HPAM frescas e degradadas em dispositivos microfluídicos usados como modelos de meios porosos. Os resultados sugerem que o HPAM fresco é mais eficiente na produção de óleo do que o HPAM degradado. Além disso, a adição de nanopartículas de sílica em soluções degradadas de NPs-HPAM resultou em um aumento de 9-13 por cento na recuperação de petróleo, destacando o enorme potencial das nanopartículas no aprimoramento dos processos de EOR. / [en] Partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) is widely employed in enhanced oil recovery (EOR) process. However, its effectiveness is hindered by degradation of polymer molecules during flow through injection lines, valves and reservoir. This degradation leads to a decrease in average molecular weight and subsequently reduces the solution’s viscosity and viscoelastic properties, impacting its effectiveness on displacing oil. Our research characterized the degree of mechanical degradation of HPAM solutions using shear and extensional rheology. We induced degradation by flowing the solutions through a valve with varying constriction and flow rates and through a microfluidic porous medium model. Our findings reveal that the addition of silica (SiO2) nanoparticles has a negligible effect on the shear and extensional viscosities of fresh solutions and minimizes the mechanical degradation of HPAM solutions. The rheological properties of HPAM solutions with SiO2 nanoparticles are not significantly affected by mechanical degradation, suggesting that incorporating nanoparticles could enhance the efficiency of polymer injection in EOR processes by stabilizing HPAM solutions. In addition, our study explored oil displacement flow using both fresh and degraded HPAM polymer solutions in microfluidic devices used as models of porous media. The findings suggest that fresh HPAM is more efficient in displacing oil than degraded HPAM. Furthermore, the addition of silica nanoparticles into degraded NPs-HPAM solutions resulted in a 9-13 percent increase in oil recovery, highlighting the enormous potential of nanoparticles in enhancing EOR processes.

[pt] O escoamento cisalhante oscilatório de grande amplitude (large amplitude oscillatory shear - LAOS) é considerado atualmente uma das metodologias mais promissoras para caracterização de materiais complexos. Como uma grande faixa de processos industriais envolve grandes deformações é de extrema importância entender como esses materiais se comportam mecanicamente sob essas circunstâncias para o correto projeto e operação. Através de uma caracterização reológica completa de um material elastoviscoplástico mostramos que o modelo de Jeffreys é adequado para interpretar fisicamente os resultados em LAOS de materiais complexos. Conforme a amplitude de tesão e frequência são variados independentemente, dois tipos de movimento, caracterizados por respostas não senoidais e senoidais, foram observados respectivamente: i) movimentos a estrutura variável, quando a amplitude de tensão é maior que a tensão limite de escoamento do material, e ii)movimentos a estrutura constante, para casos onde a amplitude de tensão é menor que a tensão limite ou onde a frequência é muito maior que o inverso do tempo característico do material. Assim, uma nova metodologia, a quasi-linear LAOS (QL-LAOS) foi desenvolvida para a caracterização reológica e interpretação de resultados em LAOS. Ademais, foi obtida excelente concordância entre as previsões teóricas e os resultados experimentais. / [en] Large amplitude oscillatory shear flow (LAOS) is presently considered one of the most promising methodologies to investigate the behavior of complex materials. Since a wide range of industrial processes involves large deformations, understanding how complex materials behave under these conditions is fundamental for operation and design purposes. By performing a thorough rheological characterization of a commercially available hair gel, it was shown that a Jeffreys framework is suitable to interpret physically LAOS rheology data of complex materials. As the stress amplitude and frequency are independently varied, two classes of motion are observed, characterized by a non-sinusoidal and a sinusoidal response, respectively: structure-changing motions, when the stress amplitude is above the yield stress and the frequency is of the order of the reciprocal of the thixotropic characteristic time; and constant-structure motions, when either the stress amplitude is below the yield stress or the frequency is much larger than the reciprocal of the thixotropic characteristic time. Thus, a novel methodology, the quasi-linear LAOS (QL-LAOS) methodology, is suggested for rheological characterization and interpretation of LAOS results. Moreover, a remarkable agreement between the theoretical predictions and experimental results was obtained.

[pt] Os hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, semelhantes ao gelo, formados pela associação de moléculas de água e de gás numa determinada estrutura organizada. Sua ocorrência é uma preocupação inegável para a Indústria de Petróleo e Gás, dado o risco potencial de garantia de escoamento, podendo ocasionar paradas não programadas em operações como a perfuração e produção. Portanto, grandes investimentos são feitos a fim de prevenir a formação de hidratos. No entanto, os cenários cada vez mais desafiadores de produção de petróleo estão incentivando a busca de metodologias de avaliação de risco, procurando identificar as condições para a formação de hidratos, mas com pouca possibilidade de entupimento. Neste contexto, o entendimento de reologia de hidratos é um elemento chave, pois permite detectar a formação do hidrato a partir de variações das propriedades reológicas. Entretanto, uma dificuldade desta abordagem ocorre devido à condição necessária para a formação de hidrato, a combinação de alta pressão e baixa temperatura. Este trabalho se insere neste contexto: para avaliar o processo de formação de hidrato em condições mais favoráveis utiliza-se em geral um fluido modelo que forma hidratos à pressão atmosférica. Este trabalho visa analisar os efeitos dos cortes de água e de tensoativos na viscosidade, nos módulos de armazenagem e dissipação de um fluido modelo, uma emulsão de água-em-óleo. A formação de hidrato ocorre com a adição de ciclopentano a este modelo de emulsão. / [en] Natural gas hydrates are solid crystalline, similar to the ice, formed by the association of water molecules and gas of a given organized structure. Its occurrence is an undeniable concern for Oil and Gas, given the potential risk of flow assurance and may cause unscheduled downtime in operations, such as drilling and production. Therefore, large investments are made in order to prevent the formation of hydrates. However, the increasingly challenging scenarios of oil production are encouraging the pursuit of new methodologies for risk assessment, seeking to identify the conditions hydrates will form, but with little chance of clogging. In this context, the understanding of rheology of hydrate is a key element, it allows detecting the formation of hydrate as of changes in rheological properties. However, a difficulty of this approach occurs due to need for hydrate formation conditions, the combination of high pressure and low temperature. This work fits in this context: to evaluate the process of hydrate formation on conditions more favorable is used usually a fluid model that form hydrates at atmospheric pressure. This work aims to analyze the effects of the water cuts and surfactants on viscosity, in storage and dissipation modules of model fluid water emulsion in oil. The hydrate formation occurs adding on this model fluid cyclopentane.

[pt] Materiais não Newtonianos reagem de maneira diferente quando expostos a esforços cisalhantes ou extensionais. Uma equação constitutiva em que a tensão é função não só da taxa de deformação, mas também do tipo de escoamento é proposta e analisada teoricamente. Ela combina as informações obtidas em cisalhamento, extensão e movimento de corpo rígido em todas as regiões de um escoamento complexo. Esta equação é testada em códigos numéricos para duas geométricas axissimétricas diferentes: a contração abrupta 4:1 e o canal convergente R (2) z = C. Ambas as geometrias têm sido usadas para efetuar medições da viscosidade extensional. Para validação do modelo, foi construída uma seção de testes com uma contração abrupta 4:1. Foram feitos experimentos com fluidos Newtonianos e viscoelásticos utilizando a técnica de Velocimetria por Imagens de Partículas para determinação do campo de velocidade. / [en] Non-Newtonian materials exhibit different behavior if submitted to shear or extension. A constitutive equation in wich the stress is a function not only of the rate of deformation, but also of the type of the flow is proposed and analyzed theorecticaly. It combines information obtained in shear, extension and rigid body motion in all regions of a complex flow. This equation is tested with numerical codes for two different axissymmetrical geometries, namely, the 4:1 abrupt contraction and the R(2)z=C convergent channel. Both geometries have been employed to measure the extensional viscosity. In order to validate the model, a test section was buit with a 4:1 contraction. Newtonian and viscoelastic fluids were tested using the Particle Image Velocimetry technique to determine the velocity field.

[pt] Esta tese de doutorado se propõe a estudar a reologia de pastas de hidratos composta por água e tetrahidrofurano (C4H8O - THF) em diversas conjunturas. Os hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, análogos ao gelo, formados pela agregação de água e de gás numa determinada estrutura organizada. Sua preocupação para a Indústria de petróleo e gás deve-se ao risco potencial relacionada a área de garantia de escoamento. Assim sendo, amplos investimentos são feitos com o propósito de prevenir e avaliar os ricos da formação de hidratos. Neste contexto, a reologia é um elemento chave, pois permite detectar a formação dos hidratos a partir de variações das propriedades reológicas, sendo as mais comuns: viscosidade, módulos viscoso e elástico. Entretanto, duas condições fundamentais para o sucesso desta abordagem são relativamente difíceis de se conseguir em laboratório, a combinação de alta pressão e baixa temperatura. Inicialmente serão estudadas pastas de hidratos formadas à pressão atmosférica, ainda a temperaturas acima de 0 graus Celsius. Em outro momento, serão estudados os efeitos da adição de álcool nas pastas de hidratos e, finalmente, serão analisadas as pastas formadas em pressões acima da pressão atmosférica. Foram realizados ensaios reológicos para diferentes composições de fluidos. Alcançam-se resultados transientes e de estado estacionário, mostrando que a reologia é fortemente afetada pela aglomeração e desagregação de cristais de hidratos que ocorrem simultaneamente à medida que os hidratos se formam e as condições de contorno que cercam os experimentos. / [en] This doctoral thesis proposes to study the rheology of water hydrate and tetrahydrofuran slurries (C4H8O - THF) at different conditions. Natural gas hydrates are crystalline solids, analogous to ice, formed by the aggregation of water and gas in a given organized structure. Their concern for the oil and gas industry is due to the potential risk related to the area of flow assurance. Thus, extensive investments are made for the purpose of preventing and evaluating the risk of hydrate formation. In this context, rheology is a significant element, since it allows to detect the formation of hydrates from variations in rheological properties, the most common being: viscosity, viscous and elastic modules. However, two fundamental conditions for the success of this approach are relatively difficult to achieve in the laboratory, the combination of high pressure and low temperature. Initially will be studied hydrate pastes formed at atmospheric pressure, still at temperatures above 0 Celsius degrees. In another moment, the effects of the addition of alcohol in the hydrate pastes will be studied and, finally, the pastes formed at pressures encountered above atmospheric pressure will be analyzed. Rheological tests were performed for different fluid compositions. Transient and steady-state results are reached, showing that rheology is strongly affected by the agglomeration and disaggregation of hydrate crystals occurring simultaneously as hydrates form and the boundary conditions surrounding the experiments.

[pt] Esta tese é sobre a reologia de óleos parafínicos crus. Um protocolo baseado na literatura relevante é desenvolvido para garantir que históricos térmico e de cisalhamento bem definidos sejam impostos em amostras que serão submetidas à medições reológicas. Com este protocolo, uma caracterização reológica quase completa de um óleo parafínico cru brasileiro é executada . Quatro experimentos reométricos são realizados, a saber, escoamento em estado estacionário, taxa de cisalhamento constante, tensão constante e rampa oscilatória de amplitude de tensão. Propriedades reológicas importantes, tais como, viscosidade, tensão limite de escoamento e módulos elástico e viscoso são medidos com o auxílio de técnicas diferentes em uma ampla faixa de condições. Além disso, uma comparação entre essas técnicas de medição é realizada. O processo de quebra da microestrutura do óleo parafínico brasileiro, assim como os efeitos na reologia do histórico do material e do tempo de repouso isotérmico são estudados. Fenômenos interessantes são observados, incluindo bifurcação da taxa de cisalhamento, dependência da tensão limite com os históricos térmico e de cisalhamento e independência dos resultados de regime permanente com relação à condição inicial após o resfriamento. Por fim, oportunidades para futuros desenvolvimentos e investigações são enfatizadas. / [en] This thesis deals with the rheology of waxy crude oils. A protocol based on the relevant literature is developed to guarantee well defined shear and thermal histories to waxy crude oil samples to be submitted to rheological measurements. With this protocol, a fair complete rheological characterization of a Brazilian waxy crude oil is performed. Four rheometric experiments, namely steady-state flow, constant shear rate, constant shear stress, and dynamic-stress-amplitude sweep are carried out. Important rheological properties, such as, viscosity, yield stress, and storage and loss moduli are measured with di↵erent techniques in a wide range of conditions and a comparison between the techniques is presented. The yielding as well as the history effects and the e↵ects of isothermal holding time on the microstructure and rheology of a Brazilian waxy crude oil are investigated. Interesting phenomena are observed, including bifurcation of shear rate, dependence of the yield stress with thermal and shear histories, and independence of the steady-state results with the post-cooling initial condition of the experiment. At last, opportunities for further developments are highlighted.