TECHNOLOGICAL ALTERNATIVE FOR USING ASH FROM COAL COMBUSTION IN PECÉM/CEARÁ/BRAZIL THERMOELECTRIC PLANTS: EVALUATION OF PASTES FOR CEMENTING OIL WELLS

ALTERNATIVA TECNOLÓGICA PARA USO DE CINZAS DA COMBUSTÃO DE CARVÃO EM USINAS TERMELÉTRICAS DE PECÉM/CEARÁ/BRASIL: AVALIAÇÃO DE PASTAS PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO

Authors

  • Miguel Adriano Gonçalves Cirino URCA - UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI
  • Ana Verônica Gonçalves Borges UFCA - UNIVERSIDADE FEDERAL DO CARIRI
  • Antônio Eduardo Bezerra Cabral UFC - UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
  • Julio Cezar de Oliveira Freitas UFRN - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
  • Bruno Luis Daminelli USP - UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

DOI:

https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2025.v11.n2.205-221

Keywords:

Cementing of oil wells; coal ash; Portland cement pastes.

Abstract

In Brazil, cements such as CPP Class G and CPP Class Especial are widely used in the cementing of oil wells due to greater quality control and lower logistics costs compared to common cements. However, cement pastes intended for civil construction do not meet the requirements of NBR 9831/2020, especially regarding compressive strength. To improve this characteristic, the microstructure of the pastes can be modified with mineral additions, such as ash from the combustion of coal, an industrial waste abundant in Ceará. This study evaluates the feasibility of using Portland CPV cement pastes with partial replacement of fly ash and bottom ash for the cementing of oil wells. Replacements of 5% and 10% of ash were tested, varying the water/binder ratio between 0.597 and 0.634. The materials were analyzed for chemical composition, grain shape, granulometry, and the ash for pozzolanic activity. The formulated pastes were evaluated according to ABNT NBR 9831/2020, API SPEC 10/2009 and API RP 10B/2003 standards. The results indicate that these pastes are viable for well cementing, with emphasis on the formulations with 10% ash replacement.

 

Author Biographies

  • Miguel Adriano Gonçalves Cirino, URCA - UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI

    Doutorando em Arquitetura pela Universidade de Lisboa (ULISBOA - Portugal) com cotutela junto ao Instituto de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (USP - São Carlos). Mestre em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil (PEC/UFC) na área de concentração em Construção Civil - linha de Materiais de construção. Especialização em Gestão e gerenciamento de obras pela FJN. Graduado em Engenharia Civil pela UFC Campus Cariri, Licenciatura em matemática pelo IFCE Campus Juazeiro do Norte e Licenciado em Química (segunda licenciatura) pela UNIASSELVI. Ministrou disciplinas nas graduações de Arquitetura e Urbanismo e Engenharia Civil (Cálculo I, Cálculo II, Materiais de construção I, Tecnologias construtivas I, Instalações elétricas prediais, Eletrotécnica, Metodologia da pesquisa científica, sistemas estruturais e Patologias das edificações. Possui experiência em caracterização física, química e microestrutural de materiais cimentícios e patologias das edificações. Tem interesse em materiais de construção civil, cimentação de poços de petróleo, microestrutura de materiais cimentícios, materiais alternativos de construção e patologias das edificações. Atualmente é Professor efetivo da Universidade Regional do Cariri (URCA), ex-coordenador do curso de graduação em Tecnologia da construção civil e ministra a disciplina de Avaliação Financeira de Empresas e Empreendimentos Imobiliários na especialização em Gerenciamento da Construção Civil / URCA.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/9457657850752701

    ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5441-8080

  • Ana Verônica Gonçalves Borges, UFCA - UNIVERSIDADE FEDERAL DO CARIRI

    Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Ceará (UFC). Mestra em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará (UFC), na área Construção Civil. É Professora Adjunta do Centro de Ciências e Tecnologia (CCT) da Universidade Federal do Cariri (UFCA) desde 2017. Tem experiência na área de Construção Civil com ênfase em execução de estruturas de concreto armado e projeto e execução de obras civis. Coordena grupos de extensão universitária voltados para projeto e acompanhamento técnico para edificações de famílias de baixa renda, bem como estudo e disseminação do uso do Building Information Modeling (BIM). Atualmente é doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (IAU/USP São Carlos), com trabalho desenvolvido na temática de reutilização de resíduos minerais em misturas aglomeradas.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/8080460183100553

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5858-7882

  • Antônio Eduardo Bezerra Cabral, UFC - UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

    Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Ceará (1997), mestrado em Engenharia Civil (Construção Civil) pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2000), doutorado em Ciências da Engenharia Ambiental pela Universidade de São Paulo (2007), com estágio no exterior (Universiy of Technology, Sydney - Austrália) e estágio de pós-doutorado na Universitat Politècnica de Catalunya (UPC-Barcelona, Espanha, 2012). Atualmente é professor Associado do Departamento de Engenharia Estrutural e Construção Civil (DEECC) da Universidade Federal do Ceará (UFC). Atua no ensino de graduação em Engenharia Civil e no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil (PEC) da UFC, além de participar e coordenar vários projetos de pesquisa e de extensão. Tem experiência na área de Construção Civil, atuando principalmente nos seguintes temas: diagnóstico de manifestações patológicas em edificações, reparo e reforço do concreto armado, tecnologia de concretos e de argamassas de cimento Portland, cimento álcali-ativado, geopolímero, uso de materiais não convencionais na construção civil e gestão de resíduos sólidos da construção civil.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/6399451844691825

    ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6394-1164

  • Julio Cezar de Oliveira Freitas, UFRN - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

    Graduado em Química pela Universidade Federal da Paraíba (2006), mestrado em Ciência e Engenharia de Petróleo pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (2008) e doutorado em Ciência e Engenharia de Petróleo pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (2010). Atualmente é professor adjunto do Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte e orientador nos Programas de Pós Graduação em Química e Engenharia do Petróleo da UFRN. Tem experiência na área de Química, com ênfase em Ciência e Tecnologia em Cimentação de poços petrolíferos.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/2357217530716519

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5841-2046

  • Bruno Luis Daminelli, USP - UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

    Professor Doutor no Instituto de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (IAU-USP). Coordenador do Laboratório de Construção Civil (LCC-IAU-USP). Pós-Doutorado pela Escola Politécnica da USP (2017). Doutorado em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da USP (2013) com sanduíche no Royal Institute of Technology - KTH, Suécia, área de sustentabilidade de materiais de construção civil, foco na diminuição do consumo de cimento em misturas de concreto sem diminuição do desempenho. A tese ganhou o "Prêmio Tese Destaque USP 2015" - área Engenharias (melhor tese defendida entre 2013-2014 dentre os programas de pós-graduação de Engenharias da USP). Durante a tese, obteve 1º lugar em concurso internacional de dosagem de concreto eficiente com baixo consumo de cimento (Starkast Betong - Estocolmo, Suécia, 2012) e recebeu menção honrosa no Holcim Forum (Mumbai, India, 2013). Mestrado em Engenharia Civil pela Escola Politécnica da USP (2007), área de sustentabilidade de materiais de construção civil, foco em caracterização e utilização de resíduos da construção civil. Graduação em Arquitetura e Urbanismo pela Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (FAU-USP) (2002). Ministra aulas na área de tecnologia (materiais de construção civil e sua influência no desempenho de sistemas construtivos) e projeto (análise de desempenho dos sistemas construtivos). Atua principalmente nos seguintes temas de pesquisa: análise da influência de características e propriedades de materiais de construção no desempenho de sistemas construtivos, sustentabilidade de materiais de construção, uso de resíduos de construção civil em produtos cimentícios, desenvolvimento de materiais cimentícios com baixo consumo de cimento, técnicas de caracterização reológica para materiais cimentícios, especificação de finos para materiais cimentícios de baixo teor de CO2, química do cimento.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/3725997260029861

    ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7758-4129

References

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C618 - 12a. West Conshohocken, p. 5. 2012.

API. API SPEC 10A: Specification for cements and materials for well cementing API SPEC 10A. Usa: Api, 2009.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12653: Materiais Pozolânicos - Requisitos. Rio de Janeiro. 2014.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16605: Cimento Portland e outros materiais em pó — Determinação da massa específica. Rio de Janeiro. 2017.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 12: Cimento Portland e outros materiais em pó — Determinação da massa específica. Rio de Janeiro. 2017.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 15: Cimento Portland - Análise química - Determinação de resíduo insolúvel. Rio de Janeiro. 2012.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 18: Cimento Portland - Análise química - Determinação de perda ao fogo. Rio de Janeiro. 2012.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 24: Materiais pozolânicos - Determinação do teor de umidade. Rio de Janeiro. 2003.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14656: Cimento Portland e matérias-primas - Análise química por espectrometria de raios X - Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2001.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16697: Cimento Portland - Requisitos, 2018.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9831: Cimento Portland destinado à cimentação de poços petrolíferos - requisitos e métodos de ensaio. Rio de Janeiro, 2020.

BALTHAR, Vivian Karla Castelo Branco Louback Machado. Caracterização físico-química e mecânica de pastas de cimento leves e fibrosas para poços de petróleo. Tese Dsc., COPPE, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Braisl, 2010.

BARROS, K.S., “Estudo de cinzas de uma termelétrica da região metropolitana de Fortaleza-CE para aplicação m camadas granulares de pavimentos”, Tese de M. Eng., PETRAN/UFC, Fortaleza, CE, Brasil, 2015.

BASSIONI, Ghada; ALI, Mohammed M. Studying the physico-chemical properties of commercially available oil-well cement additives using calorimetry. Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry, Amsterdã, v. 111, n. 1, p.295-303,2013.

BELÉM, Francisco Aldemir Teles. Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimento Portland composto para cimentação de poços de petrólíferos. Dissertação Msc., PPGCEP, Natal, RN, Brasil, 2011.

BEZERRA, U. T. Compósitos Portland-biopolímero para cimentação de poços de petróleo. Tese de Doutorado, UFRN, Natal, RN, Brasil, 2006.

Bourgoyne Jr., A.T., Millheim, K.K., Chenevert, E.M. and Young Jr., F.S. (1991) Applied Drilling Engineering (SPE Textbook Series, Volume 2). Society of Petroleum Engineers, Richardson.

CHOOLAEI, M., RASHIDI, A.M., ARDJMAND, M., YADEGARI, A., SOLTANIAN, H. The effect of nanosilica on the physical properties of oil well cement. Materials Science and Engineering. n.638, p. 288-294, 2012.

CIENTEC–Fundação de Ciência e Tecnologia. Botelim técnico 36: Quantificação das cinzas de carvão fóssil produzidas no Brail.2016.

COOK, R.; LAKE, L. W.; MITCHELL, R.F. Cementing. Petroleum handbook, drilling engineering. Volume 2. Richardson, Texas. Estados Unidos da América, SPE, 2006.

FORMAGINI, S., TOLEDO-FILHO, R. D., FAIRBAIRN, E. M. R. Mix design and mechanical characterization of an ultrahigh performance fiber reinforced cement composites (UHPFRCC). In International Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications. Honolulu, USA, 2005.

FREITAS, J.J. Validação de uma metodologia de ensino de resistência ao cisalhamento para avalaiação de aderência de interfaces revestimento-mtálico-bainha de cimento aplicada a poços de petróleo. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Programa de Pós-graduação em Egenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, Natal, 2007.

HENDRICKS, F; A NIJKERK, A; VAN KOPPEN, A. E. The building cycle. AEsneas technical publishers The Netherlands, 2000.

HUI, Li et al. Microestructure and performance of fly ash micro-beads in cementitious material system. Construction And Building Materials, Amsterdã, v. 52, p.422-427, 2014.

JUNIOR ROCHA, C.A.F.; SANTOS, S.C.A.; SOUZA, C. A.G.; ANGÉLICA, R.S.; NEVES, R.F., Síntese de zeólitas a partir de cinzas volantes de caldeiras: caracterização física, química e mineralógica. Revista Cerâmica. Rio de Janeiro, n. 58, p. 43-52, 2012.API. RP 10B: Recommended pratice for testing well cements. Houston: Api, 2003.

LEVANDOWSKI, Janaina; KALKREUTH, Wolfgang. Chemical and petrographical characterization of feed coal, fly ash and bottom ash from the Figueira Power Plant, Paraná, Brazil. International Journal of Coal Geology, Amsterdã, 77, p 269–281. 2009.

LIU, Huajie et al. The application of coated superabsorbent polymer in well cement forplugging the microcrack. Construction And Building Materials, Amsterdã, n. 104, p.72-84, 2016.

LUKE, K., Phase Studies of Pozzolanic Stabilized Calcium Silicate Hydrates at 180 C. Cement and Concrete Research, Vol. 34, pp. 1725 – 1732, 2004.

MARTINS, J.,L, Aproveitamento de cinza de carvão mineral na agricultura. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2001.

NELSON, E. B. Well cementing. Houston: Dowell Schlumberger Educational Services, 1990.

NELSON, E.B., GUILLOT, D., Well Cementing, Second. Schlumberger, Sugar Land, Texas, 2006.

NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. 5ª ed. Editora Bookman. Porto Alegre – RS.2016. 912p.

OLIVEIRA, D. N. S.; NEVES, G. de A.; BEZERRA, U. T.; CHAVES, A. C.; MENDONÇA, A. M. G. D.; LIMA, M. S. Cimento para poço de petróleo desenvolvido a partir de cimento comum: caracterização física, química e mineralógica. Anais do 56º Congresso Brasileiro de Cerâmica; 1º Congresso Latino-Americano de Cerâmica; IX Brazilian Symposium on Glass and Related Materials, Curitiba, PR, Brasil, 3-6 jun. 2012.

SABEDOT, S.; SUDSTRON, M. G.; BOER, S. C.; SAMPAIO, C. H.: DIAS, R. G. O.; RAMOS, C. G. Caracterização e aproveitamento de cinzas de combustão de carvão mineral gerados em usinas terméltricas. 3°Congresso Brasileiro de Carvão Mineral. Gramado. Anais do congresso. 2011.

SINGH, N. B., SINGH, V. D., RAI, S., Hydration of bagasse ash-blended portland cement. Cement and Concrete Research. Elmsford, n. 30, p. 1485-1488, 2000.

SILVA, W.B.S, BARROSO, S.H.B., CABRAL, A.E.B., “Avaliação da aplicação de cinzas pesadas de termelétrica em blocos intertravados de concreto para pavimentos”, Revista Matéria, v.25, n.01, 2020.

TAYLOR, H. F. W., Cement Chemistry. 2 ed. London: Thomas Telfod, 1997.

THOMAS, J E. et al. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Rio de Janeiro: Inteligence, 2001.

Downloads

Published

2025-11-03

Issue

Vol. 11 No. 2 (2025): v. 11 n. 2 (2025): Edição regular

Section

Científica

License

Copyright (c) 2025 Miguel Adriano Gonçalves Cirino, Ana Verônica Gonçalves Borges, Antônio Eduardo Bezerra Cabral, Julio Cezar de Oliveira Freitas, Bruno Luis Daminelli

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Creative Commons Copyright Notice

Attribution 4.0 International

How to Cite

TECHNOLOGICAL ALTERNATIVE FOR USING ASH FROM COAL COMBUSTION IN PECÉM/CEARÁ/BRAZIL THERMOELECTRIC PLANTS: EVALUATION OF PASTES FOR CEMENTING OIL WELLS: ALTERNATIVA TECNOLÓGICA PARA USO DE CINZAS DA COMBUSTÃO DE CARVÃO EM USINAS TERMELÉTRICAS DE PECÉM/CEARÁ/BRASIL: AVALIAÇÃO DE PASTAS PARA CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO. (2025). Mix Sustentável, 11(2), 205-221. https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2025.v11.n2.205-221

Most read articles by the same author(s)