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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A UFU - Universidade Federal de Uberlândia A secagem industrial por micro-ondas vem sendo desenvolvida e se mostra uma alternativa inovadora para a descontaminação de cascalhos de perfuração. Os resultados apresentados na literatura revelam que esta tecnologia tem potencial para reduzir os teores de fase orgânica a níveis abaixo de 1% em massa. Foi desenvolvido uma unidade experimental, denominada Microwave Paddle Dryer (MPD), que permitirá avaliar de forma mais efetiva modos de aumentar a eficiência do processo e reduzir dimensões do equipamento, assim como avaliar a eficiência da introdução de pás mecanizadas para promover agitação do material. O entendimento do comportamento dinâmico é de fundamental importância no desenvolvimento de aplicações. As simulações numéricas despontam como uma ferramenta importante na compreensão dos fenômenos que ocorrem em sistemas de mistura. Assim, este trabalho teve como objetivo aplicar a metodologia Lagrangeana na caracterização do escoamento granular do secador Microwave Paddle Dryer e estudar o efeito das variáveis operacionais velocidade de rotação das pás, altura do leito e diâmetro das partículas na dinâmica de transporte e mistura do material granular no interior do secador. O material utilizado foi grãos de soja, devido à sua alta esfericidade, à grande disponibilidade e aos parâmetros DEM já levantados pela literatura. Realizou-se a calibração dos coeficientes de atrito de rolamento e estático partícula-partícula e partícula-parede para a soja. Estes parâmetros foram avaliados em um PCC e comparados com os valores obtidos experimentalmente. Através de análise de imagem, os índices de segregação numéricos e experimentais foram determinados. Após o processo de calibração, foram realizadas diversas simulações a partir de outro PCC proposto avaliando o efeito das variáveis operacionais na velocidade média em todo o leito e em 5 regiões definidas. Apesar da calibração ter sido realizada para a soja, foi investigado o efeito do diâmetro nas simulações devido a outros tipos de materiais que serão utilizados futuramente no secador. Os resultados evidenciaram que a velocidade de rotação das pás e o diâmetro da partícula apresentaram as maiores influências na resposta. A velocidade média das partículas apresentou pouca influência à altura do leito, apresentando similaridades com trabalhos anteriores em equipamentos tipo paddle. Foi identificado que a região de alimentação apresentou zona de estagnação por não possuir pás para realizar a agitação e pelo efeito de parede terminal. A metodologia Lagrangeana mostrou-se uma ferramenta promissora para a análise de escoamento do secador. Over the last few years, industrial microwave drying has been developed and is an innovative alternative for decontamination of drill cuttings. The results presented in the literature reveal that this technology has the potential to reduce organic phase contents to levels below 1% by mass. An experimental unit, called Microwave Paddle Dryer (MPD) was developed, which will allow for more effective evaluation of ways to increase process efficiency and reduce equipment dimensions, as well as evaluate the efficiency of introducing mechanized paddles to promote material agitation. As drying tests are in the initial phase, understanding the dynamic behavior is of fundamental importance in equipment modeling and application development. In this context, numerical simulations emerge as an important tool in understanding the phenomena that occur in mixing systems. Thus, this work aimed to apply the Lagrangian methodology in the characterization of the granular flow of the Microwave Paddle Dryer and to study the effect of operational variables: blade rotation velocity, bed height and particle diameter on the dynamics of transport and mixing flow. of the granular material inside the dryer. The chosen material used in this work was soybeans, due to its high sphericity, wide availability and DEM parameters already raised by a vast literature. Calibration of the rolling and static particle-particle and particle-wall friction coefficients was performed. These parameters were evaluated in a CCD (Central Composite Design) and compared with the values obtained experimentally. Through image analysis, the numerical and experimental segregation indices were determined. After the calibration process, several simulations were carried out from another proposed CCD, evaluating the effect of operational variables on the average velocity throughout the bed and in 5 defined regions. Although the calibration was carried out for soybeans, the effect of diameter in the simulations was investigated due to other types of materials that will be used in the future in the dryer. The results showed that the speed of rotation of the blades and the particle diameter had the greatest influences on the response. The average velocity of the particles had little influence on the bed height, showing similarities with previous works in paddle equipment. It was identified that the feeding region presented a stagnation zone because it does not have paddles to carry out the agitation and because of the end wall effect. The Lagrangian methodology proved to be a promising tool for the analysis of dryer flow. Dissertação (Mestrado)

Orientador: Eric Edgar Maidla Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: A perfuração de um poço de petróleo envolve cifras de alguns milhões de dólares. Para se atingir o objetivo, isso é as zonas portadoras de hidrocarbonetos são utilizadas brocas para se perfurar às formações. A escolha adequada do tipo de broca, assim como o peso aplicado e a velocidade de rotação. contribui muito para a redução de custo e aumento no rendimento da perfuração. Para a escolha do tipo de broca, foi utilizada a proposta de Mason, que se baseia no cálculo da tensão de compressão da rocha, obtida através de perfis sônicos. O método para escolha de broca mostrou bons resultados, quando se comparou as brocas utilizadas para perfurar o poço com o perfil de tensão de compressão, obtida após o término do poço. E, também, obteve-se bons resultados na previsão das brocas a serem utilizados num próximo poço a ser perfurado. Para a seleção do peso sobre a broca e velocidade de rotação foi utilizado o modelo de perfuração de Bourgoyne & Young. Inicialmente foi verificado a confiabilidade do modelo em 4 poços. Situados no litoral de Alagoas . que se mostrou satisfatório. Com dados destes 4 poços foi previsto ara um quinto poço na mesma área, a taxa de penetração com bons resultados. Depois, então, foi feita a seleção de peso e rotação para a perfuração do quinto poço, com ênfase em minimizar o custo por metro perfurado. O tipo de broca foi escolhido pelos perfis de tensão de compressão, dos postos de correlações. Da verificação de que a tensão de compressão é um favor importante na taxa de penetração da broca, é proposto um modelo de perfuração, com base em análise dimensional, incluindo este parâmetro. O modelo apresentou bons resultados Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O trabalho trata da modelagem do comportamento estático de colunas de perfuração, com composição de fundo de poço equipada com comando desbalanceado, utilizando-se o Método de Elementos Finitos. A coluna de perfuração foi discretizada por elementos de viga coluna com não linearidade geométrica, sendo utilizado o Método de Newton-Raphson, com um esquema de carregamento incremental, para se obter a solução do sistema de equações não lineares. o modelo foi validado através de vários exemplos clássicos de vigas e pórtico sem duas e três dimensões. Foi realizada uma análise numérica.de sensibilidade de parâmetros na convergência do algoritmo e na qualidade da solução. A implementação do confinamento da coluna pelas paredes do poço foi feita através de molas bilineares, cujas constantes foram determinadas através de análise de sensibilidade. o efeito do desbalanceamento foi incorporado através de uma força de corpo equivalente,sendo estudada a tendência de ganho ou perda de ângulo da composição de fundo de poço através de observação da força de reação na broca Abstract: The work treats the finite element modeling of the static behaviour of drillstrings equiped with bottom hole assemblies composed by unbalanced drill collars. The drillstring was discretized in beam-column elements having geometric non linearity. The Newton-Raphson Method with an incremental loading scheme was used to obtain the solution of the non linear system of equations. Various classic examples of 2D and 3D beam and frames were used to check the validity of the model. A numerical sensibility analysis of parameters in the convergence of the algorithm and the quality of the solution was performed. The lateral constraint imposed by the borehole walls was modeled by bilinear springs. The elastic constants of the springs were determined by sensibility analysis. The efect of the unbalanced force was incorporated to the model by an equivalent body force, and the tendency of the bottom hole assembly to gain or loose inclination was determined by inspection af the computed reaction force at the bit Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Otto Luiz Alcantara Santos Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo deste trabalho é analisar os efeitos causados pelo movimento de colunas de perfuração em poços horizontais, em relação às pressões geradas, bem como, os possíveis influxos de gás produzidos para o interior do poço, provenientes de um reservatório exposto. Desenvolve-se um modelo de cálculo com base nos princípios fundamentais de conservação das massas e da quantidade de movimento. Considera-se o fluido compressível, a coluna rígida, o poço inexpansível e o processo isotérmico. A equação diferencial parcial hiperbólica resultante é resolvida pelo método numérico das características. Substitui-se as derivadas de pressão e velocidade pelas diferenças finitas e o poço é subdividido em pequenos elementos de cálculo. Agrega-se ao cálculo principal uma modelagem representativa de um reservatório de gás, que produz sob os efeitos das variações das pressões no interior do poço, causadas pelo movimento da coluna. O fluido de perfuração contaminado por gás é considerado homogêneo e, todos os parâmetros são corrigidos com base nessa consideração. Para o cálculo das perdas de carga por fricção, utiliza-se o modelo reológico de potência, mas, em alguns exemplos aplica-se o modelo de Bingham para efeito de análises. Feita a devida validação do modelo, com base em outros modelos teóricos e em dados de campo, parte-se para as simulações, envolvendo diversas situações para poços de geometrias horizontais, nas quais os efeitos de pistoneio são mais exaustivamente analisados. A partir dessas análises, chegase a conclusões, que poderão ser úteis na prevenção de acidentes de pistoneio, em operações de perfuração de poços horizontais Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Durante a operação de perfuração com fluidos base óleo, particularmente fluidos orgànicos, o entendimento do comportamento da mistura fluido de perfuração e fluido invasor (numa situação de kick) é de suma importância para o controle do poço. Especialmente na situação de um kick de gás, a detecção do influxo e a previsão de pressões no poço e da distribuição de fases (líquida e gasosa) durante a circulação, são bastante dificultadas quando se utilizam fluidos orgânicos. No presente trabalho foram realizados dois estudos: i) modelagem termodinâmica de misturas multicomponentes e ii) modelagem do controle de poço, utilizando-se os resultados referentes ao comportamento de fases de misturas gás-liquido. O modelo termodinâmico se baseou na equação de estado de Peng-Robinson, trabalhando-se com regras de mistura e parâmetros de interação binária através de um método de contribuição de grupo. A validação da modelagem termodinâmica foi feita através da comparação de resultados obtidos com dados da literatura. O modelo para estudo do controle de poços utilizou a modelagem termodinâmica desenvolvida, o que permitiu a previsão de pressões e de volumes no interior do poço, durante a circulação de um kick de metano. O efeito da solubilidade do gás no fluido de perfuração durante detecção e circulação do influxo foi realizada através de uma análise de sensibilidade de parâmetros Abstract: During drilling operations with oil based fluids, particularly organic fluids. the understanding of the behavior of the invading and drilling fluid (during a kick situation) is a very important issue. Specially in a gas kick occurrence, kick detection. Pressure and volume prediction, as well as phase distribution (liquid and gas) during influx circulation, are more difficult to evaluate when synthetic fluids are applied. ln the present work two studies have were performed: i) thermodynamic modeling of multi-component mixtures; and ii) well control simulation applying the gas-liquid phase behavior results. The thermodynamic model was based in Peng-Robinson EOS, working with mixing rules and binary interaction parameters through a group contribution method. The validation of the thermodynamic modeling was performed by comparison of the computed results with published data for various gas-liquid mixtures The developed well control simulator applied the PVT modeling, what allowed the prediction of wellbore pressure and volumes during the methane kick circulation out of the hole. The study of the effect of gas solubility in the drilling fluid was conducted by a parameter sensitivity analysis Mestrado Reservatórios e Gestão Mestra em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Otto Luiz Alcantara Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Esta dissertação apresenta uma análise do comportamento da pressão dos fluidos que ocorre durante o especial acidente na perfuração de um poço submarino de petróleo conhecido como "Riser Blowout" ( * ). O modelo usado neste estudo baseia-se na solução do sistema de equações diferenciais parciais que governam o fluxo ascendente da mistura bifásica fluido de perfuração/ gás dentro do espaço anular entre a coluna de perfuração e o "marine riser". As perdas de carga devido a aceleração do fluido de perfuração à juzante da zona bifásica. bem como o fenômeno do fluxo crítico no escoamento da mistura pelo "diverter" são considerados. à modelo foi desenvolvido a partir de modificações introduzidas naquele apresentado por Otto Santos em 19891. Através de uma análise de sensibilidade. o efeíto de alguns parâmetros do processo. especialmente a vazão de circulação para a remoção da mistura bifásica. é investigado.(*)Vale ressaltar que vários têrmos ao longo desta dissertação serão propositadamente mantidos na sua forma original em inglês, seja por não haver ainda tradução apropriada para o português, seja por terem seu uso consagrado na indústria e na literatura. Da mesma maneira, utilizar-se-á o Sistema de Unidades do Campo (com o respectivo valor no Sistema Internacional entre parênteses) pela sua ampla difusão na comunidade técnica da Engenharia de Petróleo Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Eric Edgar Maidla Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: A escolha das brocas mais adequadas à perfuração de poços é considerada de grande importância quando se procura realizar a perfuração a custos mais baixos. São analisados diversos métodos para escolha de brocas que consideram as características das formações obtidas através de perfis, além dos métodos que utilizam dados de perfuração. Os parâmetros utilizados para seleção de brocas são apresentados de forma a permitir uma análise simultânea dos mesmos, facilitando a identificação daquele(s) que fornece(m) resultado(s) coerente(s) quando comparados com as brocas utilizadas no campo. Essa forma de apresentação também permite a associação de diversos parâmetros para a escolha de brocas. Utiliza-se como referência o método proposto por Mason para escolha de brocas, empregando o tempo de trânsito cisalhante. Calcula-se a resistência a compressão da formação empregando-se o critério de ruptura de Mohr-Coulomb. É proposto o cálculo da resistência ao cisalhamento da formação, visando identificar locais estimativa do tempo de trânsito cisalhante das litologias mais freqüentes nas áreas analisadas. É efetuada análise de sensibilidade para verificar-se o grau de influência que diversas variáveis calculadas ou assumidas exercem no resultado final deste estudo. O método proposto é aplicado em cinco poços na área de Tubarão (Bacia de Santos) e em quatro poços na Bacia de Campos, lendo os resultados de mesmo se mostrado coerente com as brocas empregadas no campo. São identificados intervalos para uso de outros tipos de brocas pouco utilizadas na área analisada. O método proposto mostra-se útil e de fácil aplicação na escolha de Brocas em áreas com diferentes características litológicas Abstract: Bit selection to drill wells is considered of great importance when drilling wells at lower costs is desired. Many methods for bit selection that consider formation characteristics obtained thought eletric logs, besides the methods which take into account drilling data, are analysed. The parameters used for bit selection are presented in a way that allows a simultaneous analysis of these same parameters, making it easy to identify the one(s) that furnish the best results when compared with the bits used in the field. This form of presentation also allows the association of many parameters for bit selection. The method proposed by Mason for bit selection using the shear transit time is considered as reference point. The compressive strength of the formation is calculated using the Mohr-Coulomb rupture criteria. The determination of formation shear strength is proposed as a mean to identify the places where some bit types present the best results. Some expressions are determined to estimate the shear transit time of the most frequent lithologies in the area analysed. A sensibility analysis is done to verify how the many variables calculated or considered affect the final results of this study. The proposed method is verified using data from five wells at Tubarão filed (Santos Basin) and in four wells at Campos Basin, and the results showed good agreement with the bit records. Intervals to use other bits of short use in the area are identified. The proposed method is usefull and easy to apply for bit selection in areas with different lithologic characteristics Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Eric Edgar Maidla Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A presente Tese consiste em um sistema computacional de acompanhamento de manobras em poço aberto durante a perfuração de um poço de petróleo. É composto de 3 fases. A FASE I realiza automaticamente um pré-diagnóstico de possíveis problemas operacionais ou de poço, em tempo real, e o annazenamento de dados coerentes, necessários ao cálculo do fator de atrito aparente entre coluna e poço. Em caso de detecção de problema de poço, o programa permite uma investigação das seções anteriores para avaliação do tipo de problema possível. A FASE fi consiste na avaliação do comportamento do fator de atrito aparente com a profundidade, utilizando programa elaborado por Idagawa (3), e construção do gráfico Fator de Atrito x Profundidade. A FASE m inicia-se com a comparação gráfica do padrão obtido acima com padrões de problemas conhecidos. Em seguida há a elaboração de uma programação de descida de coluna composta de: Esquema gráfico da geometria do poço, relação de possíveis problemas (operacionais ou de poço) detectados na retirada da coluna, análise da tendência geral de problema de poço e finalmente sugestões de procedimentos para descida de coluna Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Otto Luiz Alcantara Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Diversas soluções de aplicativos computacionais tem sido adotadas pela indústria de petróleo para controle de poço. Nenhum destes aplicativos, entretanto, trata de maneira integrada a questão operacional, isto é, não associam os procedimentos de projeto com os de operação, passando pelo tratamento de anormalidades para situações de lâminas de água profundas. Tal fato termina por impactar a coordenação do processo de controle de poço, com consequências negativas para a segurança do poço e custos operacionais. Esta dissertação mostra o desenvolvimento e a aplicação de uma ferramenta computacional que enfoca a questão da integração no processo de controle de poço, nas etapas de projeto, monitoramento e circulação do gás. Esta ferramenta, denominada PROKICK, disponibiliza para os técnicos e engenheiros envolvidos no controle de poço, funcionalidades de procedimentos operacionais, previsão de pressões e geração da planilha de controle voltadas principalmente para poços de lâmina d'água profunda. o aplicativo suporta, ainda, o tratamento de problemas de controle de poço com sistemas baseados em conhecimento, implementados através de regras de produção Abstract: Many solutions based on computational systems have been adopted by petroleum industry for well control problems. None of this tools, however, treats operational issues with an integrated vision, that is, they do not associate the design procedures with operational procedures. They also do not regard the analysis of abnormal situations during deepwater well control operations. These facts affect the coordination of well control process, with detrimental consequences to well safety and operational costs. This dissertation presents the development and application of a computational tool that works with an integrated vision of well control process and includes tasks related to the well design concerning safety, kick detection and kick circulation out of the well. This tool, named PROKICK, offers to the technical personnel involved in well control operations, functionality to operational procedures, pressure behavior prediction and preparation of killsheet for deepwater wells. AIso, this tool supports the analysis of well control problems with knowledge systems, built with production roles Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias Resumo: O controle de poço sempre foi um assunto muito importante na exploração e explotação de óleo e gás, pois envolve aspectos econômicos, de segurança de pessoas e questões ambientais. O avanço das explorações offshore, particularmente em águas profundas e ultra-profundas, tem aumentado cada vez mais a relevância do controle de kicks e prevenção de blowouts. Práticas de perfuração largamente utilizadas têm sido otimizadas e reavaliadas, então novas tecnologias têm sido desenvolvidas para tratar problemas relacionados a operações de perfuração em águas profundas, tal como uma prática de controle de poço confiável e eficiente. Este esforço é de grande importância em paises como o Brasil, que tem a maior parte da produção de óleo e gás em campos offshore, sendo que a maioria dos campos localiza-se em águas profundas e ultra-profundas. Considerando-se tal cenário, um modelo matemático foi desenvolvido para simular um kick de gás e prever a variação de pressão na linha do choke e no espaço anular de um poço, durante uma situação de controle de poço em águas profundas. Considerações sobre o efeito da geometria do poço, perdas de carga por fricção, expansão do influxo e modelagem bifásica foram implementadas. O efeito de algumas variáveis no controle de poço, tais como o pit gain, lâmina d'água, densidade e reologia do fluido de perfuração e vazão de bombeio foram estudadas Abstract: Well control has always been a very important issue in the oi! and gas exploitation business, since it involves money savings, people safety and environment threatening. The advancement of the exploration frontiers from onshore to offshore fields, particularly, deep and ultra-deep waters, has increased even more the relevance of kick control and blowout prevention during drilling operations. Widely used drilling practices have been optimized and re-evaluated, so have new technologies been developed to handle specific issues related to deepwater drilling operations, such as reliable and efficient well control practices. This effort has great importance to some countries like Brazil, which have most part of their oil and gas production concentrated on offshore wells, about of those reserves are located in deepwaters. Regarding such scenario, a mathematical model has been developed to simulate a gas kick and predict the pressure variation in the choke line and the annular space of the well during well control situation in deepwater scenarios. Considerations regarding the effects of wellbore geometry, frictional pressure losses, influx expansion, and two-phase flow aspects have been implemented in the present model. The effects of some variables in well control, such as the pit gain, water depth, mud weight and rheology and pump flow rate have been studied. Mestrado Geociências Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: Victor Prodonoff, Fernando Iguti Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho discute o uso da superposição modal como técnica de obtenção da resposta dinâmica de uma coluna de perfuração. São apresentadas as formulações da resposta a alguns carregamentos simples, a um carregamento transiente e é realizada a análise no domínio da freqüência. Um programa de computador, já existente, foi usado como base das alterações feitas, seguindo os objetivos da tese. Foram simulados alguns exemplos simples e um exemplo de aproximação da resposta não linear de uma coluna de perfuração. Os resultados são mostrados na forma de tabelas comparativas e gráficos Abstract: In this study, The dynamic behavior of adrill string is analyzed using the modal superposition technique. The dynamic responses For simple input loadings, for the transient loading and a analysis in the frequency domain are discussed. The final computer program is based On aprevious one, modified according to the objective of this thesis. Some simple cases and an Example of approximation for the non-linear response of a drillstring are iscussed. Graphics .and tables are used to show the final results Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Kelsen Valente Serra Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade d eengenharia Mecanica Resumo: A estimulação através de fraturamento hidráulico é uma técnica cada vez màis utilizada na indústria do petróleo e cujo custo, dependendo do poço, mostra-se como um fator substancial, motivo pelo qual a operação deve ser muito bem planejada. O projeto de um fraturamento hidráulico é feito baseando-se na premissa de que a fratura criada na rocha reservatório é semelhante a um dos modelos clássicos de fratura, dos quais se conhece as equações de geometria e o comportamento de pressão. O modelo de fratura a ser escolhido para o dimensionamento do tratamento dependerá, básicamente, do conhecimento prévio do campo e da experiência acumulada através de outros fraturamentos ali realizados ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Hydraulic fracturing is a common stimulation technique used in petroleum industry. It needs to be very well planned because of the costs of the treatment that, depending on the well, may be very substancial. The design of a hydraulic fracture is based upon classical fracture models with very known geometry equations and pressure behavior. The fracture model used in a design of a treatment depends most on the field experience, obtained in the fracturing operations performed in the area Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Arnaldo Vieira Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Este trabalho de mestrado procurou estudar e resolver um problema real de escalonamento das atividades de desenvolvimento de poços de petróleo em alto mar. Uma versão mais simples deste mesmo problema foi provada ser NP- difícil. Nosso estudo se concentrou no problema real enfrentado pela Petrobrás, com todas suas características e nuances. Antes que locais promissores de bacias petrolíferas sejam efetivamente desenvolvidos em poços de petróleo produtivos, é necessário realizar diversas atividades de perfuração, completarão e interligação nesses locais. O escalonamento dessas atividades deve satisfazer várias restrições conflitantes e buscar a maximização da produção de petróleo em um dado horizonte de tempo. O problema foi atacado em duas etapas: uma sem considerar o deslocamento de recursos e outra considerando-os. Para tal, adotamos a estratégia Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e incorporamos várias técnicas específicas para obter melhor desempenho e qualidade da solução final. Os resultados são comparados com outros produzidos por uma ferramenta computacional baseada em Programação por Restrições (PR). Esta última, já em uso e bem aceita na empresa, foi desenvolvida pela Petrobrás. Resultados comparativos realizados em instâncias reais indicam que a implementação GRASP supera a ferramenta de PR produzindo soluções com expressivos aumentos de produção Abstract: This dissertation aimed at studying and solving a real world scheduling problem. We deal with the scheduling of offshore oil well development activities. A simpler version of this same problem was proved to be in NP-hard. Our approach treats this problem as faced by Petrobras, with all its characteristics and details. Before promising locations at petroliferous basins become productive oil wells, it is often necessary to complete activities of drilling, completion and interconnection at these locations. The scheduling of such activities must satisfy several conflicting constraints and aim at the maximization of oil production. The problem was solved in two parts: one without considering resource displacements and other taking into account such displacements. For such, we used a Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) metaheuristic and used several techniques and variants in order to obtain more efficiency and produce better solutions. The results are compared with schedules produced by a well-accepted constraint programming implementation. Computational experience on real instances indicates that the GRASP implementation is competitive, outperforming the constraint programming implementation Mestrado Otimização Combinatória Mestre em Ciência da Computação

Orientadores: Otto Luiz Alcantara Santos, Fernando Iguti Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O problema do fechamento das paredes do poço, ocasionando a prisão da coluna de perfuração ou o colapso dos tubos de revestimento, tem ocorrido quando um poço de petróleo atravessa certos tipos de formações salinas, devido ao pronunciado comportamento plástico dessas e, principalmente, devido ao seu comportamento de fluência ao longo do tempo. O aumento da temperatura e/ou da tensão que agem sobre esses sais acelera e agrava o comportamento de fluência dos mesmos, de tal forma que, quanto mais profundo o sal for encontrado, mais rápido se manifestará e mais intenso será o problema a enfrentar. Visando-se auxiliar o projetista do poço e o acompanhamento operacional da sua execução, foi elaborado um programa de computador com a finalidade de estimar o fechamento do poço ao longo do tempo em frente à zona de sal, simulando-se no programa as condições físicas relevantes que exercem influência sobre o comportamento mecânico do sal e que se esperam encontrar no poço. O Método dos Elementos Finitos foi empregado no desenvolvimento do programa, sendo o comportamento estático do sal simulado através da aplicação da teoria elástica linear sobre modelo de elementos triangulares em estado plano de deformações. O comportamento quase-estático ou a fluência do material no tempo foi representada pela aplicação de uma equação empírica de fluência do tipo potencial, utilizada por diversos pesquisadores em projetos de escavação de minas de sal e depósitos de lixo da equação fluência atômico. Essa é empregada para representar o comportamento primária ou transiente e se ajusta perfeitamente ao escopo deste trabalho. As equações diferenciais de equilíbrio quase-estático foram obtidas pelo princípio dos trabalhos virtuais e integradas no tempo utilizando-se do Algoritmo Explícito de Euler. Consideram-se as hipóteses da linear idade geométrica e isotropia do material. Realizaram-se simulações visando-se abranger um bom número de situações possíveis de serem encontradas nos poços de petróleo, sendo os resultados apresentados na forma de gráficos, acompanhados de análises e comentários Abstract: Drilling incidents such as stuck pipe and collapsed casing string take place when some type of salt formations are drilled because of the high pronounced plastic behavior of the salt and the creep behavior as a function of time of this type of rock. The creep behavior becomes faster and more severe if temperature and/or pressure acting on the salt go up. The deeper the salt is found, the earlier and more intense the troubles caused by salt creep will be evident. A compute r program was written to estimate the borehole closure rate in front of a salt zone. It simulates the relevant physical conditions expected to be found in the well that influence the salt mechanical behavior. The program can assist the drilling personnel during the design and the execution phases of the well. The computer program uses the finite element theory. The static behavior of the salt was approached by using the linear elastic laws over triangular elements in Plane Strain state. The quasi-static behavior, or the salt deformation with time (salt creep), was approached by a power law empirical equation of creep, used by most of the researchers in underground excavations projects of salt mines or atomic waste repositories. The equation mentioned above is used to represent the primary or transient creep and fits very good to the physical conditions considered in this work. The quasi-static equilibrium differential equations were derived from the virtual work principIe and were integrated over the time by the use of Euler's Explicit AIgorithm. The material isotropy and geometric linearity were assumed in this work. Simulations were done covering most of the drilling situations found while drilling through moving salt formations. The results are showed through graphical outputs with some pertinent comments Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Celso Kazuyuki Morooka Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias Doutorado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O processo de perfuração de poços de petróleo e gás é custoso e complexo. Em situações offshore, as perfurações ocorrem em profundidades de vários quilômetros abaixo do nível do mar e o monitoramento da eficiência da operação torna-se um grande desafio de engenharia. Para maior domínio do processo é fundamental a realização de ensaios experimentais para avaliar a influência de parâmetros de perfuração na taxa de penetração da broca, com objetivo de reduzir os custos operacionais nesse processo. Entre os principais parâmetros, têm-se: a velocidade de rotação da coluna de perfuração, o peso sobre a broca, a vazão do fluido de perfuração, o tipo da rocha a ser perfurada, o modelo de broca utilizada e o torque. Os testes em plataformas reais têm custos elevados, além de disponibilidade restrita, devido à demanda constante da indústria de óleo e gás por mais produtividade. Assim, os dispositivos de perfuração em escala reduzida tornam-se a solução mais acessível para compreender o comportamento do processo de perfuração em campo. Existem diversas iniciativas para desenvolvimento e uso de protótipos em escala reduzida operando em laboratórios ao redor do mundo. Na UTFPR, há uma demanda por dispositivo similar, porém, a instituição ainda não conta com solução desta natureza. O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o projeto mecânico conceitual de uma bancada de laboratório para investigar o processo de perfuração em extrato rochoso para extração de petróleo e gás. Após a avaliação de dados geométricos e operacionais de dispositivos de perfuração similares, utilizou-se a metodologia de projeto de Pahl & Beitz para desenvolvimento de uma proposta de bancada. Entre os resultados, foram propostas oito concepções de bancadas de laboratório. Uma das concepções foi escolhida como a de maior potencial construtivo, trata-se de uma bancada com 2,8 m de altura, empregando um servomotor conectado a um sistema de fuso de esferas para movimentação vertical da coluna de perfuração. Um motor de corrente contínua fornece energia para girar a coluna de perfuração da bancada. O sistema de circulação da bancada foi desenvolvido utilizando o conjunto tanque principal, tanque filtro, tanque reserva e bomba centrífuga, possibilitando testes de perfuração em variados tipos de rochas. O trabalho aborda, também, os principais sensores empregados na aquisição de dados de perfuração, além da tabela para conversão de escala dos principais parâmetros de perfuração, revelando os desafios de se manter as semelhanças geométricas, cinemáticas e dinâmicas entre dispositivos de tamanhos diferentes. The process of drilling oil and gas wells is costly and complex. In offshore situations, drilling occurs at depths of several kilometers below sea level and monitoring the efficiency of the operation becomes a major engineering challenge. For greater control of the process, it is essential to perform experimental tests to assess the influence of drilling parameters on the rate of penetration, in order to reduce operating costs in this process. Among the main ones, there are: the drill string rotational speed, the weight on bit, the flow of drilling fluids, the type of rock to be drilled, the bit type employed and the torque.Testing on real platforms is very expensive, in addition to limited feasibility, due to the constant demand of the oil and gas industry for more productivity. Therefore, small-scale drilling devices become the most accessible solution for understanding the behavior of the field drilling process. There are several initiatives for the development and operation of small-scale prototypes in laboratories around the world. At UTFPR, there is a demand for a similar device, however, the university does not have a solution of this nature yet. The general goal of this work is to develop the mechanical conceptual design of a laboratory bench to investigate the drilling process in rock extract for oil and gas extraction. After evaluating geometric and operational data from similar drilling devices, the Pahl & Beitz design methodology was applied for the development of a bench proposal. Among the results, eight laboratory bench designs were proposed. One of the concepts was chosen as the most constructive potential, it is a bench of 2.8 m tall, employing a servomotor connected to a ball screw system for vertical movement of the drill string. A DC motor provides power to rotate the drill string. The circulation system of the bench was developed employing the main tank, filter tank, reserve tank and centrifugal pump set, allowing drilling tests on various types of rocks. This work also addresses the main sensors utilized in the acquisition of drilling data, in addition to the spreadsheet for scaling the main drilling parameters, revealing the challenges of maintaining geometric, kinematic and dynamic similarities between devices of different sizes.

Orientador: José Ricardo Pelaquin Mendes Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Este trabalho estuda o comportamento elástico e a falha plástica durante um Teste de Absorção, principalmente em formações salinas, utilizando dois modelos para a determinação das tensões na parede do poço: o modelo cilíndrico e o esférico. A comparação entre os dois modelos mostra que a utilização do modelo cilíndrico, quando em condições hidrostáticas de tensões levam a sobrestimar a janela operacional do fluido de perfuração. Para demonstrar que o modelo esférico é mais adequado para modelar o Teste de Absorção num estado de tensões isotrópico, típico das formações salinas, foram realizadas diversos experimentos em amostras que simulam o Teste de Absorção nessas condições. Baseado nesses experimentos pode-se afirmar que o modelo esférico é o mais adequado para prever as tensões na parede dos poços durante a realização do Teste de Absorção, mas que durante a perfuração, com o aprofundamento do poço, o modelo cilíndrico se torna mais adequado para prever a máxima pressão na sapata. Caso isso não seja levando em consideração a determinação da janela operacional do fluido de perfuração utilizado será incorreta Abstract: The present work investigates elastic behavior and plastic failure during a leakoff test for salt formations using two borehole stress models - a cylindrical one and a spherical one. The comparison between them, under hydrostatic stress conditions, shows that the cylindrical model overestimates the drilling fluid operational window. In order to demonstrate that the spherical model is better suited for modeling the leakoff test on an isotropic stress state, which is typical for salt formations, experiments have been performed on samples to simulate leakoff tests under such conditions. Based on those experiments we can conclude that the spherical model is more appropriate to predict the borehole stress state during the leakoff test; however, as the drilling process proceeds and the well becomes deeper, the cylindrical model is more suitable to predict the maximum pressure at the shoe. If this difference is not taken into consideration, the drilling fluid operational window may be wrongly determined Doutorado Explotação Doutor em Ciências e Engenharia de Petróleo

The detailed study of the screen operation considering cause and effect amongst several involved operational variables takes a prominent position regarding the solid-liquid separation. The general objective of this dissertation was the initial study of the vibrating screening that can be extended to the solid control in drilling rigs and the specific goal of this work was to assess the effects of screen aperture, volumetric concentration of solids in the feed and vibration (or g-force) upon the moisture of the retained material, the overall granulometric e fficiency of separation and the cut diameter by using a suspension of phosphatic rock and xanthan gum diluted in water. An experimental design 3k was created to execute the experiments, where the screen apertures were 95, 106 and 130 µm, volumetric concentration of solids in the feed 1, 2 and 3% and g-force of magnitude 1.00, 2.25 and 3.50. For the performance of the experiments, a pilot scale vibrating screen was used that processed 159 liters in 18 minutes. The results showed that the minimum moisture was obtained with the screen of 95 µm, volumetric concentration of 1% and vibration of magnitude 1.0 g, whereas for the overall granulometric efficiency the maximum condition was with 106 µm screen aperture, concentration of 1% and vibration of 1.0 g. The optimal point covering high efficiency and low moisture was achieved with 95 µm screen aperture, volumetric concentration between 2 and 3% and the least intense vibration(1.0 g). For the cut diameter the results obtained for each screen showed that its value decreased with the use of more intense vibration. The results obtained in the developed work are important to understand the main operational aspects in the solid-liquid separation by using shale shakers. O estudo detalhado do funcionamento de uma peneira vibratória, contemplando a relação de causa e efeito entre as diversas variáveis operacionais envolvidas, assume papel de destaque no que se refere à separação sólido-líquido. O objetivo geral desta dissertação foi o estudo inicial do peneiramento vibratório, que pode ser estendido para o controle de sólidos em unidade de perfuração de poços de petróleo, sendo que o objetivo específico deste trabalho foi a avaliação dos efeitos da abertura da tela, concentração volumétrica de sólidos na alimentação e vibração (ou força-g) da peneira sobre o teor de umidade dos sólidos retidos, a eficiência granulométrica global de separação e o diâmetro de corte de cada tela utilizando uma suspensão de rocha fosfática diluída em água e goma xantana. Um planejamento de experimentos 3k foi criado para a execução dos experimentos, onde as aberturas das telas foram 95, 106 e 130 µm, concentração volumétrica de sólidos na alimentação de 1,0; 2,0 e 3,0% e força-g de intensidade 1,00; 2,25 e 3,50. Para a realização dos experimentos, foi utilizada uma peneira vibratória em escala piloto que processava 159 litros de suspensão em 18 minutos. Os resultados indicaram que o mínimo teor de umidade foi alcançado com a tela de 95 µm de abertura, concentração volumétrica de sólidos de 3% e força-g de intensidade 1,0; enquanto que para a eficiência granulométrica global a condição máxima foi obtida com tela de abertura 106 µm, concentração de 1% e vibração de 1,0 g. O ponto ótimo de operação contemplando alta eficiência e baixo teor de umidade foi alcançado com a tela de 95µm de abertura, concentração volumétrica entre 2 e 3% e a vibração menos intensa (1,0 g). Para o diâmetro de corte os resultados obtidos para cada tela indicaram que o seu valor diminuiu com o emprego da força-g mais intensa. Os resultados obtidos no trabalho desenvolvido são importantes para compreender os principais aspectos operacionais na separação sólido-líquido utilizando peneiras vibratórias. Mestre em Engenharia Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O seguinte estudo experimental investiga o fluido de perfuração à base de água com goma xantana e limestone sob condições de alta pressão e alta temperatura utilizando o reômetro Anton Paar MCR 702TD com célula de pressão. Uma ampla gama de suspensões de argila é comumente usada no processo de perfuração de poços de petróleo. O fluído de perfuração à base de água é utilizado em algumas etapas durante o processo devido ao seu baixo impacto ambiental e baixo custo. As condições HPHT têm vários efeitos no comportamento reológico de fluídos de perfuração à base de água. Para compreender melhor o processo e estudar as implicações do trabalho em condições HPHT, análises reológicas e térmicas foram realizadas. Para estudar o comportamento reológico em uma faixa de temperatura de 4 a 125 °C e pressões de 10 a 800 bar, foram medidas curvas de escoamento, reinício de escoamento, testes oscilatórios de varreduras de tempo e tensão de cisalhamento. Além disso, com o intuito de analisar os efeitos do envelhecimento térmico nas propriedades reológicas do fluído, a estabilidade térmica foi investigada através de testes de envelhecimento térmico dinâmico de 16 horas em Forno Fann Rover em temperaturas de 55, 70, 90, 100 e 125 °C. Adicionalmente, foram realizados testes de micro calorímetro para determinar a temperatura de transição da goma xantana, que foi o primeiro indício de uma diminuição na viscosidade do fluído de perfuração. Neste sentido, notou-se que a viscosidade diminui com ao aumento da temperatura e cresce com incremento da pressão. O presente estudo propõe uma metodologia para obter medições do fluido de perfuração a base de água com goma xantana sob condições HPHT, considerando a ocorrência de uma alteração em sua conformação como resposta ao aumento da temperatura. A TLEs (Tensão Limite de Escoamento) estática, obtida a partir do cruzamento dos módulos dinâmicos, foi superior à TLEs dinâmico. Além disso, temperatura e pressão apresentaram, respectivamente, diminuição e aumento na estrutura do fluído. Em seguida, foi desenvolvido um ajuste de viscosidade aparente em função da pressão, temperatura e taxa de deformação, com base em modelos experimentais. Os resultados experimentais mostraram que a viscosidade é sensível às condições existentes no fundo do poço de perfuração. Por fim, foi analisado o aumento da concentração de goma xantana no fluido de perfuração, apresentando características favoráveis em termos de aumento da temperatura de transição e capacidade de fluido em relação aos cenários operacionais. The water-based drilling fluid with xanthan gum and limestone under high-pressure and hightemperature conditions is investigated in the following experimental study using an Anton Paar MCR 702TD rheometer with pressure cell. A wide range of mud suspensions is commonly used in the oil well drilling process. Water-based drilling fluid is used in some stages during the drilling process due to its low environmental impact and costs. HPHT conditions have several effects on the rheological behavior of water-based drilling fluids. For a better understanding of the process and knowledge of the implications of under HPHT conditions work, rheological and thermal analyzes were performed. Flow curves, flow startup, time, and shear stress oscillatory sweeps were obtained in order to study the rheological behavior in a temperature range of 4 to 125 °C and 10 to 800 bar pressures. Also, thermal stability was investigated through 16 hours’ dynamic thermal aging tests on Rover Oven Fann at temperatures of 55, 70, 90, 100, and 125 °C) in order to analyze the effects of thermal aging on its rheological properties. In addition to that microcalorimeter, tests were performed to determine the xanthan gum’s transition temperature, which was the first indication of a decrease in drilling fluid viscosity. The viscosity suffered a decrease due to temperature growth and increased with pressure increment. A methodology was proposed to obtain HPHT measurements for water-based drilling fluid with xanthan gum, considering a change in the xanthan gum’s conformation with increasing temperature. The static yield stresses obtained from the dynamic modules crossing were higher than the dynamic yield stress. Besides, temperature and pressure showed a decrease and a gain in the fluid structure, respectively. Next, an apparent viscosity fit was developed as a function of pressure, temperature and shear rate, based on experimental models. The experimental results showed that viscosity is sensitive to downhole conditions. Finally, the increase of the xanthan gum concentration in the drilling fluid was analyzed, presenting favorable characteristics in terms of transition temperature growth and fluid capacity considering operational scenarios.

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica, Instituto de Geociencias Resumo: Um dos avanços referentes ao desenvolvimento de tecnologias para perfuração de poços em condições severas de pressão e temperatura está ligado aos fluidos de perfuração. O entendimento do comportamento da mistura de fluido de perfuração e gás da formação, numa situação de influxo de gás da formação para o poço (kick), é essencial para as operações de controle de poço. Especialmente quando se utilizam fluidos orgânicos, os quais dificultam a detecção do influxo. O principal objetivo do presente trabalho é o estudo do comportamento termodinâmico desses fluidos a condições compatíveis com as de fundo de poços de alta temperatura e alta pressão (ATAP). Para atingir esta meta utilizou-se uma célula PVT com limite operacional de 200°C e 100MPa. Primeiramente estudou-se o sistema metano/nparafina nas composições de 0 a 95% em fração molar de metano e nas temperaturas de 70°C a 130°C. Numa segunda fase do trabalho foi estudado o sistema metano/emulsão com duas composições de emulsões, uma 60% n-parafina e outra 70%, variando-se também fração de gás e temperatura. Através dos dados experimentais do sistema metano/n-parafina realizou-se modelagem computacional para o cálculo da solubilidade, densidade e fator volume de formação, obtendo-se correlações que permitiram avaliar projeções baseadas na hipótese da aditividade. Para o cálculo direto dessas propriedades obtiveram-se correlações para o sistema metano/emulsões, as quais foram empregadas em cálculos de volume ganho no tanque como exemplo de sua aplicabilidade Abstract: One of the advances in the development of drilling technologies under severe conditions of pressure and temperature is related to the drilling fluids. The understanding of the behavior of drilling fluid and the formation gas mixture, in a kick situation, is essential for the well control operations. Especially when organic fluids are used, which makes it more difficult to detect the influx of gas from the formation into the well. The main objective of this work was the study of the PVT behavior of these fluids at pressures and temperatures consistent with the HTHP well conditions. In order to accomplish that, a PVT cell with an operational limit of 200°C and 100MPa was used. First the system methane/n-paraffin was studied, with compositions from 0 to 95% in molar fraction of methane and at temperatures from 70 to 130°C. In a second phase of this work the system methane/emulsion was studied, for two different emulsions, one with 60% n-paraffin and another with 70%, also varying gas fraction and temperature. Through the experimental data of the methane/n-paraffin system a computational modeling was conducted to calculate solubility, density and formation volume factor, resulting in correlations that enabled the evaluation of the validity of the additivity hypothesis. For the entire experimental parameters spam, mathematical adjustments of the methane/emulsion system were done. This correlations were used in pit gain calculations as an example of its applicability Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: Celso Kazuyuki Morooka, Jose Ricardo Pelaquim Mendes, Kazuo Miura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Geociências Resumo: Os problemas na perfuração de poços de petróleo são responsáveis pela maior parte dos tempos não produtivos, elevando assim os custos diários das operações. Portanto, o estudo e o entendimento destes problemas contribuirá para a otimização da perfuração, melhorando assim as práticas ou mitigando os efeitos severos das anormalidades. O presente trabalho apresenta três procedimentos para identificação das causas dos problemas que poderão auxiliar o jovem profissional a caracterizar os mais variados problemas que ocorrem durante a perfuração de um poço. Neste escopo são abordadas apenas as ocorrências pré-classificadas como dificuldade de manobra, dificuldade de avanço, e prisão. O estudo usa dados dos boletins diários de perfuração dos poços, dados de mudlogging, dados obtidos por ferramentas de monitoramento contínuo da perfuração e outros dados como o fluido utilizado, a configuração da composição de fundo, o desgaste de broca, o gráfico do caliper, litologia e trajetória do poço. A caracterização dos problemas é feita mediante a identificação e associação de eventos que levam a formular hipóteses das prováveis causas dos problemas. Dois grupos de pesquisa (Unicamp e Genesis do Brasil) em engenharia de poço implementaram separadamente os procedimentos propostos. Os resultados foram coincidentes para a maioria trechos de poços marítimos de desenvolvimento analisados, o que atesta a eficácia dos procedimentos diagnósticos. Este estudo é importante para indústria, pois pode maximizar a eficiência na perfuração, através da minimização e/ou eliminação dos tempos não produtivos, responsáveis por avultadas perdas econômicas, além de permitir tornar mais robustas as ferramentas de acompanhamento, em tempo real, das operações de perfuração, na tomada de decisões e na melhoria do processo de planejamento de poço Abstract: Drilling problems are accountable for the majority of the non productive times in the industry raising the daily operations costs. Therefore, the study and understanding of the problems will contribute to the drilling optimization, improving the practices or by mitigating their severe effects. The present work presents three procedures for identification of causes of drilling problems which can help the young professionals to characterize a wide range of problems that occur while drilling an oil well. In this scope they are studied only the problems pre-classified by occurrence as: problems in tripping, problem in drilling ahead and stuck pipe. The study uses data from the daily drilling reports, mudlogging data, on time monitoring tools data and mud data, Bottom Hole Assembly composition, bit wear report, caliper data, litology and well trajectory. The characterization of the problems is made by identification and association of the events that lead to formulate the hypotheses of the probable causes of the problems. Two research groups (Unicamp and Genesis do Brasil) in well engineering implemented separately the three proposed procedures. The results were coincident for the majority of the analyzed intervals of offshore development wells, demonstrating the efficacy of the proposed procedures. This work is important to the industry since it leads to the drilling efficiency maximization by minimization and/or elimination non productive times that are the main responsible for economic losses, beside the fact that these findings can be used to boost the capacity of the monitoring and logging tools as well as to support the on time decision making and to improve well planning process Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica, Instituto de Geociencias Resumo: As explorações de campos de petróleo têm abrangido diferentes cenários, incluindo perfuração de poços profundos com elevadas pressões e temperaturas em águas profundas e ultraprofundas. O estudo do controle de poços nestes cenários exige um simulador capaz de prever o comportamento das pressões do poço durante uma situação de kick de forma confiável e eficiente. Considerando estes aspectos, foi implementado um simulador de kicks baseado em um modelo matemático que resolve um conjunto de três equações diferenciais de conservação utilizando o método diferenças finitas. Os cálculos das perdas de carga por fricção, do deslizamento entre as fases e da expansão do gás foram incorporados ao modelo. O modelo é capaz de simular um kick em poços verticais ou horizontais, em poços terrestres ou marítimos, utilizando fluido de perfuração com base de água. Os resultados do simulador foram comparados com dados experimentais e um estudo sobre o efeito de algumas variáveis do controle de poços foi realizado. Abstract: The oil field industry has been drilling in different scenarios, subjected to high pressures and high temperatures in deep wells located in deep and ultradeep waters. The well control study in these scenarios demands a kick simulator capable to do precise predictions of the pressure behavior inside the wellbore during a kick situation. Regarding this scenario, a kick simulator has been implemented. The simulator is based in a mathematical model that solves a set of three conservation equations using the finite difference approach. The effects of the frictional pressure losses, the gas slip and expansion have been incorporated to the model. The model is capable of simulating a single kick in a vertical or horizontal hole, onshore or offshore, with water-based drilling fluid. The simulator results have been compared with experimental data and the effect of some important parameters in well control has been studied. Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: José Ricardo Pelaquim Mendes, Kazuo Miura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Na área de petróleo & gás, devido aos altos custos das sondas utilizados nas atividades de perfuração no mar, o aumento da velocidade de execução das operações torna-se imprescindível. A necessidade de se reduzir esses altos custos tem feito com que empresas de perfuração busquem métodos que permitam alcançar o objetivo almejado. Uma dessas formas é o aumento da taxa de penetração (ROP) da broca. Contudo, segundo pesquisas, os efeitos obtidos através dessa prática nem sempre tem resultado na redução dos custos operacionais. Embora pertinente essa constatação, não foram desenvolvidos estudos que pudessem dizer a real influência da taxa de penetração da broca sobre os custos de construção de poços. Essa deficiência motivou o desenvolvimento desta dissertação, que possui como objetivo estudar a influência da taxa de penetração da broca sobre os custos de construção de poços utilizando informações obtidas através da análise da análise de Boletins Diário de Perfuração, dados de mudlogging, entre outros. Para facilitar a avaliação desenvolveu-se um novo parâmetro de análise baseado no tradicional e difundido custo métrico da broca Abstract: In the field of oil and gas, due to the high costs of rigs used in drilling activities, increasing the speed of operations execution becomes essential. The need to reduce these costs has made drilling companies seek methods to achieve the desired objective. One of those ways is to increase the rate of penetration (ROP) of the bit. However, according to surveys, the outcomes achieved through this practice have not always result in lower operating costs. Although relevant, studies that could tell the real influence of bit's penetration on the costs of well construction were not developed. This deficiency has motivated the development of this dissertation, which has as objective to study the influence of penetration rates on the well construction costs by using information obtained from daily drilling reports analysis, mudlogging data, among others. To facilitate the evaluation influence of bit's penetration on the costs of well construction has developed a new parameter of analysis based on the traditional and popular cost per foot Mestrado Explotação Mestre em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) Determinar as propriedades reológicas do fluido de perfuração em função da pressão e temperatura é imprescindível para a perfuração de poços de petróleo em condições HPHT, pois a previsão bem-sucedida do sistema hidráulico de perfuração depende da representação precisa do comportamento reológico do fluido de perfuração. Este trabalho tem como objetivo avaliar os efeitos das altas temperaturas (até 125 °C) e altas pressões (até 800 bar) no comportamento reológico de fluido de perfuração a base de olefina. Os ensaios reométricos foram realizados no reômetro Anton Paar MCR 702 TD acoplado com o sistema de célula de pressão, com limite de pressão máxima de 1000 bar. Os ensaios consistiram na obtenção de curvas de escoamento, reinícios de escoamento por patamares de taxa de deformação e testes oscilatórios de varreduras de tensões. A estabilidade térmica do fluido de perfuração foi investigada através de testes de envelhecimento térmico realizados em estufa rotativa em 150 °C. Os resultados indicam que o fluido de perfuração testado é termoestável até a temperatura de 150 °C e que o histórico térmico que o fluido de perfuração foi submetido ocasiona reduções na viscosidade aparente e na tensão limite de escoamento do material. Na obtenção das curvas de escoamento a pressão atmosférica e em diferentes temperaturas, observou-se que o aumento da temperatura proporciona redução na viscosidade aparente e na tensão limite de escoamento dinâmica do fluido. Os resultados dos ensaios oscilatórios indicaram que tanto a temperatura como a pressão afetam o comportamento estrutural do fluido de perfuração, porém de maneiras opostas. O aumento da temperatura tende a diminuir os módulos de armazenamento e de dissipação do fluido, enquanto que o aumento da pressão tende a amplia-los. Na análise das curvas de escoamento em condições HPHT, observou-se que os efeitos da pressão são dominantes em temperatura ambiente, contudo, quando o fluido é submetido a altas temperaturas, os efeitos da pressão só são significativos em pressões superiores a 270 bar. Com o auxílio de ferramentas estatísticas foi possível desenvolver um modelo polinomial representativo que relaciona a viscosidade aparente à pressão, temperatura e taxa de deformação. Determining the rheological properties of a drilling fluid as a function of pressure and temperature is essential for drilling oil wells under HPHT conditions, as well as the successful prediction of the hydraulic system depends on the precise representation of the drilling fluid rheology. This study aimed to evaluate the effects of high temperatures (up to 125 ° C) and high pressures (up to 800 bar) on the rheological behavior of olefin-based drilling fluids based on olefin. Rheometric trials were performed on the Anton Paar MCR 702 TD rheometer attached with the pressure cell system, with a maximum pressure limit of 1000 bar. The experiments consisted of obtaining the flow curve, start-up from controlled shear rate and oscillatory stress sweeps tests. The thermal stability of the drilling fluid was investigated through thermal aging tests carried out in a rotating oven at 150 ° C. The results indicated that the drilling fluid tested is thermostable up to a temperature of 150 °C and that the thermal history experienced by the drilling fluid has caused reductions in the apparent viscosity and yield stress. While obtaining the flow curves at atmospheric pressure and different temperatures, it was observed that the increase in temperature provided some reduction in the apparent viscosity and fluid’s dynamic yield stress. The results of the oscillatory tests showed that both temperature and pressure affected structural behavior of the drilling fluid but in different ways. The increase in temperature tended to decrease the storage and dissipation modules, while the pressure tended to increase them. During the analysis of the flow curves in HPHT conditions, it was observed that the effects of pressure are dominant at room temperature, however, when the fluid subjected to high temperatures, the effects of pressure are only significant at pressures greater than 270 bar. With the help of statistical tools, it was possible to develop a representative polynomial model that related the apparent viscosity to pressure, temperature, and strain rate.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A Para o reaproveitamento do fluido de perfuração e atendimento às restrições ambientais, é necessária a separação entre o fluido e o sólido. Na unidade de tratamento de sólidos, a peneira vibratória é o primeiro equipamento, sendo responsável pela eficiência global do sistema, entretanto, diversas variáveis influenciam no desempenho desta. Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi desenvolver estudos sobre o teor de umidade residual e da porcentagem de sólidos retidos no peneiramento vibratório quando submetido à aplicação de vácuo em resposta as variações na força-g, inclinação da tela e concentração volumétrica de sólidos na alimentação. Utilizando uma suspensão composta por água, goma xantana, formaldeído (para simular o fluido de perfuração) e areia padronizada (para simular os sólidos). Os experimentos foram executados segundo um planejamento fatorial 3k para o peneiramento sem e com vácuo e foram realizados em um protótipo experimental de peneira vibratória em escala piloto com tela de 175 mesh e vazão de alimentação de 40 kg.min-1 de suspensão. Os resultados para o peneiramento sem vácuo indicaram que o mínimo de teor de umidade residual foi alcançado com a força-g de 3,0, inclinação de tela de 1,5º e concentração volumétrica de 6,0%; enquanto que a porcentagem de sólidos retidos obteve a condição máxima com a força-g de 3,0, inclinação da tela de 0º e concentração volumétrica de 2,0%. Já o peneiramento com vácuo obteve o menor teor de umidade residual com a força-g de 3,0, inclinação da tela de 3,0º e concentração volumétrica de 6,0%; enquanto que a maior porcentagem de sólidos retidos foi alcançado com força-g de 3,0, inclinação da tela de 0º e concentração volumétrica de 2,0% igual ao peneiramento sem vácuo; e ainda foi determinado a porcentagem de área molhada que obteve a menor condição com força-g de 5,0, inclinação da tela de 3,0º e concentração volumétrica de 6,0%. O ponto ótimo de operação contemplando o menor teor de umidade residual, a maior porcentagem de sólidos retidos e a menor porcentagem de área molhada foi alcançado com a força-g de 3,0, inclinação da tela de 0,825º e concentração volumétrica de 6,0%. Os resultados demonstraram a influência do vácuo na redução do teor de umidade residual dos sólidos retidos para a concentração de 2,0%. Conclui-se que os resultados obtidos demonstraram que as variáveis força-g, inclinação da tela e concentração volumétrica influenciam no teor de umidade residual, na porcentagem de sólidos retidos e na porcentagem de área ocupada pelo líquido (somente no peneiramento sob vácuo). Percebeu-se também a influência do vácuo sobre a secagem dos sólidos. Neste sentido, o estudo das variáveis operacionais deste trabalho é importante para a compreensão do peneiramento vibratório na separação sólido-líquido operando sob vácuo. For the reuse of drilling fluid and compliance with environmental constraints, a separation of fluid and solid is required. In the solid treatment unit a vibrating screen is the first equipment, being responsible for the overall efficiency of the system, however several variables influence in its performance. Therefore, the objective of this work was to develop studies on the residual moisture content and the percentage of retained solids in the vibrating screen when subjected to vacuum application in response to variations in g-force, screen inclination and volumetric concentration of solids in the feed. Using a suspension composed by water, xanthan gum, formaldehyde (to simulate the drilling fluid) and standardized sand (to simulate the solids). The experiments were carried out in a 3k factorial design for non-vacum and vacuum screening and were performed in an experimental prototype of a pilot scale vibrating screen with 175 mesh screen and feed rate of 40 kg/min of suspension. The results for the non-vacuum sieving indicated that the minimum residual moisture content was reached with a 3.0 g-force, screen slope of 1.5° and volumetric concentration of 6.0%; while the percentage of retained solids obtained the maximum condition with a 3.0 g-force, screen inclination of 0º and volumetric concentration of 2.0%. On the other hand, the vacuum screen obtained the lowest residual moisture content with a 3.0 g-force, screen inclination of 3.0º and a 6% volumetric concentration; while the highest percentage of retained solids was reached with g-force of 3.0, screen slope of 0° and volumetric concentration of 2.0% equal to the screening without vacuum; and it was also determined the percentage of wet area that obtained the lowest condition with g-force of 5.0, screen slope of 3.0º and volumetric concentration of 6.0%. The optimum operating point considering the lowest residual moisture content, the highest percentage of retained solids and the lowest percentage of wet area was achieved with g-force of 3.0, screen slope of 0.825º and volumetric concentration of 6.0%. The results demonstrated the influence of vacuum on reducing the residual moisture content of the solids retained at the 2.0% concentration. It can be concluded that the results obtained in variation of the g-force, screen inclination and volumetric concentration influence the residual moisture content, the percentage of solids retained and the percentage of area occupied by the liquid (vacuum sieving only). The influence of the vacuum on the drying of the solids was also perceived. In this sense, the study of the variables of this work is important for the understanding of the vibrating sieving in solid-liquid separation under vacuum. Dissertação (Mestrado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) O investimento em novas tecnologias para a exploração de reservatórios de petróleo em cenários desafiadores cresce cada vez mais no setor de óleo e gás. Uma das técnicas que tem sido extensamente utilizada para a construção de poços de petróleo em condições ambientais adversas é a perfuração direcional. Todavia, a construção de poços em águas ultraprofundas torna essa atividade extremamente onerosa. Neste cenário qualquer problema operacional durante a perfuração do poço de petróleo é responsável por aumentar os custos do projeto ou até inviabilizá-lo. Dentre os problemas operacionais mais comuns está o aprisionamento mecânico da coluna de perfuração. O problema ocorre quando há a formação de um leito de cascalhos no interior do poço. A presença do leito de cascalho pode causar o aumento das forças de atrito sobre a coluna durante manobras de retirada, podendo danificar os equipamentos e levar ao aprisionamento mecânico da coluna. Apesar do aprisionamento da coluna de perfuração no interior do poço ser um problema recorrente, ainda não há solução eficaz para evitar sua ocorrência. Atualmente a detecção do aprisionamento é realizada através do monitoramento de parâmetros como a força de arraste sobre a coluna. Sendo assim o objetivo do trabalho proposto é modelar as forças que atuam sobre o conjunto broca-coluna durante a manobra de retirada. Tais forças surgem da interação entre os equipamentos, leito de cascalhos, fluido e parede do poço.O modelo é baseado no acoplamento das equações de conservação da massa e quantidade de movimento e as forças relacionadas à presença do leito de cascalhos são baseadas nas teorias de escoamento granular. O leito de cascalho estudado é composto por partículas esféricas de vidro e o fluido utilizado é a água. As forças calculadas pelo modelo apresentaram tendência similar ao observado experimentalmente para diferentes velocidades de deslocamento do conjunto, alturas do leito de cascalho e áreas de broca. Além disso, o modelo se mostrou capaz de calcular os casos em que haveria ou não a formação de plugue. A análise de sensibilidade do modelo revelou que o ângulo de repouso da pilha de cascalhos influencia no tempo necessário para a formação do plugue, enquanto que o coeficiente de atrito adotado impacta na magnitude das forças calculadas. Por fim foi realizado um estudo de caso acoplando o modelo proposto à um modelo de arraste existente, no qual foram identificadas potenciais contribuições da utilização da modelagem proposta para a detecção de problemas de campo. Investment in new technologies for the exploration of oil reservoirs in challenging scenarios is growing in the oil and gas industry. One of the techniques that has been widely used for the construction of oil wells in adverse environmental conditions is the directional drilling. However, the construction of wells in ultra-deep waters makes this activity extremely costly. In this scenario, any operational problem during the drilling process is responsible for increasing project costs or even making it unfeasible. Among the most common operational problems is the mechanical stuck of the drill string. The problem occurs when a cuttings bed is formed inside the well. The presence of the cuttings bed can cause increased frictional forces during pull out of hole operation, which can damage the equipment and lead to mechanical stuck of drill string. Although the stuck of the drill string inside the well is a usual problem, there is still no effective solution to prevent its occurrence. Currently, stuck detection is carried out by monitoring parameters such as the drag force. Therefore, the objective of this work is to model the forces acting on drill string assembly during the pull out of hole. Such forces arise from the interaction between equipment, cuttings bed, fluid and well wall. The model is based on lumped mass and momentum conservation equations and the forces due to cuttings bed are determined using theories of granular flow. The studied cuttings bed is composed of spherical glass particles and the fluid used is water. The forces calculated by the model showed a similar trend to that observed experimentally for different drill pipe velocities, cuttings bed heights and drill bit areas. In addition, the model proved to be able to calculate the cases whether there would be a plug formation or not. The sensitivity analysis of the model revealed that the angle of repose of the cuttings pile influences the time required for the formation of the plug, while the friction coefficient adopted impacts the magnitude of the calculated forces. Finally, a case study was carried out coupling the proposed model to an existing drag model, in which potential contributions from the use of the proposed modeling were identified to detect field problems.

Events resulting from the temperature increase associated or not with the creep in saline rocks can generate a significant pressure increase in annular spaces in oil wells. The phenomenon known in the petroleum industry as annular pressure build-up (APB) has become quite relevant today, given the vulnerability of occurrence in oil fields located in deep and ultra-deep Pre-salt areas, whose exploratory interest has increased significantly, given its productive potential. In this perspective, the present study aims to development and implement a multilayer one-dimensional axisymmetric thermomechanical model, aiming at numerically modeling and analyzing the APB phenomenon, considering the prescribed thermal increment and/or associated to the creep mechanism presented by the salt rocks. Two constitutive models are used to represent the rock formation, the linear elastic and the double deformation mechanism, which is used as a result of the good results when compared to in-situ responses. For the analysis of the displacement of the saline rock, a finite element model is developed that associates heat transfer phenomenon, through the weak thermomechanical coupling, with the double deformation mechanism to portray the thermal effect on the evaporites. The modeling developed also allows the inclusion or calculation of fluid-related properties, according to temperature and pressure conditions, iteratively dependent on the entire APB calculation process. In this conjecture, the calculations involved must deal with nonlinearities of constitutive models, fluid-structure interactions, and computer simulations applied to case studies. Case studies are developed and verified based on bibliographies on the proposed theme. The developed modeling contributes to the investigation of the pressure increase caused only by the influence of the saline rock or the prescription of the thermal increase in arrangement with the adopted constitutive models, having potential use for the prediction of efforts in the design and the begin of production phases of oil wells. Acontecimentos decorrentes do incremento de temperatura associados ou não à fluência em rochas salinas podem gerar um acréscimo de pressão significativo nos espaços anulares em poços de petróleo. O fenômeno conhecido na indústria do petróleo como incremento de temperatura em anulares confinados (Annular Pressure Build-up – APB) tem se tornado bastante relevante atualmente, em face da vulnerabilidade da ocorrência em campos de petróleo localizados em áreas profundas e ultraprofundas do Pré-sal, cujo interesse exploratório tem aumentado sensivelmente, face ao seu potencial produtivo. Neste viés, o presente estudo tem por objetivo o desenvolvimento e a implementação de um modelo termomecânico axissimétrico unidimensional multicamadas, com vistas a modelar e analisar numericamente o fenômeno do APB, considerando o incremento térmico prescrito e/ou associado ao mecanismo de fluência apresentado pelas rochas salinas. Utilizam-se dois modelos constitutivos para representar a formação rochosa, o elástico linear e do mecanismo duplo de deformação, sendo este empregado em consequência dos bons resultados quando comparados às respostas in-situ. Para a análise do deslocamento da rocha salina, desenvolve-se um modelo em elementos finitos que associa fenômeno de transferência de calor, por meio do fraco acoplamento termomecânico, ao mecanismo duplo de deformação para retratar o efeito térmico nos evaporitos. A modelagem desenvolvida também permite inclusão ou o cálculo das propriedades relacionadas aos fluidos, de acordo com às condições de temperatura e pressão, iterativamente dependentes em todo processo de cálculo do APB. Nessa conjectura, os cálculos envolvidos precisam lidar com não linearidades de modelos constitutivos, interações fluido-estrutura e simulações computacionais aplicadas a estudos de caso. Os estudos de caso são desenvolvidos e verificados com base em bibliografias sobre o tema proposto. A modelagem desenvolvida contribui na investigação do incremento de pressão provocado apenas pela influência da rocha salina ou pela prescrição do incremento térmico em conjunto com os modelos constitutivos adotados, tendo potencial uso para a predição dos esforços nas fases projeto e início produtivo de poços de petróleo.

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Historicamente, observa-se baixa taxa de penetração na perfuração dos carbonatos do pré-sal, resultando em altos custos na construção de poços. Como a maior parte dos custos de exploração está associado com perfuração, a otimização desta atividade é de grande importância. Neste contexto, o principal objetivo desta dissertação é investigar métodos de otimização em tempo-real de poços de petróleo e gás natural. Uma forma comum de se otimizar a perfuração é através da determinação dos parâmetros operacionais (peso na broca e rotação) que maximizem a taxa de penetração (rate of penetration, ROP). Contudo, isto pode acarretar na diminuição da eficiência do processo de perfuração. Assim, uma forma de diminuir problemas relacionadas a ineficiências da perfuração, tais como gasto excessivo da broca ou vibrações, é através da seleção dos parâmetros operacionais, minimizando a energia específica (specific energy, SE) gasta para escavar uma unidade volumétrica de rocha. Para tanto, é necessário o emprego de modelos precisos que relacionem como as variáveis operacionais (peso da broca, rotação, vazão do fluido de perfuração entre outros) influenciam, não somente o ROP, mas também a SE. Desde modo, a presente dissertação empregou um método conhecido de aprendizagem de máquinas, chamado de florestas aleatórias, em vez das equações analíticas comumente encontrados em livros de engenharia de perfuração. Assim, foi possível obter modelos de previsão precisos para ROP e SE, para, depois, serem utilizados como funções objetivas em problemas de otimização para seleção ótima dos parâmetros (peso na broca e rotação). Dados de perfuração da região do pré-sal e da plataforma continental norueguesa foram utilizados. Primeiramente, investigou-se diversos aspectos relacionados ao treinamento das florestas aleatórias. Entre eles, verificou-se a possibilidade de estimar com precisão o ROP utilizando apenas quatro parâmetros: profundidade, peso na broca, rotação e vazão de fluido. A previsão da SE, por sua vez, se fez através do acoplamento da formulação matemática com os modelos preditivos do ROP e torque (quando disponível). Foram investigados problemas de otimização contendo tanto uma função objetiva quanto problemas com múltiplas funções objetivas através da técnica "ε-constraint". Verificou-se que a maximização sozinha da taxa de penetração pode acarretar em aumento da energia gasta para se perfurar. Contudo, ao impor como restrição a inequação SE(x) ≤ SEactual*ε ao problema da maximização da taxa de penetração, foi possível diminuir consideravelmente a quantidade de observações que o aumento do ROP se deu através do detrimento da eficiência da perfuração. Para o problema da minimização da SE, constatou um cuidado que se deve ter ao simular combinações de peso na broca e rotação com valores baixos. To meet the increasing primary energy demand, more challenging petroleum reserves started being explored, such as the reservoirs from pre-salt formation close to the Brazilian and Angolan coasts. Historically, low penetration rates in drilling the pre-salt carbonates were reported in the literature, resulting in large capital expenditure on well’s construction. Since the major part of exploration cost is associated with drilling, optimizing this activity is of major importance. In this context, the main objective of the present thesis is to investigate methods for real-time drilling optimization of oil and natural gas wells. A common way to optimize drilling activities is to determine the optimum operational variables (e.g. weight-on-bit and rotational speed) that maximizes the ROP. However, this may yield a decrease in drilling efficiency. An alternative to reduce problems related to drilling inefficiency, such as excessive bit wear and vibrations, is through the selection of operational variables able to minimize the specific energy (SE) spent to excavate a volumetric unit of rock. For that, it is necessary to employ accurate predictive models able to capture how the operational variables (weight-on-bit, rotational speed, mud flow and so on) influence not only on ROP but also on SE. Therefore, the present thesis employed a well-known machine learning method, called random forest, instead of analytical equations found in drilling engineering books. Thus, it was possible to obtain accurate predictive models for ROP and SE, to be used, later, as objective functions in optimization problems to determine the optimum parameters, weight-on-bit and rotational speed. Real-time drilling data from pre-salt region and Norwegian continental shelf were employed. First, several aspects related to training process of random forests were investigated. Among them, it was confirmed the possibility of predicting the ROP with accuracy by employing only four inputs: depth, weight-on-bit, rotational speed, and mud flow. The prediction of SE was carried out by coupling the mathematical formulation with predictive models of ROP and torque (if available). Optimization problems were analyzed with one objective function, as well as with multiple objective functions through the ε-constraint technique. It was observed the sole maximization of ROP may lead to increase in the energy required to drill. However, by imposing the inequality SE(x) ≤ SEacutal*ε on the maximization of ROP, it was possible to reduce significantly the amount of observations whose ROP increased due to detriment of drilling efficiency. For the minimization of SE problems, it was observed a special care to be taken when simulating low-values for weigh-on-bit and rotational speed. 001

Durante a produção de petróleo em águas profundas e ultraprofundas, o petróleo com alto teor de parafinas pode se gelificar em função de perdas de calor para o leito do oceano. Para reiniciar o escoamento do fluido gelificado são requeridas pressões superiores às usuais de operação, o que pode levar ao superdimensionamento dos dutos submarinos. Segundo a literatura, as propriedades desse gel são altamente dependentes do histórico térmico e de cisalhamento, e as pressões no reinício de escoamento são influenciadas principalmente pela dissipação viscosa, compressibilidade, tensão limite de escoamento e dependência temporal das propriedades do material gelificado. O objetivo do trabalho é avaliar experimentalmente os efeitos de viscosidade, viscoplasticidade e dependência temporal na intensidade e desenvolvimento das pressões de fluidos dependentes do tempo em tubulações. Com a intenção de simplificar o problema, são estudadas soluções de glicerina, Carbopol® e Laponita®, para que cada efeito seja avaliado separadamente e comparado. Os ensaios experimentais são realizados através de um aparato experimental, composta por longa tubulação helicoidal inserida em uma câmara térmica isolada. O aparato conta ainda com sistemas de refrigeração e aquecimento, além de dispositivos para controle e aquisição de dados. O presente estudo abrange as curvas de escoamento dos materiais, testes de reinício de escoamento por imposição de vazão, reinício de escoamento por imposição de pressão e imposição de patamares de vazão. Para glicerina foi evidenciado que a vazão no final da tubulação inicia após a formação de um gradiente de pressão uniforme logo no início dos experimentos, que aumenta até atingir regime permanente. Para os fluidos viscoplásticos as pressões internas da tubulação responderam com atraso ao aumento da pressão na entrada, de tal forma que um gradiente de pressão uniforme só é observado quando as pressões estão próximas do regime permanente. No material tixotrópico, foi observado que um gradiente de pressão uniforme se estabelece após os picos de pressão, coincidindo com o reinício do escoamento. Os resultados obtidos na unidade experimental foram comparados com resultados de simulações numéricas, apresentando boa concordância. During the production of oil in deep and ultra deep waters, petroleum with high paraffin content may, through heat transfer with the ocean bed, cool at low temperatures and form a gel structure with non-Newtonian characteristics. To restart the flow of the gelled fluid, pressures higher than usual are required, which can lead to overestimating of the underwater pipelines. According to the literature, the properties of this gel are highly dependent on the thermal and shear history, and the pressures at the restart of flow are influenced mainly by the viscous dissipation, compressibility, yield stress and temporal dependence of the properties of the gelled material. In order to simplify the studied problem, the objective of this work is to evaluate experimentally the effects of viscosity, viscoplasticity and temporal dependence on the intensity and development of the pressure of time dependent fluids in pipelines. For this purpose, solutions of glycerine, Carbopol® and Laponite®, are studied, allowing the comparison of each effect separately. The experimental tests are performed by an experimental apparatus, composed of a long helical pipe inserted in a thermally insulated chamber. The apparatus has also cooling and heating systems, as well as devices for data control and acquisition. This study covers the materials flow curves, flow startup with flow rate imposition, flow startup with pressure imposition and the imposition of flow rate steps. For glycerin results, it was noticed that at beginning of the experiments, the flow rate at the end of the pipeline starts to increase with the presence of a uniform pressure gradient, which increases until reaching steady state. The internal pressure for viscoplastic fluids had a delayed response to the increase in the inlet pressure, such that the uniform pressure gradient is observed only when the pressures are close to the steady state values. For the thixotropic material, it was verified that the uniform pressure gradient is established only after the pressure overshoot, coinciding with the flow startup. The results obtained with the experimental apparatus were compared to simulation work, showing good agreement.

Agência Nacional do Petróleo (ANP) Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) No presente trabalho é apresentado um modelo matemático desenvolvido com o objetivo de prever a propagação de pressão em problemas transitórios compressíveis de fluidos não newtonianos. Os problemas físicos explorados são: i) fechamento abrupto de válvulas; ii) transmissão de pressão em fluidos de perfuração de poços de petróleo e; iii) reinício de escoamento de petróleo gelificado em tubulações. O escoamento do fluido é considerado unidimensional, fracamente compressível e isotérmico. O modelo baseia-se nas equações de balanço da massa e de quantidade de movimento que são resolvidas iterativamente através do método das características. A compressibilidade do fluido é considerada através da utilização de uma equação de estado que relaciona a massa específica com a pressão. Para representar o comportamento do fluido são utilizados dois modelos constitutivos: viscoplástico e tixotrópico. A distribuição de tensão de cisalhamento é considerada linear na direção radial, sendo que para o fluido viscoplástico utiliza-se o fator de atrito para escoamento plenamente desenvolvido enquanto que para o fluido tixotrópico integra-se o perfil de velocidades radial. Estes modelos foram apresentados em três publicações: “Mathematical model for viscoplastic fluid hammer”; “Modeling and validation of pressure propagation in drilling fluids pumped into a closed well” e; “The effect of compressibility on flow start-up of waxy crude oils”. As principais conclusões dos trabalhos são: i) a pressão não se transmite completamente em fluidos viscoplásticos, o que contrasta com fluidos newtonianos; ii) a propagação de pressão depende da condição de contorno; da dissipação viscosa e da tensão limite de escoamento em casos de fluidos viscoplásticos; iii) a quebra da estrutura gelificada de fluidos tixotrópicos depende da relação entre os tempos de propagação de pressão e do característico de quebra do gel. In the current work a mathematical model is presented in order to predict pressure propagation in transient compressible non-Newtonian flow problems. The physical problems dealt are: i) fluid hammer problem; ii) pressure transmission in well drilling fluids and; iii) flow start-up of waxy crude oils in pipelines. The flow is considered one-dimensional, weakly compressible and isothermal. The model is based on the mass balance and momentum balance equations that are solved iteratively by the method of characteristics. The fluid compressibility is considered by employing a equation of state that correlates fluid density and pressure. Two constitutive models were used to represent the fluid behavior: viscoplastic and thixotropic. The shear stress distribution across the pipeline section is considered linear in the radial direction so that the friction factor approach is used for the viscoplastic fluid and the velocity profile is integrated across the pipeline section for the thixotropic fluid. These models were presented into three publications: “Mathematical model for viscoplastic fluid hammer”; “Modeling and validation of pressure propagation in drilling fluids pumped into a closed well” and; “The effect of compressibility on flow start-up of waxy crude oils”. The main conclusions are: i) pressure is not fully transmitted in viscoplastic fluids; ii) pressure propagation depends on pipeline boundary condition and; gel breaking of thixotropic fluids depends on the ratio of the pressure wave propagation time and the breaking characteristic time.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A UFU - Universidade Federal de Uberlândia Durante a perfuração de poços de petróleo, é injetado pelo interior da coluna de perfuração o fluido de perfuração, que tem diversas funções como: carrear os sólidos provenientes do corte das rochas para a superfície, lubrificar a coluna de perfuração, arrefecer a broca, estabilizar o poço, entre outras. Para recondicionar este fluido, é utilizada a unidade de controle de sólidos, que tem como objetivo retirar os sólidos produzidos pela perfuração da rocha e recondicionar o fluido para que este volte ao processo de perfuração. O primeiro equipamento da unidade de controle de sólidos é a peneira vibratória. O objetivo deste trabalho foi avaliar a operação de peneiramento vibratório aplicado à separação sólido-líquido frente ao efeito das variáveis independentes: força-g, concentração volumétrica de sólidos na alimentação, vazão de alimentação e inclinação da tela de peneiramento. Foi feito um planejamento composto central para os experimentos com uma réplica no ponto central, totalizando 26 experimentos. Foram avaliadas as variáveis dependentes: teor de umidade residual dos sólidos retidos, área de região de piscina, velocidade de transporte dos sólidos retidos na região de praia e porcentagem de área de tela ocupada pelos sólidos retidos na região de praia. Para a parte líquida da suspensão foi utilizado água com 0,1% em massa de goma xantana, já para a sólida foi utilizado areia padronizada com diâmetro médio de Sauter de 373 μm. A tela utilizada na peneira foi de 175 mesh. Pela análise dos resultados, foi possível verificar que o menor valor de área de piscina foi de 906,695 cm², resultante da combinação dos maiores níveis de força-g (5), concentração volumétrica de sólidos na alimentação (5%) e inclinação de tela (3,5º), com o menor nível de vazão de alimentação (19 kg/min). Para o teor de umidade residual dos sólidos retidos, foi observado uma forte influência das variáveis força-g e concentração volumétrica de sólidos na alimentação, sendo o maior valor de umidade residual de 22,862%, para a combinação de maior nível de força-g (5) e menor de concentração volumétrica de sólidos na alimentação (3%). Já o menor valor de umidade residual dos sólidos retidos foi de 19,211%, para o menor nível de força-g (2,5) combinado com o maior de concentração volumétrica de sólidos (5%). A maior velocidade de transporte dos sólidos retidos foi de 17,00cm/s, para a combinação dos maiores níveis de força-g (5), concentração volumétrica de sólidos (5%) e inclinação (2,5º) com o menor nível de vazão de alimentação (25 kg/min). Também foi constatado que maiores velocidade de transporte têm grande influência na diminuição da porcentagem de área de tela ocupada na região de praia pelos sólidos úmidos retidos. A conclusão foi que o aumento das variáveis força-g e inclinação aumentam a capacidade operacional da peneira, pois diminuem a área de piscina, além da região de tela ocupada pelos sólidos retidos. A manutenção adequada destas variáveis permite a correção de desvios causados por oscilações na vazão de alimentação e concentração volumétrica de sólidos. During the drilling of oil wells, the drilling fluid is injected into the drilling column, which has several functions such as: driving the solids from the rock cutting to the surface, lubricating the drilling column, cooling the drill bit, stabilizing the well, among others. To recondition this fluid, the solid control unit is used, which aims to remove the solids produced by the rock drilling and to recondition the fluid so that it returns to the drilling process. The first equipment of the solid control unit is the vibrating screen. The objective of this study was to evaluate the vibration screening operation applied to the solid-liquid separation against the effect of the independent variables: g-force, volumetric concentration of solids in the feed, feed rate and slope of the sieving screen. A central composite design for the experiments with a reply in the center point was made, totalizing of 26 experiments. The dependent variables were: residual moisture content of retained solids, pool area, transport velocity of solids retained in the beach region and percentage of screen area occupied by solids retained in the beach region. For the liquid part of the suspension, water with 0.1% by mass of xanthan gum was used, while for the solid part, standardized sand with a mean Sauter diameter of 373 μm. The screen used in the sieve was 175 mesh. By the analysis of the results, it was possible to verify that the lowest value of pool area was 906,695 cm², resulting from the combination of the highest levels of g-force (5), volumetric solids concentration in the feed (5%), and screen inclination (3.5º), with the lowest level of feed rate (19 kg / min). For the residual moisture content of the retained solids, a strong influence of the force-g variables and volumetric concentration of solids in the feed was observed, with the highest residual moisture value of 22.862%, for the combination of higher g-force level (5) and lower volumetric solids concentration in the feed (3%). The lowest residual moisture content of the retained solids was 19.211%, for the lowest level of g-force (2.5) combined with the highest solids concentration (5%). The highest transport velocity of the retained solids was 17.00 cm/s, for the combination of the highest levels of g-force (5), solids volume concentration (5%) and slope (2.5º) with the lowest level of feed rate (25 kg / min). It was also observed that higher transport velocities have a great influence on the decrease of the percentage of screen area occupied in the beach region by the retained wet solids. The conclusion was that the increase in g-force and inclination variables increase the operational capacity of the screen, because it reduces the pool area beyond the screen area occupied by the retained solids. Proper maintenance of these variables allows to correct deviations caused by fluctuations in the feed rate and volumetric solids concentration. Dissertação (Mestrado)

O fenômeno de perda de circulação é consequência da perfuração de poços de petróleo e gás em substratos permeáveis e é caracterizado pelo influxo de fluido de perfuração da região anular para a formação. Além dos custos adicionais relacionados com a necessidade constante de reposição do fluido perdido, danos à formação nas adjacências do poço são de ocorrência comum. Uma potencial solução é a adição de materiais de perda de circulação (LCM’s) ao fluido de perfuração para que uma camada de reboco se forme na parede do poço em filtração dinâmica. Neste trabalho, o escoamento bifásico líquido-sólido é simulado numericamente através de uma abordagem de Euler-Lagrange para representar o crescimento do reboco na interface poço-formação. A região anular do poço é idealizada como um canal vertical de seção transversal retangular em contato com um meio poroso anisotrópico, o qual é concebido na escala do poro (heterogêneo) como um arranjo de cilindros alternados. O escoamento particulado é ascendente e eventualmente as partículas, as quais representam o LCM, abandonam o canal adentrando o meio poroso onde pode ocorrer a geração do reboco. A simulação é realizada através do Método de Fase Discreta Densa (DDPM) no qual as equações da fase sólida e fluida são solucionadas separadamente. O Método dos Elementos Discretos (DEM) é empregado para calcular as interações de contato (colisão e atrito). A caracterização do combate à perda de circulação é realizada através da redução da vazão de fuga ao longo do tempo. Resultados mostram o efeito da variação do número de Reynolds no canal (125, 250, 500), da vazão inicial de fuga (5, 10, 20%), do diâmetro das partículas (0,50; 0,75; 1,00 mm), da razão de massa específica partícula-fluido (1,5; 2,5) e da configuração do meio poroso (porosidade, número de cilindros e garganta de poro). A eficiência do reboco na redução da vazão de fuga recai na formação de um plugue de partículas que seja capaz de obturar toda a altura do meio poroso, não permitindo que haja gargantas de poros desobstruídas. Tal aspecto é favorecido pela redução do diâmetro e da razão de massa específica, bem como pelo aumento do Reynolds e da vazão inicial de fuga. The lost circulation is a consequence of the well drilling in a permeable substrate, being characterized by the drilling fluid influx to the porous formation. Despite the additional costs associated with the need of continuous fluid replacement, another misfortune is the irreversible formation damage due to the fluid invasion, which may reflect negatively throughout the productive life of the well. Therefore, it is of utter importance to make use of preventive and corrective techniques, like the addition of lost circulation materials (LCM) to the drilling fluid. The LCM particles deposit over the porous formation under dynamic filtration and create a mud cake (filter cake) that helps diminishing the fluid invasion flow rate. In this work, the liquid-solid two-phase flow is numerically simulated via an Euler-Lagrange approach to represent the mud cake growth. The well annular region is considered as a vertical channel bounded by an anisotropic porous formation. The porous medium is conceived in the pore-scale as a periodic array of staggered cylinders. The fluid flows upward through the channel carrying the solid particles that mimic the LCM’s. The particles might eventually get into the porous formation and deposit, creating the mud cake. The equations for the fluid flow and for the particles movement are solved separately via the Dense Discrete Phase Model (DDPM). The particle-particle and particle-wall interactions like collision and friction are calculated via the Discrete Element Methods that is coupled to the DDPM. The effectiveness of the lost circulation mitigation is evaluated mainly by the decrease in the fluid invasion flow rate over time. The results demonstrate the influence of the variation of the Reynolds number on the channel (125, 250, 500), the initial fluid invasion flow rate (5, 10, 20%), the particles diameter (0.50, 0.75, 1.00 mm), the particle-fluid specific mass ratio (1.5, 2.5) and the configuration of the porous medium (porosity, number of cylinders and pore throat).

Ao buscar a autossuficiência de petróleo, o Brasil expandiu a sua tecnologia offshore e recentemente começou a explorar a região do pré-sal. Todavia as explorações desses campos apresentam grandes desafios. Nas reservas do pré-sal, assim como em diversos campos de exploração ao redor do mundo, a indústria de óleo e gás deve se preocupar com a formação de hidratos durante o processo de extração e transporte de seu produto. Os problemas de garantia de escoamento relacionados a hidratos têm sido tratados tradicionalmente pela implementação de estratégias de prevenção de hidratos, ou seja, injeção de inibidores, remoção de água do sistema e isolamento térmico de linhas. Porém esses métodos elevam o custo da produção, levando as indústrias a aplicar a gestão de hidratos, onde pode haver a presença de hidratos dispersos no fluido. Contudo a operação de extração apresenta flutuações e, por vezes, paradas inesperadas. Esses fatos podem resultar na deposição de hidratos na parede das tubulações, causando bloqueios parciais ou totais da linha. O presente trabalho estuda experimentalmente o crescimento anular de uma camada de hidrato, desde a parede até o centro, utilizando uma célula cilíndrica estática. O experimento utilizou uma solução de 1:17 mols de tetrahidrofurano (THF) em água, mesma razão molar para o hidrato formado, desta forma, a taxa de crescimento da camada de hidrato é controlada predominantemente pelo fenômeno de transferência de massa. Esta dissertação apresenta a taxa de crescimento da camada de hidrato para diversas taxas de subresfriamento, também apresenta algumas observações referentes à morfologia do hidrato sob influência da temperatura em que o experimento foi exposto. In the search of becoming self-sufficient in petroleum production, Brazil expanded its offshore technology and recently has began to explore the Pre-salt region. However, the exploration of these fields presents major challenges. In the presalt reserves as well as in diverse fields of exploration around the world, the oil and gas industry must worry about the formation of hydrates during the process of extraction and transportation of its product. The problems in flow assurance related with the hydrates have been addressed by the implementation of hydrate prevention strategies, in other words, by injection of inhibitors, water withdrawal from the system and thermal insulation of lines. However, these methods raise the cost of production, leading industries to apply hydrate management, where there may be hydrate dispersed in the fluid. Nevertheless, the extraction operation has fluctuations and sometimes unexpected stops. These facts can result in the deposition of hydrates in the wall of the pipes, causing partial or total blockages of the line. The present work experimentally studies the annular growth of a hydrate layer, from the wall to the center, using a static cylindrical cell. The experiment used a solution of 1:17 mol of THF in water, the same molar ratio of the formed hydrate, in this way, the growth rate of the hydrate layer is controlled predominantly by the mass transfer phenomenon. This dissertation presents the hydrate layer growth rate for several sub-cooling rates, also presents some observations regarding the morphology of the hydrate under the influence of the temperature in which the experiment was exposed.

Durante a perfuração de poços de petróleo, a determinação do perfil de temperaturas no poço é importante para tomada de decisões relativas ao processo de cimentação, para a seleção de revestimento do poço e equipamentos e, sobretudo, na identificação de zonas de influxo e perda de circulação. Neste trabalho é proposto um modelo matemático da transferência de calor em regime transitório do escoamento de fluido de perfuração em poços fraturados com perda de circulação. O poço é representado de maneira simplificada através de um cilindro anular concêntrico, cuja parede externa (interface poço-formação) apresenta uma ou mais fraturas discretas. Para a obtenção do modelo térmico é realizado um balanço de energia com foco nas trocas de calor entre a coluna de perfuração, região anular e formação rochosa. A característica principal do modelo proposto é a possibilidade de detecção da posição e número de fraturas a partir do perfil do gradiente térmico da região anular ao longo poço. Para tanto, com o código numérico, obtido via método dos volumes finitos, investiga-se a influência de parâmetros: da fratura (profundidade relativa, perda de circulação, número e distância entre fraturas), físicos (tempo de circulação) e do regime de escoamento (número de Reynolds e viscosidade dos fluidos de perfuração). As variáveis-resposta principais analisadas são a temperatura da região anular e o gradiente térmico. Como variáveis-resposta secundárias são utilizadas as evoluções térmicas da temperatura no fundo do poço e na saída da região anular. É constatado que o aumento da profundidade relativa ou número de fraturas diminui a temperatura do fundo do poço, sem causar variação significativa na temperatura de saída do anular. Para a variação da perda de circulação, o efeito na temperatura do fundo do poço é similar ao da variação do aumento da profundidade relativa da fratura, no entanto são observadas diferenças na temperatura de saída. Além disso, é verificado que, conforme se aumenta o número de fraturas distribuídas ao longo da profundidade do poço, a temperatura do poço tende ao caso de poço não fraturado. De maneira similar é evidenciada a tendência de que a diminuição na distância entre fraturas se aproxima dos resultados para um poço com uma única fratura. Finalmente, o aumento da perda de circulação facilita a detecção de fraturas devido a respectiva mudança na descontinuidade do perfil do gradiente térmico da região anular. During oil drilling operations, the wellbore temperature profile is used when selecting well casing materials, making cementation related decisions, and, most importantly, to identify loss zones. In this work, a transient heat transfer mathematical model for a fractured wellbore is proposed. The well has its geometry simplified to a concentric annular cylinder which has one or more discrete fracture in its external wall (wellformation interface). In order to obtain the thermal model an energy balance is used, focusing the heat transfer between the pipe, the annular region and the formation. The key characteristic of the model is the fracture detection through thermal gradient graphical analysis. The thermal gradient is an output of the solution of the discretized energy equation in the domains, obtained through the finite volume method. The following parameters are investigated: fracture depth, fracture number, fracture interference, loss circulation, circulation time, Reynolds number and drilling fluid viscosity. The analysis is done through the analysis of the annular region temperature profile and its gradient, along with the thermal evolution of both the bottomhole and outlet temperatures. It is verified that increasing the fracture relative depth or number decreases the bottomhole temperature, while having no significant impact in the outlet temperature. The same bottomhole temperature effect is noted when increasing loss rate, however outlet temperature changes are observed. In a similar way, when decreasing the distance between fractures, the temperature profile in the annular region trends to a wellbore with a single fracture. Finally, increasing loss rate favors fracture detection, since the discontinuity in the annular region thermal gradient profile is intensified.

CAPES; Petrobras Fluidos de perfuração apresentam comportamento viscoplástico, que é definido por uma tensão limite de escoamento. Se a tensão imposta não supera a tensão limite de escoamento, o material se comporta como um sólido elástico, e quando esta tensão é excedida, o fluido escoa como um líquido viscoso. Durante o processo de perfuração de poços de petróleo, válvulas posicionadas na extremidade da coluna de perfuração são atuadas por diferenças de pressão no fluido. Argumenta-se, entretanto, que pressões aplicadas na superfície não são totalmente transmitidas até a válvula, impedindo sua operação. Logo, a transmissão de pressão em fluidos viscoplásticos demanda mais estudo. Para suprir a falta de estudos experimentais sobre o assunto, uma avaliação experimental da transmissão de pressão em um fluido viscoplástico é realizada neste trabalho. O aparato experimental construído para este propósito consiste de uma longa tubulação em formato helicoidal (serpentina) mantida sob temperatura controlada, ao longo da qual estão instalados transdutores de pressão relativa. O fluido é bombeado a uma vazão controlada por uma bomba do tipo helicoidal. Durante os testes, o fluido de trabalho é pressurizado na serpentina até um certo patamar ao mesmo tempo em que as pressões são medidas. Os resultados dos testes com fluidos viscoplásticos corroboram a literatura, que afirma que um fluido com tensão limite de escoamento confinado em uma tubulação fechada não transmite totalmente a pressão imposta na entrada ao longo do restante da tubulação. Além disso, foi observado que a diferença de pressão entre dois pontos da tubulação quando o fluido está em repouso é proporcional à tensão limite de escoamento deste fluido. Os resultados experimentais foram comparados com resultados de simulações numéricas de dois modelos matemáticos desenvolvidos no Centro de Pesquisas em Reologia e Fluidos Não newtonianos (CERNN), com boa concordância. Drilling fluids exhibit a viscoplastic behavior, which is defined by a yield stress. If the stress imposed to the fluid does not surpass the yield stress, the material behaves like an elastic solid; if the yield stress is exceeded, it flows like a viscous liquid. In well drilling operations, some valves installed on the drillpipe near the bottom of the hole are actuated by pressure differences in the drilling fluid. However, it has been argued that the pressure applied at the surface is not fully transmitted to the valve’s position, preventing its actuation. Therefore, the pressure transmission in viscoplastic fluids demands further investigation. In order to compensate for the lack of experimental studies about the problem, an experimental analysis of the pressure transmission in yield stress fluids has been performed in this work. The experimental rig consists of a long thermally-controlled helical pipe, on which are installed relative pressure transducers. Fluid is displaced by a helical pump at a controlled flow rate. During the experiments, the fluid is pressurized inside the closed pipeline while the pressures are measured and recorded. The results showed that, in agreement with literature, the pressure at one end of a closed pipeline filled with a yield stress fluid is not fully transmitted to the other end. Moreover, it was observed that the pressure gradient in the pressurized fluid is proportional to its yield stress, which indicates a relation between pressure transmission and the presence and magnitude of the yield stress. The experiments were compared to simulation work developed at the Research Center for Rheology and Non-Newtonian Fluids with good agreement.

Petrobras No processo de perfuração de poços de petróleo e gás o controle da pressão é uma importante tarefa. Se a pressão no interior do poço estiver abaixo da pressão de poros, um influxo da formação pode ocorrer, fenômeno denominado de kick. Se o influxo não for controlado pode ocorrer um fluxo descontrolado da formação para a superfície (blowout). As pressões de fechamento são utilizadas para calcular a pressão do reservatório, entretanto, o caráter viscoplástico do fluido de perfuração atenua as pressões medidas. No presente trabalho, é apresentada uma modelagem matemática e numérica para prever a propagação de pressão ao longo do poço durante um influxo de gás (kick). Considerou-se a compressibilidade e o comportamento viscoplástico do fluido de perfuração, modelando-o como Plástico de Bingham. O escoamento é considerado unidimensional, laminar, transiente, isotérmico e homogêneo. A solubilidade do gás no fluido de perfuração é desconsiderada e o gás é modelado como um gás real. O fluxo da formação para o interior do poço é tratado através da lei de Darcy. Os balanços de massa e de quantidade de movimento para a mistura formam um sistema de equações diferenciais parciais hiperbólicas, tendo como incógnitas a pressão e a velocidade, as quais são resolvidas pelo método das características. Consideram-se dois casos de estudo: o kick dinâmico e o kick estático. A obtenção dos campos de velocidade e pressão ao longo do poço é realizada através de um programa computacional desenvolvido em linguagem FORTRAN. Posteriormente, aferiu-se os resultados obtidos pelo modelo desenvolvido comparando-os com solução analítica e dados experimentais. Os resultados apresentam que quanto maior a tensão limite de escoamento, menor é a transmissão de pressão e que se a pressão do reservatório não for grande o suficiente, não há ganho de volume de fluido nos tanques de lama. In the process of drilling oil and gas wells the pressure control is an important task. If the pressure inside the well is smaller than the formation pressure, an influx of the formation may occur, phenomenon denominated as kick. If the influx is not controlled there may be an uncontrolled flux from the formation to the surface (blowout). The closing pressures are used to calculate the formation pressure, however, the viscoplastic character of the drilling fluid reduces the pressures measured on the surface. This current work presents a mathematical and numerical modeling to predict the pressure propagation along the well during a gas influx (kick). The compressibility and the viscoplastic behavior of the drilling fluid were considered, modeling it as a Bingham Plastic. The flow is considered as one-dimensional, laminar, transient, isothermal and homogeneous. The solubility of the gas in the drilling fluid is disregarded and the gas is modeled as a real gas. The flux of the formation into the wellbore is treated by Darcy’s law. The balance equations of mass and momentum for the mixture result in a system of hyperbolic partial differential equations, having as unknowns the pressure and the velocity, which are solved by the method of characteristics. Two study cases were considered: the dynamic kick and the static kick. The pressure and velocity fields along the well are obtained by a computer program developed in FORTRAN language. Afterwards, the results obtained from the model developed were assessed by comparing to analytic solution and experimental data. The results present that the bigger the yield stress is, the smaller is the pressure transmission and that if the formation pressure is not high enough, there is no pit-gain in the mud tanks.

Durante a perfuração de poços de petróleo é comum que a pressão do fluido de perfuração no poço seja maior que a pressão no interior da formação, o que pode fazer com que o fluido escoe no sentido da formação, num fenômeno denominado invasão. O escoamento no sentido da formação porosa carrega partículas que são retidas pelo substrato poroso, através do mecanismo de filtração, formando um leito de partículas na parede do poço. Neste trabalho, o modelo matemático e numérico do escoamento particulado através de um canal poroso posicionado verticalmente é investigado. O aumento da perda de carga provocado pela eventual obstrução do escoamento sobre o meio poroso devido à deposição de material particulado é investigado. O substrato poroso é representado através do modelo heterogêneo, cujo domínio sólido é descrito através de cilindros desconectados. A porosidade ao longo do domínio poroso é variada na direção axial do escoamento de acordo com a dimensão dos obstáculos, os quais são alocados num arranjo alternado. A análise é realizada em duas etapas. Na primeira o escoamento monofásico do fluido permite a determinação da permeabilidade e da perda de carga do meio poroso. A segunda etapa trata do processo de deposição de partículas presentes no escoamento sólido-fluido sobre o substrato poroso. A formulação matemática e a modelagem numérica para o escoamento particulado são representadas por uma abordagem Euler-Lagrange. A solução acoplada das fases discreta (partículas) e contínua (fluido) é realizada através da combinação dos modelos Dense Discrete Phase Model (DDPM) e Discrete Element Method (DEM). Resultados são obtidos para um fluido de massa específica e viscosidade semelhante à de um fluido de perfuração, com propriedades de uma mistura de 37,3% de água e 73,7% de glicerina, as partículas têm diâmetro variado de 0,6 a 0,8 mm e a porosidade do meio poroso varia entre 0,4 e 0,7. Resultados mostram que o aumento do diâmetro das partículas promove a redução da permeabilidade do meio resultante formado pelo meio poroso e o leito de partículas. O acréscimo da concentração de partículas injetadas implica em um aumento na queda de pressão, consequentemente na redução da permeabilidade através do canal. É possível observar também que existe um crescimento na espessura do leito com o aumento da concentração de partículas injetadas. During oil well drilling commonly the drilling fluid pressure in the well is greater than the pressure within the formation, which may cause the flow towards the porous substrate, a phenomenon referred to as invasion. The flow to porous formation carries particles which are retained by the substrate, through the filtration mechanism, originating a packed-bed of particles in the wall of the wellbore. In this paper, the mathematical and numerical model of particle flow through a porous channel positioned vertically is proposed. Increase in pressure loss caused by any obstruction of the flow through porous media due to deposition of particulate material is investigated. The porous substrate is represented by a heterogeneous model, which solid domain is described by disconnected cylinders. Porosity throughout the porous domain varies in the axial direction of the flow according to obstacle sizes, which are allocated in a staggered array. The analysis is performed in two steps. In the first, single-phase fluid flow allows the determination of permeability and pressure drop of the porous media. The second step is the process of particles deposition observed in two-phase flow into the porous substrate. Mathematical formulation and numerical modeling for particulate flow are represented by a Euler-Lagrange approach. The coupled solution of discrete phases (particles) and continuous (fluid) is performed by combining the models Dense Discrete Phase Model (DDPM) and Discrete Element Method (DEM). Results are obtained for a fluid with density and viscosity similar to a drilling fluid, with properties of a mixture with 37.3% of water and 73.7% of glycerin, the particles have diameters varying from 0.6 to 0.8 mm and the porosity of the porous medium is between 0.4 and 0.7. Results show that the diameter of the particles increase promotes the permeability reduction of the resulting medium formed by the porous medium and the particles bed. The increase of the injected particles concentration implies an increase in pressure drop, thus reducing the permeability through the channel. It is also observed that there is growth in the thickness of the bed with the increase of the concentration of injected particles.

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: A descoberta do pré-sal em águas profundas evidenciou um ambiente desafiador para a perfuração devido a demanda e restrição técnica fomentando o desenvolvimento de tecnologias. Com isso, falhas na adequação do fluido de perfuração, restrições ambientais e perda de circulação são exemplos da importância do fluido para a eficiência das operações bem como redução de custos operacionais. Nessa perspectiva, conhecer o comportamento da mistura fluido de perfuração e gás da formação é essencial em situações de influxo de gás da formação para o poço. Assim como o conhecimento do comportamento volumétrico permite melhor adequação do fluido a janela operacional colaborando com o controle de poço e ,por conseguinte, com a segurança operacional, uma vez que fluidos de perfuração base sintética são mais sensíveis a variação de pressão e temperatura do que fluidos de perfuração base água. De acordo com a literatura, a olefina linear apresenta menor toxicidade e maior biodegradabilidade se comparada a n-parafina e, portanto, atende aos novos requisitos apresentados pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA) o qual impôs restrições quanto ao descarte de fluido de perfuração base parafínica em operações marítimas. Nesse cenário, primeiramente foi estudado o efeito da pressão e temperatura no comportamento volumétrico da olefina linear pura no intervalo de 15oC a 55oC e pressões de até 96,63 MPa através de uma célula PVT com limite operacional de 15oC a 200oC e 103 MPa. Num segundo momento, ensaios PVT foram realizados para misturas de metano em olefina linear com fração molar de gás variando entre 30% a 50% num intervalo de 25oC a 80oC. Adicionalmente, os dados obtidos foram comparados com os obtidos experimentalmente para a n-parafina pura e na literatura para misturas de metano em n-parafina. Além disso, correlações matemáticas representativas dos dados experimentais foram obtidas para cálculo da massa específica, razão de solubilidade e fator de volume de formação do óleo. O estudo mostra que a mistura metano-olefina linear é mais sensível a mudanças de temperatura e pressão do que a mistura metano-n-parafina. A análise da razão de solubilidade indicou que o gás metano é menos solúvel na olefina do que na n-parafina e éste Abstract: The discoveries made in the pre-salt layer in deep water have evidenced a challenging environment for drilling operations because of the demand and technical restriction fomenting technological development. Therewith drilling fluids inadequacies, environmental restriction and lost circulation are examples of the drilling importance for the operational efficiency as for cost reduction. In this context, understanding the drilling fluid and gas formation mixture behavior is essential in situations of gas influx from the formation into the wellbore. Moreover, the volumetric behavior knowledge allows better drilling fluid adequacy to the operational window collaborating with well control, and consequently in the operational safety once the synthetic based drilling fluids are more sensitive to the pressure and temperature variations then water based drilling fluids. According to the literature, linear olefins show less toxicity and better biodegrability when compared to paraffins and esters, therefore they fit in with the new requirements presented by Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Renováveis (IBAMA) which restricted the disposal of cutting associated with paraffins in offshore operations. In view of it, firstly we study the pressure and temperature effect on the linear olefin volumetric behavior in the temperature range of 15ºC to 55ºC and pressure up to 96,63 MPa in a PVT cell with an operational limits of 15ºC to 200ºC and 103 MPa. Secondly, PVT tests were conducted for methane and linear olefin mixtures with a gas molar fraction of 30% to 50% in a range of 25ºC to 80ºC. Additionally, the data collected were compared to experimental data for n-paraffin and literature data for methane and n-paraffin mixtures. Furthermore, mathematical correlations representatives of the experimental data were conducted for the density, solubility ratio and oil formation volume factor. The present study showed that methane and linear olefins mixtures are more sensitive to temperature and pressure changes than methane and n-paraffin mixtures. The solubility ratio analyses inicated that methane gas is less soluble in olefin base than n-paraffin or ester bases Mestrado Explotação Mestra em Ciências e Engenharia de Petróleo PETROBRAS

Orientador: José Ricardo Pelaquim Mendes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Otimização em tempo real de parâmetros de perfuração é muito importante durante a operação de perfuração, e pode economizar tempo e custos da operação. Otimização de perfuração tem como objetivo otimizar os parâmetros controláveis, tais como peso na broca e a velocidade de rotação da broca, encontrando a combinação ótima destes dois parâmetros, o que leva a uma taxa de perfuração mais eficiente. Uma extensa revisão da literatura sobre otimização de perfuração foi realizada no início deste projeto, mencionando diferentes autores e obras que contribuíram para o desenvolvimento de otimização de perfuração. O modelo de taxa de penetração de acordo com o modelo de Bourgoyne e Young (Applied Drilling Engineering) foi escolhida para estudar os efeitos das diferentes variáveis que afetam a taxa de penetração, e o método do Zamora (Zamora, M. 1989) foi usada para estimar a pressão dos poros. Foram utilizados dados de perfuração iniciais para dois poços submarinos de petróleo no Brasil, que fornecendo todos os parâmetros importantes em um relatório detalhado. A análise de regressão linear múltipla, que é um método estatístico, foi usada para se estudar a relação entre os diferentes parâmetros de perfuração apresentados no modelo de Bourgoyne e Young. O modelo implementado utiliza os dados de uma secção do poço considerado para prever a taxa de penetração para a próxima secção. Os resultados da regressão foram utilizados para comparar as taxas medidas e previstas de penetração, que é um método vantajoso para evitar problemas que podem ser encontrados durante o processo de perfuração, porque as ações podem ser tomadas de modo correspondente no local quando as duas taxas de penetração têm tendências opostas. Finalmente, a análise de sensibilidade foi realizada para encontrar a combinação ideal de peso na broca e velocidade de rotação da broca para uma taxa melhor de penetração Abstract: Real-time optimization of drilling parameters is very important during drilling operation, and it can save time and cost of the operation. Drilling optimization aims to optimize controllable drilling parameters such as weight on bit and bit rotational speed by finding the optimum combination of these two parameters, which leads to a more efficient drilling rate. An extensive literature review on drilling optimization was conducted in the beginning of this project, mentioning different honourable authors and works who contributed to the drilling optimization development. Bourgoyne and Young rate of penetration model (Applied Drilling Engineering) has been selected to study the effects of the different variables affecting the rate of penetration, and Zamora¿s method (Zamora, M. 1989) was used to estimate the pore pressure. Initial drilling data for two subsea oil wells in Brazil were used, which contains all the important parameters in a detailed report. Multiple linear regression analysis, which is a statistical method, has been used to study the relationship between the different drilling parameters presented in Bourgoyne and Young model. The implemented model uses the data of a considered section of the well to predict the rate of penetration for the next section. The results of the regression were used to compare the measured and predicted rates of penetration, which is a beneficial method to prevent problems that may be encountered during the drilling process, since actions can be taken correspondingly on site whenever the two rates have opposite trends. Finally, sensitivity analysis was conducted to find the optimum combination of weight on bit and bit rotational speed for a better penetration rate performance Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: A segurança operacional durante a perfuração de um poço de hidrocarbonetos é essencial e a prevenção de um blowout é um tema muito importante na indústria do petróleo e gás natural. Sabendo-se que a detecção de um kick é feita através da observação do nível dos tanques de retorno e vazão de retorno do fluido de perfuração, a crescente utilização de fluidos de perfuração de base sintética requer um melhor entendimento da interação do gás da formação com a base sintética, considerando-se os aspectos de solubilidade envolvidos. Frente a este cenário, o desenvolvimento de simuladores numéricos que contemplem os aspectos termofluidodinâmicos do problema em pauta é importante para o apoio ao engenheiro de perfuração, durante as fases de projeto e execução de um poço. A utilização deste tipo de ferramenta computacional no treinamento e certificação de profissionais que atuam nesta área também tem sido amplamente motivada pela indústria e organizações certificadoras. Dentro deste contexto, um simulador transiente de controle de poço foi desenvolvido com uma modelagem baseada em diferenças finitas, considerando-se o deslizamento entre as fases e o comportamento dessas fases da mistura de fluidos (invasor e de perfuração). Os resultados do modelo numérico composicional foram comparados com dados experimentais de um poço escola (Taquipe, BA), apresentando boa concordância. Uma análise de sensibilidade de parâmetros foi realizada e aspectos referentes à solubilização e ressolubilização do gás no fluido de perfuração foram discutidos. Do ponto de vista prático, a previsão da ocorrência de gás no riser, em operações de perfuração marítima, decorrente da tarde detecção do influxo, requer a atenção da indústria no tocante às ações preventivas e corretivas no controle de poços marítimos perfurados com fluidos base sintética Abstract: The operational safety during an oil well drilling is essential and the blowout prevention is an important issue in the oil and gas industry. Knowing that the kick detection is made through the observation of the return tanks level and return flow of drilling fluid, the increasing usage of synthetic based drilling fluids requires a better understanding of the interaction between formation gas and synthetic base, considering the aspects of solubility involved. Facing this scenario, the development of numerical simulators to behold the thermo-fluid dynamics aspects of the problem at hand is important to support the drilling engineer for the project and execution phases of a well. The use of this type of computational tool in the training and certification of professionals who work in this area has also been widely motivated by industry and organizations certifiers. Within this context, a transient well control simulator was developed with a model based on the finite difference method, considering slippage between the phases and the behavior of these phases of the mixture of fluids (formation and drilling fluids). The results of numerical compositional model were compared with experimental data from a school well (Taquipe, BA), showing good agreement. A sensitivity analysis of parameters was performed and aspects related to the gas solubilization and ressolubilização into the drilling fluid were discussed. From a practical point of view, the forecast of occurrence of gas in the riser, in maritime drilling operations, due to late detection of the influx, requires the attention of industry with regard to preventive and corrective actions to control marine wells drilled with synthetic base fluids Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES 33003017

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O cenário das perfurações de poços de petróleo vem mudando ao longo do tempo. Tanto pela necessidade do suprimento da demanda crescente por petróleo e gás quanto pela queda na produção de campos maduros, a perfuração de poços tem se deparado com ambientes mais agressivos a cada dia: maiores temperaturas, maiores pressões, maior afastamento em relação à costa e ambientes quimicamente mais hostis. A presença considerável de dióxido de carbono - CO2 - nos reservatórios aponta para uma maior preocupação na perfuração de poços em tais formações uma vez que, se esse componente adentra ao poço numa situação de kick, sua interação com a lama de perfuração pode alterar características importantes desse fluido, tais como: densidade, viscosidade e acidez. Este trabalho tem por objetivo investigar o comportamento PVT de sistemas contendo CO2 e líquidos com composição similar aos fluidos de perfuração à base de óleo: n-parafina pura e emulsão inversa. Foram realizados um estudo experimental de tais sistemas, uma simulação computacional, uma análise estatística dos dados obtidos para esse sistema com o intuito de avaliar as melhores correlações matemáticas para representação dos dados experimentais e aplicações de tais correlações em exemplos de controle de poço. Os resultados experimentais mostram que a simulação consegue reproduzir bem os dados experimentais (desvios de até 16%), apenas subestimando-os em frações molares de CO2 mais elevadas. Comparando os dados para o CO2, obtidos neste trabalho, com dados para o metano, obtidos da literatura, observa-se que o sistema contendo CO2 apresenta, dentre outras características, maior fator de formação de volume e solubilidade até 15 vezes maior que o sistema contendo metano. Por fim, ao examinar os exemplos de controle de poço, percebe-se que quanto maior é o teor de CO2 no sistema, maior é o valor do pit gain, tornando a presença de CO2 no sistema favorável à detecção do kick Abstract: The scenario of oil and gas well drilling has been changing over the years. Not only because the need of supplying the increasing demand for petroleum and gas but also due to the decrease on the production of mature fields, well drilling has been constantly facing aggressive environments: higher temperatures, higher pressures, higher offshore distances and hazardous chemical environments. The presence of carbon dioxide - CO2 - on reservoirs leads to a concern on well drilling in these formations because the entrance of this gas into the well, in a kick situation, and its interaction with the drilling fluid can change important characteristics of this fluid such as: density, viscosity and acidity. This work aims to evaluate the PVT behavior of the systems containing CO2 and liquids similar to the ones used as base for oil-based drilling fluids: n-paraffin and inverse emulsion. An experimental study of these systems, a computational simulation, a statistical analysis of the data acquired aiming to evaluate the best mathematical correlations to represent these data and applications of these correlations were carried out. The experimental results show that the simulation can reproduce satisfactorily the experimental data (deviations up to 16%), only underestimating them at higher CO2 molar fractions. When comparing the data for CO2, obtained in this work, and the ones for methane, obtained from literature, it is possible to notice that the system containing CO2 has, among other characteristics, higher oil volume formation factor and solubility 15 times greater than the system containing methane. Finally, by examining well control examples, one can notice that the pit gain assumes higher values as the CO2 content increases making the presence of CO2 in the system favorable to kick detection Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-07-25Bitstream added on 2014-06-13T18:57:53Z : No. of bitstreams: 1 marques_ce_me_bauru.pdf: 1422589 bytes, checksum: bbbae557b8ae5bfeb1919a0a2eede667 (MD5) O propósito deste trabalho é o de obter modelos matemáticos que sirvam de referência, para que se possa efetuar os estudos relacionados aos efeitos não-lineares presentes no comportamento dinâmico envolvido na perfuração de petróleo, executada por navios perfuradores. As diversas modelagens matemáticas adotadas e abordadas neste trabalho, para esse tipo de problema, baseiam-se em sistemas pendulares invertidos e que possuem excitação harmônica ou excitação por meio de um EDS-Vibrador Eletrodinâmico (electrodynamics Shaker), na forma de um circuito RLC com uma fonte de tensão harmônica. A investigação do problema em questão, se fez por meio de simulações numérico-computacionais, fazendo-se uso do método Runge-Kutta de 4ª ordem para a integração numérica das equações de movimento dos sistemas, aproximando suas soluções. O controle aplicado nas possíveis irregularidades associadas ao movimento do sistema é do tipo retroalimentação de ajuste de energia de oscilação, proposto anteriormente por TERESHKO (2011) e daí adaptado ao modelo matemático, adotado The purpose of this paper is to obtain mathematical models that serve as a reference for the studies related to the nonlinear effects present in the dynamic behavior involved in oil drilling, performance by drill ships. The various mathematical models adopted and raised in this paper for this problem, were based on inverted pendulum systems and have harmonic excitation or through an EDS-electrodynamics vibrator (Electrodynamics Shaker) simplified ma form of an RLC circuit with a harmonic voltage source. The investigation of the problem in question was made by means of numerical and computational simulations, making use of the Runge-Kutta 4th order for the direct numerical integration of the equations of motion of systems approaching their solutions. The control applied on possible irregularities associated with the motion of the the system is the type of feedback adjustment oscillation energy, previously proposed by TERESHKO (2011) and then adapted to the mathematical model adopted

Mechanical vibrations are inevitable in drilling operations. Torsional stick-slip vibrations are vibrations that occur in drilling columns, which are produced by periodic variations of torque and characterized by large fluctuations in the speed of the drill bit. These vibrations are dangerous, primarily by the cyclical characteristic of the phenomenon that by the amplitude of the same, which can cause fatigue of the pipe, failures in the components of the drill string, deformations in the walls of the well, excessive wear of the drill, low rate of penetration, and collapse of the drilling process. The frequency of these unwanted oscillations can be reduced by the application of automatic control techniques. The objective of this study is to evaluate through numerical simulations, the application of conventional control techniques, such as proportional-integral control (PI), and nonlinear, as the sliding mode control (SMC) and the input-output linearization control (IOLC), to eliminate the presence of stick-slip oscillation in drilling columns. The controllers are designed primarily to maintain a constant speed of rotation system, by manipulating engine torque, thereby inferentially control the speed of the drill, thus providing optimum operation conditions, beyond preserving system stability. Results of simulations using drill string torsional models of two degrees of freedom (2-DOF) and four degrees of freedom (4-DOF) show the performance of the proposed control systems, which are analyzed and qualitatively compared. Vibrações mecânicas são inevitáveis nas operações de perfuração. Vibrações torcionais stick-slip são vibrações que ocorrem em colunas de perfuração, as quais são produzidas pelas variações periódicas de torque e caracterizadas por grandes oscilações da velocidade da broca. Estas vibrações são prejudiciais, mais pela característica cíclica do fenômeno que pela amplitude da mesma, podendo originar fadiga da tubulação, falhas nos componentes da coluna de perfuração, deformações nas paredes do poço, desgaste excessivo da broca, baixa taxa de penetração e, inclusive, colapso do processo de perfuração. A frequência destas oscilações indesejadas pode ser reduzida pela aplicação de técnicas de controle automático. O objetivo deste trabalho é avaliar, mediante simulações numéricas, a aplicação de técnicas de controle convencional, como o controle proporcional-integral (PI), e não linear, como o controle por modos deslizantes (SMC) e o controle por linearização entrada-saída (IOLC) para eliminar a presença de oscilações stick-slip em colunas de perfuração. Os controladores são desenvolvidos principalmente para manter constante a velocidade do sistema de rotação, mediante a manipulação do torque do motor, para assim controlar inferencialmente a velocidade da broca, fornecendo desta maneira condições ótimas de operação, além de preservar a estabilidade do sistema. Resultados das simulações, usando modelos torcionais de uma coluna de perfuração de dois graus de liberdade (2-DOF) e de quatro graus de liberdade (4-DOF), mostram o desempenho dos sistemas de controle propostos, os quais são analisados e comparados qualitativamente.

Orientador: José Ricardo Pelaquim Mendes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Neste trabalho discute-se os desafios associados à atividade de perfuração de poços de petróleo através de formações afetadas pela presença de domos salinos. Domos salinos podem induzir grandes tensões nas formações subjacentes e adjacentes, impondo a necessidade de um planejamento específico para a perfuração e manutenção de poços de petróleo. Durante a perfuração, em frente à zonda de sal, há relatos de problemas de aprisionamento de coluna, dissolução de sal no fluido de perfuração, ocasionando a formação de batentes mecânicos e cavernas. Há ainda, nas formações que rodeiam um domo salino, devido à alterações no campo de tensões, problemas de instabilidade nas paredes do poço aberto e formação de zonas anormalmente prossurizadas. Após o revestimento do poço, há casos de colapso do revestimento. Para prever e mitigar os riscos associados à essa atividade é de fundamental importância o entendimento dos fenômenos físicos que o ocasionam. Com essa finalidade, foi feito um estudo à respeito de tais mecanismo físicos como fluência e instabilidade hidrodinâmica, mais especificamente a instabilidade de Rayleigh-Taylor. Desenvolveu-se, a partir de tal estudo, um modelo analítico para prever o desenvolvimento de um domo salino e discutiu-se a forma como este pode interferir em parâmetros importantes para a atividade de perfuração como, por exemplo, o campo de tensões nas formações adjacentes às camadas de sal Abstract: In this present work are discussed the challenges associated with the drilling activities in oil wells through formations affected by the presence of salt domes. This geological structures can induce large stresses in the underlaying and adjacent formations, imposing the necessity of specific planning for drilling and maintenance of such oil wells. During drilling, facing the salt, there are reports of problems of stuck pipe, salt dissolution, forming mechanical stops and caves. There are still, in formations around a salt dome, due changes in the stress field, problems of well instability and abnormally pressure zones. After casing, there are cases of case collapse. To prevent and mitigate risks associated to this activity, is crucial understand the physical phenomena behind it. With such finality, was made an study related with such physical mechanisms, such hydrodynamic instability, specifically the Rayleigh-Taylor instability. Was developed, from this study, an analytical model to predict the salt dome development and was discussed the way such it can interfer in important paramenters related to the drilling activity as, for exemple, the tension field in the formation around the salt dome Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Celso Kazuyuki Morooka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Este trabalho apresenta a solução para o problema das empresas de petróleo em determinar os quantitativos ótimos de recursos materiais a serem adquiridos para a construção dos poços de petróleo num ambiente de risco, assegurando o cumprimento das metas plurianuais da empresa. Para isto foi necessário gerar vários cenários de demanda pelos materiais através da simulação estocástica do portfólio, pesquisar os mais variados modelos de inventário para entender o dinamismo existente no processo de levantamento de demanda dos materiais até o seu emprego nos poços, possibilitar representar estes fluxos matematicamente por uma função objetivo com termos de receita e de custos destoando dos processos usuais de tomada de decisão que consideram apenas os custos de aquisição; otimizar a função objetivo característica de cada cenário através do método dos algoritmos genéticos para permitir uma flexibilização no uso de modelos mais complexos de representação da demanda, e no final obter uma função multivariada conjunta construída com o auxílio do método das cópulas a qual o tomador de decisão fará o seu julgamento. O processo acima permitiu construir uma metodologia cuja robustez foi testada para um caso prático de definição do quantitativo ótimo de revestimentos de perfuração a ser adquirido para um portfólio de poços constituído por 596 poços marítimos brasileiros em atividades de perfuração, completação, e restauração, e 60 sondas de perfuração com trabalhos simultâneos, intervalo de planejamento de um ano e poços possuindo as mesmas características de projeto do pré-sal. A decisão sobre o quantitativo ideal conforme o risco da empresa foi conseguido facilmente analisando-se as curvas de nível da função multivariada conjunta, que para o caso prático do pré-sal e considerando confiança nos dados de 73%, o quantitativo de revestimento ótimo foi de 140.000 m, caso fosse analisado sem considerar os riscos o quantitativo seria de 145.000 m, indicando que o tomador de decisão tradicional foi conservador e tenderia encarecer o processo. Outra conclusão importante foi que os pontos ótimos situaram-se num intervalo de tempo anterior ao do final do planejamento indicando ter sido vantajoso admitir a falta do revestimento e não construir o poço a partir deste ponto, o que possibilitou também verificar o quão consistente foi o sequenciamento dos poços do portfólio Abstract: This thesis presents a solution for the problem of oil companies to determine the optimal quantity of material resources to be acquired for the construction of oil wells in a risky environment and assuring the company multiannual goals. In order to achieve that it was necessary to generate various scenarios of materials demand by stochastic simulation of the portfolio, researching the most varied inventory models to understand the existing dynamics in the process of raising materials demand up to their use in the wells, and make possible the representation of these flows mathematically by an objective function in terms of revenue and costs, diverging from the usual decision making processes that consider only the acquisition costs . The characteristic objective function of each scene was optimized by the genetic algorithms method to allow greater flexibility in the use of more complex models to represent the demand by the end of the process is obtained a joint multivariate function built with the aid of the method of copulas and whose decision maker will make their judgment. The above process allowed us to provide a methodology whose robustness has been tested for a practical case of defining the optimum quantity of drilling casings to be acquired for a wells portfolio, consisting of 596 wells in Brazilian offshore drilling, completion, and restore and 60 drilling rigs with simultaneous work, one year for range of planning and wells having the same design features of the sub-salt environment. The decision about the ideal amount considering the company's risk was easily accomplished by analyzing the joint multivariate function contour, to the studied practical case and considering 73% of confidence in the data, the optimum quantity was 140,000 m, if analyzed without considering the risks the quantity would be 145,000 m, indicating that the decision maker was traditionally conservative and would tend to become the process more expensive. Another important conclusion was that the optimal points were located in a time prior to the end of the plan, indicating it was advantageous to allow the lack of the casing and not to build the well from that point, it also allowed to check how consistent the wells portfolio scheduling was Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Durante o processo de perfuração de poços de óleo e gás, em geral a passagem e oscilações da broca de perfuração provoca a ovalização das paredes do poço. O presente trabalho apresenta um estudo analítico e numérico do escoamento de fluido viscoplástico tipo Herschel-Bulkley através de três configurações de tubos de seções transversais elípticas: tubo elíptico, elíptico anular concêntrico e excêntrico. O objetivo desse estudo é analisar o efeito dos parâmetros geométricos do tubo, cinemáticos do escoamento e reológicos do fluido na perda de carga. A modelagem matemática foi realizada com base nas equações de balanço de massa e de quantidade de movimento e uma equação constitutiva para o tensor tensão do fluido. Para a solução analítica são utilizados os métodos de transformação de coordenadas e da folga variável modelando o escoamento como entre placas paralelas. Para a solução numérica é empregado o método de volumes finitos. As simulações numéricas são realizadas com o programa comercial PHOENICS-CFD. Para validar os resultados, são realizadas comparações com a literatura. Para cada geometria investigada foram obtidos os parâmetros de interesse na engenharia como: perfil de velocidade, vazão volumétrica, perfil das tensões e expressão para o fator de atrito. Os resultados para o duto anular circular concêntrico e excêntrico são corretamente reproduzidos quando a seção anular elíptica tende para a razão de aspecto unitária. During the oil well drilling operations, the oscillations and the advancement of the drill makes the well takes an oval shape. This work presents an analytical and numerical study of the viscoplastic fluid flow of a Herschel-Bulkley fluid, through three types of elliptical cross sections ducts: elliptical, concentric and eccentric elliptical annulus. The objective is to analyze the effects of the pipe geometrical parameters, the kinematics of the flow and the fluid rheology over the pressure drop. The mathematical model was based on the mass and momentum balance equations and a constitutive equation expressing the stress tensor of the fluid. The analytical solutions employed were an analytical transformation of coordinates and other one based on in the slot flow model and the fluid flow was modeled as parallel plates in narrow annuli. For the numerical solution of the balance equations the finite volume method was used. The numerical simulations were carried out with PHOENICS-CFD. For validation of the results, comparisons with numerical and analytical results available in literature were done. Relevant engineering parameters were obtained, like velocity profiles, volumetric flow rate, shear stress profiles and an expression for the friction factor. The results for the concentric and eccentric circular annulus are adequately reproduced when the elliptical cross section tends towards unitary aspect ratio.

Orientador: Gabriel Alves da Costa Lima Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: O problema de estimativa de tempo para perfuração de poços de petróleo é um desafio importante para os tomadores de decisão porque envolve alocação de recursos físicos (sondas, equipes de operadores etc.) e custos. Por isso, o desenvolvimento de ferramentas que forneçam informações pode contribuir para a tomada de decisões no sentido de agregar valor. Neste trabalho desenvolve-se uma abordagem probabilística para realizar estimativas do tempo para perfuração de poços de petróleo utilizando-se o método de Monte Carlo. Esta consiste em modelar a sequência lógica de atividades (manobra, cimentação, perfuração etc.) que compõem a perfuração de um poço. Tal sequência é composta de atividades que devem ser realizadas consecutivamente e também de outras que podem ser executadas paralelamente. Depois, são inseridas informações na forma de distribuições de probabilidade que são usadas na modelagem da variável aleatória tempo para completar cada uma das operações da perfuração, as quais são selecionadas a partir de dados históricos de tempos de poços realizados em situações semelhantes. Ao empregar simulação de Monte Carlo juntamente com o modelo proposto pode-se obter uma estimativa da distribuição de probabilidade do tempo total para perfurar determinado poço. Desta forma, podem-se obter respostas a perguntas diversas, tais como: 1) Qual é o tempo médio (mais provável) de perfuração do poço?; 2) Qual a probabilidade de que o tempo real seja X% superior ao valor esperado?; 3) Qual a probabilidade de que ocorram atrasos nas duas últimas fases?; 4) Caso a duração das fases concluídas seja diferente do esperado, qual a probabilidade de que o tempo total de perfuração ainda se encontre dentro do planejado?; 5) etc. Adicionalmente, incorpora-se a abordagem dentro do ciclo do PDCA de forma a gerenciar as informações e os resultados, tornando o processo padronizado e de fácil utilização pelos profissionais da indústria de petróleo Abstract: The problem of estimation of the total time to drill wells in oil and gas industry can be considered as a challenge for decision-makers because it is associated with scarce resource allocation (rigs, labour, time etc.) and also restrictions in expenditures. Then, the development of a methodology that provides more information can contribute to the improve quality of decisions and add value to companies. In this dissertation the research is focused on probabilistic approach to forecast the total time to drill wells in oil and gas industry using Monte Carlo simulation. It is based on logical modeling of activities that must be carried out over time. Some of them are in series whereas others can be in parallel. After that, information about variability in time to complete each activity is modeled using probability distributions, which are selected from the use of statistical test applied to available historical data. By putting together Monte Carlo simulation and the proposed model, the analyst can estimate the probability distribution of the random variable total time of drilling. With this information, it is possible the answer to questions such as: (1) What is the expected time to drill a well?; (2) What is the probability that the real time is X% higher that of the original forecast?; (3) What is the probability that delays can occur in the time do complete some of the activities?; (4) In case of the time to complete initial activities is above the expected, what is the probability that the total will not be longer that originally forecasted?; (5) etc. Additionally, this methodology is run according to the PDCA model, which as a standard and familiar tool, in an attempt to make easier the management of information and results, make the entire process standard and easily employed by practitioners of the petroleum industry Mestrado Reservatórios e Gestão Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: Otto Luiz Alcântara Santos, Gabriel Alves da Silva Costa Lima Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: A construção de poços de petróleo requer uma estimativa de custos a mais precisa possível, visando-se manter uma adequada taxa de retorno para a explotação de uma jazida. Uma variável significativa na estimativa de custos é o tempo de cada uma das operações para a construção do poço. Geralmente, a estimativa de tempos em poços complexos é associada a cenários de incerteza e conhecimento parcial de parâmetros. Um poço complexo, cujos custos chegam a superar US$ 150.000.000,00, pode ser um poço multilateral em águas profundas, um poço exploratório em águas profundas, um poço de grande extensão, ou também pode ser um poço profundo vertical ou horizontal em ambiente de sal. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia que combina diferentes tipos de incertezas na previsão de tempo de perfuração em poços complexos e compara os resultados do enfoque probabilístico, largamente usado pela indústria, com uma abordagem híbrida, isto é, uma abordagem probabilística-possibilística, para o tratamento das incertezas na estimativa do tempo de perfuração, a partir de uma base de dados de campo marítimo em águas profundas. Primeiramente, são identificadas as variáveis críticas e as incertezas a elas associadas, que são classificadas como incertezas epistêmicas ou aleatórias. A seguir estas variáveis são representadas por meio de distribuição de probabilidade e distribuição de possibilidade, sendo ambas distribuições combinadas em apenas um resultado para representar a incerteza total do tempo para perfurar um poço complexo, que é uma distribuição de possibilidade. Este trabalho discute as limitações do uso da Teoria das Probabilidades para modelar as incertezas em poços complexos e apresenta uma metodologia para tratamento das incertezas nas estimativas de tempos operacionais de perfuração de poços, no qual co-existem amostras de dados em quantidade suficiente para a geração de distribuições de probabilidades e amostras em quantidades insuficientes, onde são geradas distribuições de possibilidades Abstract: The construction of oil wells requires a cost estimate as accurate as possible in order to maintain an adequate rate of return for the exploitation of a deposit. A significant variable in the cost estimate is the time of each operation for the construction of the well. Estimated time in complex wells generally is associated with scenarios of increased uncertainty and partial knowledge of parameters. A complex well, which costs may exceed US$ 150,000,000.00, can be a multilateral well in deep water, an exploratory well in deep water, an extend-reach well, or could also be a deep vertical/horizontal well in salt environment. Within this context, this work presents a methodology that combines different types of uncertainties, forecastes the drilling time in complex wells and compares the results of the probabilistic approach, widely used by the industry, with a hybrid approach, that is, a probabilistic-possibilistic approach, to estimate drilling time, based on an offshore deep waters database. First, it identifies the critical variables and uncertainties associated with them, which are classified as random or epistemic uncertainties. Then, these variables are represented by probability distribution and possibility distribution and both distributions are combined into a possibility distribution to represent the total uncertainty of the time to drill a complex well. This work discusses the limitations of the use of probability theory to model uncertainties in complex oilwells and presents a methodology to treat uncertainties in forecasting operational drilling time, where co-exist samples with sufficient data to generate probability distribution and samples with insufficient data to generated possibility distribution Doutorado Reservatórios e Gestão Doutor em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Celso Kazuyuki Morooka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias Resumo: A crescente complexidade dos ambientes explorados e o avanço tecnológico são elementos que caracterizam o dinâmico cenário da Indústria de Perfuração e que têm promovido uma mudança no perfil dos poços perfurados. Dentro desse contexto, o planejamento e elaboração de projetos mais eficientes são ferramentas a serem utilizadas para controlar custos e promover operações mais seguras. Um dos principais aspectos deste processo é o conhecimento da região explorada que pode ser obtido de duas formas: através da experiência de profissionais especialistas e de ferramentas de análise de dados. Nesse sentido, o trabalho desenvolvido propõe uma metodologia para analisar dados de perfuração, focando no estudo de anormalidades, com o objetivo de identificar elementos importantes a serem considerados em projeto a fim de garantir melhores operações. Para tanto, foi realizado um estudo sobre o tema Planejamento e Projeto de Poço, tendo sido feito também um levantamento dos principais conceitos relacionados com Análise de Dados e Problemas de Perfuração. Ao final do trabalho, é apresentado um estudo de caso utilizando dados de poços reais a fim de demonstrar uma aplicação da metodologia. Abstract: The increasing complexity of environments explored and the technology advance characterize a dynamic scenario of Drilling Industry, which has lead to changes in well profiles. Such aspects emphasize the importance of well planning in order to obtain more efficient operations in economical and safety terms. A key point of this process is the knowledge about the area explored, which can be obtained from two different ways: from experts experience and from data analysis tools. In this way, this study proposes a methodology to analyze drilling data and abnormalities with the aim to identify important project parameters that have influence on operational performance. The methodology was developed by performing a previous study about subjects like Well Planning, Well Project, Data Analysis and Drilling Problems. In order to verify its application, a case study using real drilling data was also performed at the end of this work. Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Intituto de Geociencias Resumo: O estudo da interação entre o gás da formação produtora e o fluido de perfuração durante as operações é essencial para perfuração de cada fase do poço de forma segura e econômica. Aspectos ambientais e técnicos peculiares à perfuração em águas profundas e ultra profundas exigem o uso de fluidos de perfuração sintéticos, de baixa toxicidade. O principal objetivo, deste trabalho foi o estudo do comportamento PVT desses fluidos através da determinação experimental e modelagem de propriedades termodínâmicas, tais como solubilidade, densidade e fator volume de formação dos fluidos. Estas propriedades têm um impacto importante na detecção e circulação de um kick e devem ser consideradas no planejamento e execução do controle do poço. Os resultados experimentais foram obtidos em uma célula PVT pressurizada por injeção de mercúrio e com um limite operacional de 177°C e 70 MPa. O gás utilizado foi o metano e os líquidos foram emulsões e fluidos não adensados à base de n-parafina, testados a 70°C, 90 °C e 150°C. Os efeitos da temperatura e da composição do fluido foram analisados e os resultados experimentais para solubilidade e fator volume de formação foram comparados com predições baseadas na hipótese da aditividade e ajustes matemáticos nos resultados experimentais. Alguns exemplos de cálculo do volume ganho no tanque usando as expressões analíticas obtidas são discutidos. Abstract: The study of the interaction between the formation gas and the drilling fluid during the operations is essential to safely and economically drill each phase of the well. The environmental regulatory issues and the peculiar technical aspects involved in deep and ultradeep waters require low toxicity' synthetic drilling fluids. The main objective ofthis study was to understand the PVT behavior of those fluids by the experimental determination and modeling of thermody'pamic properties such as: solubility, specific gravity and formation volume factor of the fluids. Those properties have a direct impact on kick detection and circulation out of the well, what sb.ould be addressed in wellcontrol planning and execution. The experimental data were obtained by means of a PVT cell pressurized by mercury injection with an operating capacity of 177 °C and 70 MPa. The gas used was methane and the liquids were n-paraffin based emulsions and unweighted drilling fluids, tested at 70 °C, 90 °C and 150 °c. The temperature and fluid composition influences had been analyzed and the experimental data for solubility and formation volume factor have been compared with predictions considering the additivity hypothesis and mathematical fittings based in the experimental data. Some pit gain calculation examples using the analytical expressions obtained are also discussed. Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo