[pt] As atividades de perfuração e completação de poços de petróleo são as que mais demandam tempo e dinheiro entre os mais variados processos que compõem os sistemas de exploração e produção de óleo e gás. Por isso, qualquer avanço nessa área poderia representar valores bastante expressivos em uma indústria de bilhões e com investimentos cada vez maiores. Partindo desse princípio, há uma linha de pesquisa, iniciada em 1997 pelo Gas Technology Institute, que estuda a aplicação de lasers de alta potência nos processos de construção de poços. Desde então, vários experimentos que destacaram as potenciais vantagens do laser em relação aos sistemas convencionais foram realizados. Tomando como base essa premissa, o objetivo desta dissertação é aprofundar os estudos acerca da interação entre laser e rocha. Existe um interesse especial deste trabalho relacionado ao pré-sal brasileiro, por isso a maioria dos experimentos foi feita com a utilização de rochas carbonáticas. Assim, foram realizadas análises de eficiência por meio dos conceitos de energia específica. Além disso, abordou-se a perfuração também de forma dinâmica, baseado em estudos de energia específica de corte. Essa consideração foi feita com o intuito de se alcançar maiores diâmetros comparados às pequenas dimensões geradas pelo feixe do laser em processos estáticos. A ideia é fornecer maiores informações resultantes desses processos e contribuir para que seja estudada a viabilidade no desenvolvimento de futuras ferramentas a laser. / [en] Within the petroleum exploration and production process, well drilling and completion are the activities that require a greater investment of both time and money. Because of this, any evolution in this area could represent significant values within this billion dollar industry which has continuously growing investments. Thus, the Gas Technology Institute started a line of research in 1997, which studies the high power laser application in the well construction process. Since this study, many experiments have been realized, which have highlighted the laser potential advantages compared to the conventional systems. Accordingly, the intention of this work is to further these studies of the interaction between laser and rock. There is a special interest in Brazilian pre-salt and because of this, most experiments were conducted using carbonate rocks. Therefore, efficiency analysis was made based on the specific energy concept. In addition to this, drilling was also approached as a dynamic process using the specific kerfing energy study. This consideration was made with the objective of achieving higher diameters compared to the small dimensions that are created by the laser beam in static process. These experiments have been conducted with the intention of generating and contributing even more information, thus, we can better study the development feasibility of future laser tools.

De nombreuses pièces aéronautiques telles que les chambres de combustion sont percées d'une multitudes de trous de refroidissement. Ce perçage, généralement effectué par un laser de puissance peut induire des endommagements dans la matière percée. Sur les systèmes barrières thermiques, une fissuration pouvant conduire à l'écaillage de la barrière thermique se produit à l'interface céramique/sous-couche lors du perçage laser. Cette thèse présente des éléments de compréhension des phénomènes de formation et de propagation de la fissure interfaciale. Pour cela, un protocole spécifique a été utilisé, consistant en la réalisation de perçage interrompus. De plus, afin de comprendre l'influence de la sous-couche et de l'interface sous-couche / céramique sur cette fissuration, une large gamme d'échantillons aux propriétés morphologiques et mécaniques bien distincts ont été sélectionnés. Pour cela, la sous-couche a été modifiée par la variation des paramètres de projection, du procédé de projection ainsi que par des post traitements sur la sous-couche. Le lien entre ces interfaces et les endommagements liés au perçage laser sont présentés au travers d'observations 2D et 3D, destructives et non destructives ainsi que par l'étude des modifications des contraintes résiduelles avant et après perçage laser pour différentes barrières thermiques. De manière a réduire encore la fissure interfaciale, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via la variation de la puissance laser entre les différentes impulsions laser nécessaires pour percer le matériau multicouches. Les résultats obtenus offrent des perspectives intéressantes pour améliorer la résistance à la fissuration des pièces aéronautiques. / Many aircraft engines parts such as combustion chambers are drilled with numerous cooling holes. These holes, generally performed by a high power laser machine can induce damages in the part materials. On thermal barrier coatings systems, cracking can lead to spalling of the coating occurs at the ceramic / bond-coat layer interface during laser drilling. This thesis presents elements of understanding of the interfacial crack formation end propagation phenomena. In this purpose, a specific protocol was used, consisting of interrupted drilling process. Moreover, in order to understand the influence of the bond coat and the ceramic / bond coat interface on cracking, a wide range of samples with specific morphological and mechanical properties were selected. With this in mind, the bond coat was modified by varying spraying parameters, spraying process and also by post treatments on the bond coat. The link between these interfaces and the associated damages due to laser drilling are presented through 2D and 3D observations, destructive and non-destructive, as well as the study of residual stress modification before and after laser drilling for several thermal barrier coatings systems. For further reducing the interfacial crack, several drilling strategies are considered through the laser peak power variation between the different laser pulses needed to drill through the multi-layer material. The results offer interesting perspectives for improving crack resistance of aeronautical engines parts.

[pt] Atualmente, os lasers de alta potência estão sendo testados pela indústria de petróleo como ferramentas de perfuração. Isto ocorre visando dois objetivos fundamentais: (i) aumentar a eficiência na perfuração de poços (maior taxa de penetração) e (ii) melhorar o controle da geometria do corte de revestimento no processo de canhoneio de poço. Este trabalho tem como objetivo contribuir para a tecnologia de canhoneio a laser em rochas carbonáticas através do desenvolvimento de técnicas para aumentar o volume de rocha removida por unidade de tempo. Estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas quando um laser é utilizado como ferramenta de perfuração no processo de canhoneio. Este conhecimento, obtido através de experimentos e simulações, forneceu dados para a otimização dos parâmetros de perfuração. Foram investigadas as condições de perfuração estática (não há movimentação do feixe do laser) e dinâmica (o feixe do laser percorre uma trajetória espiral). Além disso, foram investigados os resultados da perfuração sob pressão atmosférica e também utilizando uma câmara de pressão projetada para emular a pressão confinante do reservatório. Foram realizados testes experimentais de perfuração a laser com corpos de prova feitos a partir da rocha Bege Bahia. O Bege Bahia é um afloramento utilizado para simular as rochas encontradas nos reservatórios do Pré-sal. A análise destes corpos de prova foi feita através de inspeção e da caracterização por microtomografia, permitindo observar e caracterizar as propriedades da rocha, além da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Estes resultados foram comparados com resultados obtidos através de simulações. Na modelagem numérica, o processo de canhoneio foi simulado pelo método de elementos finitos através de um modelo termomecânico elástico transiente axissimétrico que verificou as condições de perfuração. O modelo numérico permitiu observar o comportamento das tensões e temperaturas nos testes que envolvem altas temperaturas e altas pressões. Estas grandezas são usualmente difíceis de serem medidas em ensaios experimentais e, portanto, não foram observadas nos ensaios experimentais discutidos nesta tese. Também foram obtidos através da modelagem numérica valores para propriedades da rocha e da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados dos ensaios experimentais. Os resultados obtidos mostraram que a condição de perfuração dinâmica consegue remover uma quantidade maior de material e produzir uma ZTA maior em Comparação com o teste estático, gerando uma melhor relação tempo x potência. Os testes estáticos e dinâmicos permitiram se chegar às condições de canhoneio mais eficientes para a perfuração da rocha. A análise de tensões do modelo mostrou uma correlação compatível com o perfil do dano encontrado nos ensaios experimentais. / [en] Currently, the petroleum industry is testing high power lasers as drilling tools. The use of these lasers for this application has two main reasons: (i) to increase the efficiency of well drilling (higher penetration rate) and (ii) to improve the control of the geometry of the hole in the casing during the perforation process of the well. The present thesis has the purpose of contributing to the laser perforation technology in carbonate rocks by developing techniques to increase the volume of rock removed by unit of time. The thermo-mechanical behavior of the carbonate rocks was studied when a laser is used as the drilling tool in the perforation process. This knowledge, obtained through experiments and simulations, supplied data for the optimization of the drilling parameters. Both static (the laser beam does not move) and dynamic (the laser beam moves in a spiral trajectory) drilling conditions were investigated. Also investigated were drilling conditions under atmospheric pressure and under high pressure, where a pressure chamber designed to emulate pressure conditions of reservoirs was used. Experimental tests were performed by laser drilling samples made of Bege Bahia rock. This rock is used to simulate rocks found in pre-salt reservoirs. The analysis of these samples was performed through inspection and microtomography characterization, allowing the observation of properties of the rocks and of the heat affected zone (HAZ), geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. These results were compared to the results obtained by simulations. In the numerical modeling, the perforation process was simulated with the finite element method through a transient axisymmetric thermo-mechanical elastic model that verified the drilling conditions. The numerical model allowed the observation of the behavior of the tensions and temperatures in tests involving high temperatures and pressures. These properties are usually difficult to measure in experimental tests and, therefore, were not measured during the experimental tests discussed in this thesis. Also obtained by numeric modeling were: properties of the rock and of the HAZ, geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. The numeric results obtained were compared to the experimental results. The results obtained showed that the dynamic drilling condition is able to remove a larger amount of material and produce a larger HAZ, compared to the static condition, thus generating a better time x power relation. The static and dynamic tests allowed reaching more efficient conditions for rock drilling. The analysis of the tension of the model showed a compatible correlation with the damage profile found in the experimental tests.

[pt] Neste estudo é apresentada a análise da interação da luz laser de alta potência com rochas nos processos de perfuração por fragmentação térmica. O objetivo principal do trabalho é estabelecer, através de um estudo experimental, a possibilidade de utilizar a tecnologia a laser na perfuração de rochas duras, tais como o granito, quartzo, entre outros. Sua motivação encontra-se na aplicação de novas tecnologias para desenvolver ferramentas que melhorem a eficiência no processo de perfuração de poços (maior taxa de penetração), e conseguir retirar a maior quantidade de material fragilizado pela irradiação do laser. Para isto, foi necessário fazer uma montagem opto–mecânica envolvendo um sistema de limpeza que ajudasse a remover o material fragilizado pela ação do laser, usando-se gás de nitrogênio a alta pressão. Foram analisados diferentes intervalos de tempo de exposição da radiação do laser nas rochas, para avaliar a taxa de volume retirado, e a quantidade de energia específica requerida para perfurar diferentes materiais, em função da potência e do tempo de irradiação do laser. Seguindo a revisão bibliográfica na seleção do material, foram escolhidos três tipos de materiais (granito branco, granito cinza e travertino) conhecidos comercialmente no Brasil e que têm similitude (na composição química) com as rochas encontradas nas formações do Pré-sal. A partir desta seleção, foi indispensável conhecer a composição química dos materiais através de fluorescência, raios X, e Microscopia de Varredura (MEV). Além disso, estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas através de análises térmicas (Termogravimetria e Análise Térmico Diferencial), para identificar e compreender os fenômenos envolvidos no processo de perfuração. Os resultados obtidos são analisados para parametrizar as variáveis em consideração, melhorando as condições do processo de perfuração por fragmentação térmica, dependendo do material estudado. / [en] This study presents the analysis of the interaction of high power laser light with rocks in thermal fragmentation drilling processes. The main objective of the work is to establish, through an experimental study, the possibility of using laser technology in the drilling of hard rocks, such as granite, quartz and others. The motivation is the application of new technologies to develop tools that improve the efficiency in the well drilling process (higher penetration rate), and to be able to remove the largest amount of material weakened by laser irradiation. For this, it was necessary to make an opto-mechanical assembly involving a cleaning system that would help to remove the material weakened by the action of the laser, using nitrogen gas at high pressure. Different exposure time intervals of laser radiation in the rocks were analyzed to evaluate the volume rate removed and the amount of specific energy required to drill different materials, depending on the power and irradiation time of the laser. Following the literature review in selecting the material, three types of materials (white granite, gray granite and travertine) known commercially in Brazil and that are similar (in chemical composition) to the rocks found in the pre-salt formations were chosen. From this selection, it was essential to know the chemical composition of the materials through fluorescence, X-rays, and Scanning Microscopy (SEM). In addition, the thermomechanical behavior of the carbonate rocks wasstudied through thermal analysis (Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis) to identify and understand the phenomena involved in the drilling process. The results obtained are analyzed to parameterize the variables under consideration, improving the conditions of the drilling process by thermal fragmentation, depending on the material studied.

[pt] Um dos maiores desafios na perfuração das rochas carbonáticas, situadas a grandes profundidades, é superar as baixas taxas de penetração que vem sendo obtidas na perfuração de poços verticais e direcionais. Para vencer este desafio, um grande esforço vem sendo desenvolvido em várias linhas de pesquisa, tanto no desenvolvimento de novos conceitos de brocas como na seleção de um sistema de perfuração que apresente um melhor desempenho. Para atingir este objetivo, estão sendo priorizados procedimentos e sistemas de perfuração que apresentem menores níveis de vibração, pois este fenômeno além de reduzir a eficiência da perfuração, também compromete o tempo de vida útil dos equipamentos e, por consequência, acarreta a redução da confiabilidade do sistema e eleva o custo por metro da perfuração. Por conseguinte, novas tecnologias de brocas e sistemas de perfuração estão em desenvolvimento e, dentre as novas tecnologias, podemos diferenciar aquelas que promovem melhorias nas tecnologias convencionais e as tecnologias francamente inovadoras, aquelas que utilizam novos mecanismos para cortar ou fragilizar a rocha. Dentre as tecnologias inovadoras, a perfuração assistida por laser é uma das mais promissoras, nesta versão o feixe da energia radiante tem a função principal de fragilizar a rocha, facilitando o avanço da perfuração. Esta dissertação tem por objetivo realizar uma avaliação das possibilidades de aplicação da tecnologia laser na perfuração de rochas. O meio através do qual o laser deverá atuar nas aplicações futuras é analisado sobre o enfoque das suas propriedades físico-químicas. Dessa forma, o conhecimento da interação com o fluido de perfuração é o ponto de partida para a análise de viabilidade. Inicialmente, análises de absorção ótica foram realizadas em alguns tipos de fluido utilizados na indústria do petróleo e, na sequência, foram realizados testes de bancada com um dispositivo eletro-mecânico, especialmente desenvolvido, para servir de base para o laser, com potência máxima de 1500 W, direcionado sobre amostras de rochas carbonáticas. A análise de absorção ótica tem por objetivo compreender melhor o processo de interação do laser com o fluido de perfuração. Os testes de absorção ótica foram realizados para avaliar a absorção da luz, na faixa de comprimento de onda entre 800 nm até 1200 nm. A partir destas informações foi dado o primeiro passo no conhecimento da interação com o fluido de perfuração. Na seqüência da abordagem, um resumo, em nível de pesquisa bibliográfica é apresentado com os estudos, análises e testes de bancada já realizados por vários pesquisadores para verificar o estágio de desenvolvimento desta tecnologia inovadora. A partir deste conhecimento, será possível fazer uma inferência sobre as reais possibilidades desta tecnologia e iniciar um levantamento preliminar sobre os pontos considerados críticos para a sua aplicação, no cenário de perfuração de um poço de petróleo. O cenário de perfuração, como se sabe, é um ambiente agressivo, sujeito a altas vibrações, temperaturas e pressões elevadas. Para concluir, serão apresentados os resultados obtidos em teste de bancada com dispositivo especificamente construído para a fundamentação das conclusões da dissertação. Dentre os aspectos mais relevantes, podemos mencionar: a determinação da durabilidade do sistema, considerando a resistência da lente de focalização ao aquecimento provocado pelo laser e, também, uma avaliação da eficiência do processo sob o ponto de vista do valor obtido para a energia específica. Em resumo, o objetivo final dessa dissertação é o de concentrar em um documento as informações mais atualizadas sobre a utilização do laser na perfuração de rochas e apresentar uma análise, ainda que preliminar, sobre os possíveis pontos de melhoria que permitam viabilizar esta tecnologia no futuro. / [en] One of the biggest challenges in drilling the carbonate rocks located at great depths is to overcome low penetration drilling rates that have been obtained in vertical and directional wells. To overcome this challenge, a great effort is being developed on multiple lines of research. All of them are focused in new concepts of drilling procedures and the selection of a drilling system that presents a better performance. To achieve this goal, new procedures are being designed and drilling systems with lower vibration levels are under development. Vibration reduces the efficiency of drilling, also decreases the lifetime of equipment and consequently causes a reduction in reliability of all system and raises the drilling costs. Consequently, new drill bit technologies and drilling systems are being developed and, among the new technologies we can differentiate those that only promote improvements in conventional technologies and those innovative technologies, in which new mechanisms to cut or weaken the rock are used. The drilling assisted laser is one of the most promising mechanism in which the radiant energy beam has the primary function to weaken the rock increasing the performance of drilling process. This dissertation aims to perform an assessment of the possibilities of laser technology in rock drilling applications. The laser will have to pass through the drilling fluid in the future applications so it is very important to understand their physicochemical properties and their mutual interaction. For this reason, the knowledge of the interaction with the drilling fluid is the starting point for this work. First of all, it will be accomplished an analysis of optical absorption in some types of fluid used in the oil industry. After that, it will be performed bench testing with an electro-mechanical device that will support a laser whose maximum power can reach 1500 W and it will be pointed to carbonate rock samples. The optical absorption analysis aims to better understand the interaction of the laser with the drilling fluid. The optical absorption tests are performed to evaluate the absorption of light in the wavelength range from 800 nm to 1200 nm. From this information, it will be taken the first step to understand the interaction with the drilling fluid, which is the starting point for the feasibility study of the use of lasers. Following the approach, a literature review will be presented with the studies, analysis and bench testing already conducted by various researchers to check the stage of development of this new technology. Taking into account this knowledge, it will be possible to make an initial approach about the actual possibilities of this technology and initiate a preliminary survey on the questions that are critical to its application in a drilling scenario in the well construction, an aggressive environment which is subject to high vibrations, high temperatures and pressures. To conclude, we present the results obtained in bench testing with device specifically built for supporting the conclusions of the dissertation. Among the most relevant aspects, we can mention the durability of the system, considering the focusing lens lifetime under the heating effects caused by the laser. Another point, it is to make an evaluation of the performance of drilling process, considering the specific energy. In summary, the ultimate goal of this dissertation is to concentrate in a single document the most current information about the use of laser drilling and present an analysis, though preliminary, about the possible improvement points that will allow the feasibility of this technology in the future.