[pt] A presença de estruturas salinas ao redor do mundo em águas profundas do golfo do México, do Brasil, de Angola, do norte e do oeste da África forma condições favoráveis para o aprisionamento dos hidrocarbonetos e aumenta a probabilidade de sucesso na prospecção de óleo e gás. Na Bacia de Santos, por exemplo, foram divulgadas recentemente novas descobertas de óleo abaixo de uma espessa camada salina. Por outro lado, muitos problemas operacionais, como o aprisionamento de coluna de perfuração e o colapso do poço, têm sido registrados pela indústria do petróleo quando se está perfurando através de espessas camadas de sal. Estes contratempos criam grandes desafios e geram oportunidade de evolução da Indústria do Petróleo. Desta forma, esta dissertação propõe um estudo do comportamento mecânico do sal em poços de petróleo. Analisaram-se os deslocamentos, deformações e tensões na parede do poço e em sua vizinhança para diversos pesos de fluido de perfuração com a utilização do método dos elementos finit os. Foram realizadas modelagens computacionais mediante o uso de um programa comercial de elementos finitos: o Abaqus. Através de análises de deformação plana e análises axissimétricas, estas simulações numéricas puderam prever o comportamento elástico e, principalmente, o de fluência (creep) do sal. Sendo assim, como contribuição técnica, este estudo auxilia o controle e o monitoramento do fechamento de poços de petróleo em estratos salinos, evitando deste modo, diversos problemas causados pelo comportamento de fluência do sal, como o colapso do poço. Com isso, é fundamental a inclusão das análises das seções salinas nos projetos de perfuração de poços de petróleo. No que diz respeito ao quesito econômico, a principal contribuição deste trabalho é a redução do tempo de intervenções do poço provocadas por problemas ocorridos em camadas de sal e, conseqüentemente, a redução do tempo necessário para perfuração do poço e a diminuição do tempo de aluguel da sonda. / [en] The presence of saline structures around the world, in deepwater like the ones of the Mexican Gulf, Brazil, Angola, North and West Africa, provides favorable conditions for hydrocarbons imprisonment. It increases the probability of success in oil and gas exploration. In the Santos Basin, for example, it was recently noticed that a light crude oil located below a thick salt layer was discovered. On the other hand many operational problems in salt drilling like the imprisonment of the drillstring and closing of the well have been registered in the industry. These types of problems create big challenges in the oil industry and at the same time opportunities for the evolution of the drilling technology. This work proposes the study of the mechanical behavior of salt in oil wells. Dislocations, strains and stresses were analyzed in the face of the wellbore and into the salt formation by finite element analysis. Several finite element analyses were developed to represent the possible scenarios in salt drilling using a program denominated Abaqus. These numerical simulations were analyzed through plane strain and axisymmetric techniques, could predict elastic and specially creep behavior. As a technical contribution, this study helps to avoid wellbore closure and casing collapse of salt sections, adding to the wellbore and drilling project an accurate salt section analysis and preventing workover operations due to salt mass deformation. Finally the economical contribution of this study is the reduction of workover time and of expenses in salt sections drilling. By reducing workover time, there is a notorious decrease in rig time use.

[pt] Nesta tese são estudadas as vibrações não-lineares de membranas circulares inicialmente tracionadas sujeitas a deformações finitas. O material da membrana é modelado como um material hiperelástico neo-Hookeano, isotrópico e incompressível. Baseada na teoria de deformações finitas para membranas hiperelásticas, uma formulação variacional é desenvolvida. Primeiro a solução da membrana sob tração radial uniforme é obtida e então as equações de movimento da membrana são obtidas pelo princípio de Hamilton. A partir das equações linearizadas, as freqüências e os modos de vibração da membrana são obtidos analiticamente. Os modos naturais são usados para aproximar o campo de deformações não-linear usando o método de Galerkin e modelos de ordem reduzida são deduzidos através do método de Karhunen-Loève e de métodos analíticos. Além disso, estuda-se a influência da variação da massa específica e da espessura ao longo da direção radial da membrana nas vibrações. A seguir a mesma metodologia é utilizada para uma membrana anular. Por fim, estudam-se as vibrações não-lineares da membrana anular acoplada a uma inclusão rígida que insere tensões de tração na membrana, pois, devido ao seu peso próprio, provoca deslocamentos estáticos transversais e axissimétricos na membrana. Os mesmos problemas são analisados por elementos finitos utilizando o programa comercial Abaqus. / [en] This work presents an analysis of the nonlinear vibration response of a prestretched hyperelastic circular membrane subjected to finite deformations. The membrane material is assumed to be isotropic, homogeneous and neo-Hookean. Based on the theory of finite deformations for hyperelastic membranes, a variational formulation is developed. First the exact solution of the membrane under a uniform radial stretch is obtained and then the equations of motion of the pre-stretched membrane are derived using the Hamilton’s principle. From the linearized equations of motion, the natural frequencies and mode shapes of the membrane are obtained analytically. Then the natural modes are used to approximate the nonlinear deformation field using the Galerkin method. Several reduced order models are tested using the Karhunen-Loève method and analytical methods. Besides, the influence of the variation of the membrane thickness and material density along the radial direction of the membrane on the vibrations is investigated. The same methodology it is used for the annular membrane. Finally, the non-linear vibrations of the annular membrane coupled to a rigid inclusion are studied. The rigid inclusion inserts traction forces in the membrane and its own weight causes static transverse and radial displacements in the membrane. The same problems are analyzed by finite elements using the commercial program Abaqus®.

[pt] Existem muitas formações no mundo hoje que armazenam uma quantidade significante de petróleo, sendo um grande valor para a indústria petroleira. As bacias de Pré-sal da costa do Brasil atualmente estão em grande foco devido aos descobrimentos recentes de petróleo e os desafios que eles criam na perfuração. Ao contrário de muitas formações, a rocha salina exibe fluência, uma vez que, a perfuração seja realizada a rocha começa se realiviar das tensões geostáticas por fechamento com o tempo. A profundidade e os altos níveis de tensões induzidas pelo sal no revestimento requerem a cimentação para fornecer estabilidade adicional. Mesmo assim, um defeito no cimento complica a análise para os engenheiros a modelar e predizer seu comportamento. Um revestimento bem cimentado não é sempre alcançado em águas profundas. A geometria e o tamanho têm uma grande influência nas tensões no defeito do cimento. A ovalização do revestimento pode reduzir as tensões máximas de compressão induzidas pelo sal dependendo da geometria do defeito. Excentricidade reduz os efeitos da ovalização enquanto muda o estado de tensões do cimento. Portanto, é importante que o cimento e o sal sejam entendidos inteiramente a fim de realizar decisões racionais em engenharia. O foco desta pesquisa é atingir um conhecimento mais profundo de poços de offshore mal cimentados sujeitos ao carregamento não uniforme. Um modelo de elementos finitos foi gerado pelo software Abaqus para implementar simulações e análise de vários cenários de falhas no cimento. / [en] There exist several salt rock formations in the world today which store a substantial amount of oil, being a great asset to the petroleum industry. The pre-salt basins off the coast of Brazil have been a primary focus due to the challenges they provide in oil drilling. Unlike most formations, salt rock exhibits creep behavior where, once the drilling has been performed, the rock begins to relieve itself from the applied stress by closing gradually with time. This may lead to cases of well collapse and well abandonment, creating an economical issue to oil drillers. Well cementing is always seeked to be performed with excellence, caution and thoroughness. Nevertheless, an unevenly distributed cement job complicates the analysis for engineers to model and predict its behavior. A well-cemented casing is not always achieved in deepwater wells. Geometry and size greatly influence the stresses on the defected area. Hence, it is important that the cement and salt formation be fully understood in order to make rational engineering decisions. The focus of this research study is to attain a deeper understanding of poorly-cemented offshore wells subjected to non-uniform salt loading. A finite element model was generated by the commercial software program Abaqus to implement simulations and analyses of various failure scenarios.

[pt] A construção de poços através de formações salinas continua sendo um grande desafio na engenharia de perfuração em muitas províncias petrolíferas ao redor do mundo, notadamente offshore no Brasil, devido às suas propriedades mecânicas únicas, em particular, sua alta mobilidade de fluência sob condições de fundo de poço. Inicialmente, é necessário controlar o fechamento do poço durante a perfuração para permitir a instalação do revestimento. Mais tarde, o carregamento do revestimento nas seções cimentadas e não cimentadas é motivo de preocupação para evitar problemas de integridade do poço a longo prazo. No entanto, ocontato do sal com o revestimento pode fornecer uma barreira natural necessária e economicamente benéfica. Este trabalho consiste em extratos do projeto de pesquisa Avaliação do potencial de formações argilosas e evaporíticas atuarem como barreira externa ao revestimento para o abandono de poços, realizado pelo Grupo de Tecnologia e Engenharia de Petróleo (GTEP) da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brasil. O objetivo deste trabalho é modelar o fechamento de um poço em sal ao longo de zonas de revestimento não cimentadas considerando anular aberto. Para isso, foi desenvolvida uma metodologia computacional, utilizando o código comercial de elementos finitos ABAQUS. Na primeira etapa, a fim de validar o protocolo de simulação, apresenta-se a reprodução de estudos sobre a formação de barreiras naturais em sal, reportados na literatura, considerando os modos de pequena e grande deformação do ABAQUS. A comparação entre os resultados obtidos demonstra uma diferença de tempo para o fechamento anular variando de alguns meses a alguns anos, dependendo da profundidade e do tipo de sal. Discussões sobre aspectos específicos da simulação de fluência em rochas salinas também são feitas nesta etapa. Na segunda etapa, é apresentada uma análise para estimar o tempo de fechamento do poço em condições de campo representativas das bacias brasileiras, acoplando os ajustes realizados na etapa anterior. O comportamento constitutivo do sal utilizado para simular a fluência em regime permanente foi o modelo de mecanismo duplo e os parâmetros são representativos do cenário offshore brasileiro. Como resultado, observa-se o potencial de formação de barreiras naturais em camadas salinas para operações de tampão permanente e abandono. Em ambas as simulações, o fechamento anular é feito utilizando modelos 2D de estado plano de deformação e axissimétrico, representando a seção transversal e longitudinal, respectivamente. As etapas de simulação são divididas em campo de tensão de equilíbrio inicial (geostática) seguido de perfuração e fluência simulada como um material viscoelástico. / [en] Wellbore construction through salt formation remains a great challenge in drilling engineering in many oil provinces around the world, notably offshore Brazil, due to its unique mechanical properties, in particular, its high creep mobility under downhole conditions. Initially, it is necessary to control wellbore closure during drilling in order to allow casing installation. Later, the loading of the casing in both the cemented and uncemented sections is cause of concerns to prevent issues of long-term wellbore integrity. However, the contact between the salt and the casing can provide a necessary and economically beneficial natural barrier. This work consists of extracts of the research project Evaluation of the potential of clayey and evaporitic formations to act as an external barrier to the casing for the abandonment of wells, carried out by the Group of Technology and Petroleum Engineering (GTEP) at the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro, Brazil. The aim of this work is to model wellbore closure in salt throughout uncemented casing zones considering open annular. For this, a computational methodology was developed, using the commercial finite element code ABAQUS. As the first stage of the study, in order to validate the simulation protocol, the reproduction of studies about the formation of natural barriers in salt, reported in the literature, is presented, considering the small and large deformation modes of the ABAQUS. The comparison between the results obtained demonstrates a time difference for annular closure ranging from a few months to a few years, depending of depth and type of salt. Discussions on specific aspects of creep simulation in salt rocks are also made at this stage. In the second stage of the work, is presented an analysis to estimate the wellbore closure time under field conditions representative of the Brazilian basins, coupling the adjustments made in the previous stage. The salt constitutive behavior used to simulate the steady-state creep was double mechanism model and the parameters are representative of the Brazilian offshore scenario. As a result, it is observed the potential for the formation of natural barriers in saline layers for permanent plug and abandonment operations. In both simulations, annular closure is performed using 2D models of plane strain and axisymmetric, representing the cross section and longitudinal section, respectively. The simulation steps are divided into initial equilibrium stress field (geostatics) followed by drilling and simulated creep as a viscoelastic material.

[pt] Construção de barragens de terra é uma atividade milenar, empregada com o objetivo de atender às mais diversas necessidades humanas como o armazenamento de água, irrigação, regularização de cursos d água, geração de enregia elétrica, etc. Ao longo da história, o projeto destas obras de terra passou de conceito simples, baseados em técnicas empíricas e regras intuitivas, para as análises modernas que consideram o comportamento da barragem em suas diversas fases de vidas (construção, enchimento do reservatório, regime de plena operação), sob carregados estáticos e sísmicos, condições de contorno complexas e sofisticadas relações constitutivas dos materiais da estrutura e do maciço de fundação. Nesta trabalho a construção, primeiro enchimento do reservatório e a resposta sísmica da barragem de terra de Pomacocha, Peru, são analisados pelo método dos elementos finitos, utilizando o software ABAQUS (versus 6.3). Os campos de tensão e de deslocamentos para diversos estágios de aplicação dos carregamentos estático e sísmico são apresentados, incluindo-se histórias de deformação e de tensão para determinados pontos do corpo da barragem e do solo de fundação. / [en] Dam construction is a millenary activity, carried out with the objective of fulfilling human necessities as water supply, land irrigation, water flow regularization, electric power generation, etc. Along the history, the design of these earthworks evolved from simple concepts, based on empirical techniques and rules of thumb, to modern analyses that consider all phases of a dam s life (construction, first reservoir filling, full operation) understatic and seismic loads, as well as complex boundary conditions and sophisticated constitutive relationships for the structure itself and the foundation mass. In this work, the construction, first reservoir filling and the seismic response of the Pomacocha Dam, located in Peru, are analyzed by the finite element method using the software ABAQUS (version 6.2). At several loading stages the corresponding stress and displacement are presented as well as, for some specific points in the dam body and in the foundation soil, the characteristic stress and strain histories during the static and seismic loads.

[pt] A estabilidade de poços através de zonas de sal é um aspecto relevante em ambientes de perfuração offshore no Brasil. O fluxo convencional no planejamento de um poço de petróleo não reconhece a natureza complexa do estado de tensões in-situ em torno destes corpos de sal. Portanto, é necessária uma avaliação fiável das tensões in-situ considerando tanto a escala de campo (global) quanto as principais estruturas presentes no overburden. Neste trabalho, a análise de estabilidade de poços é realizada em três etapas. Primeiro, é realizada uma análise numérica a escala global para avaliar as tensões in-situ considerando a geometria de um corpo de sal. A seguir, são introduzidas as tensões in-situ em um modelo local, chamado subestrutura, através de duas técnicas de transferência de tensões propostas, denominadas as técnicas do Inverso Ponderado da Distância (IPD) e do Gradiente de Tensões (GT). O termo subestrutura é definido como uma linha curva no espaço composta por um conjunto de pontos, se assemelhando a uma seção ou trajetória completa de um poço. Finalmente, a janela operacional do poço é calculada acoplando os resultados de tensões da modelagem numérica com equações elásticas. Neste trabalho as técnicas IPD e GT são também utilizadas para transferir tensões em submodelos localizados dentro de um modelo global, visando realizar futuros estudos de submodelagem de estabilidade de poços. O termo submodelo consiste em uma malha de elementos finitos de um tamanho menor e um refinamento maior em relação ao modelo global. / [en] Wellbore Stability drilling through salt zones is an important current endeavor in many areas offshore of Brazil. The conventional well design workflow does not recognize the complex nature of the stress field near these salt bodies. Therefore, a reliable assessment of the in-situ stresses must be carried out considering a field (global) scale of the problem and the presence of major structures in the overburden. The proposed stability analysis is carried out in three stages. Firstly, a global finite element analysis is employed to evaluate the in-situ stresses at a global scale considering the geometry of a salt body. Secondly, the global scale in-situ stresses are introduced in a local model, that we call substructure, by using two proposed stress transfer techniques called the Inverse Distance Weighted Technique (IDWT) and the Stress Gradient Technique (SGT). We define Substructure as a set of points forming a section or a complete trajectory of an oil well. Finally, optimal mud weights are calculated combining numerical stress results with analytical elastic equations. These two stress transfer techniques are also proposed to be used to transfer stresses to submodels inside a global model domain for submodeling wellbore stability purposes. The term submodel is defined as a finite element mesh with a smaller size relative to the size of the global model.