[pt] As atividades realizadas em estruturas Onshore e Offshore, relacionadas a exploração e produção de petróleo estão associadas ao risco iminente de vazamento de gás ou óleo, que encontrando qualquer tipo de ignição, pode causar incêndios e explosões com o potencial de causar perdas financeiras substanciais e mortes. No presente trabalho, a metodologia em CFD foi utilizada para analisar o vazamento de gás natural em um ponto localizado no módulo de compressão de gás em uma plataforma offshore. A turbulência do escoamento foi modelada com a metodologia RANS, empregando o modelo de duas equações K-epsilon. Considerando a situação crítica, o vazamento foi analisado em regime permanente, e modelado como uma fonte pontual. Foram consideradas duas intensidades de vento: 0,5 m/s representando a condição de calmaria e 6,5 m/s representando a velocidade mais frequente, e uma única direção no sentido PROA-POPA. Para cada condição de vento, foram estudadas quatro direções de vazamentos distintos (direção de liberação do gás), ou seja, a partir da junção entre o bocal do compressor e o flange da tubulação de alimentação do sistema (localizados imediatamente acima do compressor) tem-se vazamentos nas direções norte, sul, leste e oeste. A partir dos resultados de sobrepressão (DeltaP) (diferença entre a pressão ambiente (P0) e a pressão máxima de onda de choque (Pmáxima) obtida, pontos críticos foram identificados. O volume da nuvem foi determinado para cada cenário e, posteriormente, um cálculo de TNT equivalente (comparação do potencial da mistura explosiva com a massa de TNT necessária para produzir efeitos semelhantes) foi realizado para identificação dos potenciais riscos a estrutura offshore em caso de ignição do material gasoso disperso. Os resultados obtidos coincidiram com medidas experimentais de sobre pressão em situações semelhantes. Identificou-se como o pior cenário, vazamento no flange do compressor na direção sul, correspondente a direção contraria ao vento, com alta concentração de gás natural numa grande região da plataforma. / [en] Oil exploration and production activities in Onshore and Offshore structures are associated with the imminent risk of gas or oil leakage, which encountering any type of ignition, can cause fires and explosions with the potential to cause substantial financial losses and deaths. In the present work, the CFD methodology was used to analyze the leakage of natural gas at a point located in the gas compression module on an offshore platform. The flow turbulence was modeled with the RANS methodology, using the two-equation K-epsilon model. Consider the critical situation, the leak was analyzed in steady state, and modeled as a point source. Two wind intensities were considered: 0.5 m / s represents the calm condition and 6.5 m / s represents the most frequent speed, and a single direction in the PROA-POPA direction. For each wind condition, four distinct leakage results (direction of gas release) were studied, i.g., from the junction between the compressor nozzle and the system supply piping flange (driven above the compressor) there are leaks in the north, south, east and west directions. From the results of overpressure (deltaP) (the difference between the ambient pressure (P0) and the maximum shock wave pressure (P maximum) obtained, points obtained were separated. The cloud volume was determined for each scenario and, subsequently, a calculation of equivalent TNT (comparison of the potential of the explosive mixture with the mass of TNT necessary to produce similar effects) was performed to identify potential risks to the offshore structure in case of ignition make dispersed gaseous material. The results obtained coincided with experimental pressure measurements under similar conditions. It was identified as the worst scenario, a leak in the compressor flange in the south direction, corresponding to the direction against the wind, with a high concentration of natural gas in a large region of the platform.

[pt] Esta dissertação investiga escoamentos multifásicos de deslocamento de fluidos em geometrias anulares envolvidas em operações de cimentação de poços com fluidos espumados. A cimentação desempenha um papel relevante na integridade de poços e algumas aplicações requerem pastas leves com alta resistência à compressão, e o cimento espumado atende a este propósito. Para modelar adequadamente a complexidade do escoamento - que compreende comportamento não-newtoniano e elevada compressibilidade - um modelo tridimensional de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foi desenvolvido a partir do código aberto OpenFOAM. As equações de conservação da massa, momento e fases são solucionadas em uma geometria anular, considerando o efeito da pressão na densidade e na reologia dos fluidos, e o método Volume of Fluid (VoF) foi usado para capturar a interface entre fluidos. Os modelos foram validados com soluções exatas para escoamento monofásico axissimétrico com fluidos incompressíveis e compressíveis, e com modelos constitutivos newtonianos e não-newtonianos. Além disso, simulações multifásicas estimaram a eficiência de deslocamento do fluido de perfuração pela pasta de cimento em diferentes condições – constraste de densidade e de viscosidade, ecentricidade e vazões de bombeio – e com diferentes correlações para a reologia dos fluidos espumados. Finalmente, simulações de deslocamento com fluidos com densidade e reologia constante (não-espumados) foram utilizadas para comparação. Os resultados indicam que a eficiência no deslocamento com a técnica de cimentação espumada é superior em condições similares e ilustra que as pastas espumadas são menos suceptíveis a gerarem falhas quanto condições desafiadoras estão presentes. / [en] This master dissertation investigates multiphase displacement flow in annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and some applications require combining a low-density cement slurry with high compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology, and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast, eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less sensitive to impairment when challenging conditions are present.