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[en] DISPLACEMENT OF NON-NEWTONIAN LIQUIDS IN ECCENTRIC ANNULI / [pt] DESLOCAMENTO DE LÍQUIDOS NÃO NEWTONIANOS EM TUBOS ANULARES EXCÊNTRICOSEDUARDO STEIN SOARES DUTRA 26 August 2005 (has links)
[pt] Após a perfuração de poços de petróleo, a lama utilizada
na remoção de cascalho,
lubrificação e resfriamento da broca deve ser removida e
substituída
por uma mistura de cimento. Essa substituição se dá pelo
deslocamento
de um fluido por outro no espaço anular entre a formação
rochosa e a coluna
de completação ou revestimento. A mistura de cimento tem a
função
de garantir a estabilidade estrutural do poço evitando
danos ambientais e
prejuízos econômicos. Para melhores resultados do processo
de cimentação,
utilizam-se fluidos intermediários, também chamados de
colchões lavadores
e espaçadores, entre os fluidos principais. A boa
qualidade do deslocamento
dos fluidos pode ser avaliada pela forma da interface
entre eles. Perfis mais
acentuados sugerem um atravessamento indesejável do fluido
deslocante (cimento)
através do deslocado (fluido de perfuração). Por outro
lado, perfis
achatados indicam um deslocamento mais eficiente. Neste
trabalho foi feita
uma análise experimental e numérica do processo de
cimentação, investigando
a forma da interface e a eficiência do deslocamento dos
fluidos. Uma
planta experimental vertical foi construída, simulando um
processo de deslocamento
de fluidos em anulares excêntricos de poços. Com uma
câmera digital
CCD foram filmadas as interfaces entre os fluidos durante
o escoamento
e com essas imagens puderam-se comparar os resultados com
as simulações
numéricas realizadas num softw are comercial, usando o
método de volumes
finitos. Foram analisados os efeitos de diferentes
parâmetros como a excentricidade,
o regime de escoamento, e, principalmente o comportamento
mecânico dos fluidos envolvidos (reologia) na eficiência
do deslocamento.
Com base nesses resultados é possível prever quais
parâmetros operacionais
otimizam o processo de deslocamento. / [en] In cementing processes of oil wells, the mud formerly used
to drag the gravel,
to lubricate and to cool the drill is removed and
substituted by a cement
mixture. This substitution is obtained by the displacement
of a fluid by
another in the annulus between the rock formation and the
casing. For best
results of cementing process, intermediate fluids, also
called spacers, are used
between the drill mud and the cement mixture. The
displacement process is
very complex due to geometry and fluids characteristics.
The annular space
is eccentric in most cases, and both drilling mud and
cement mixtures are
non-Newtonian fluids. In this work, an experimental and
numerical study
is performed to analyze this process. A vertical
experimental plant was
constructed to simulate the fluid displacement through
eccentric annuli.
The interface shapes between two adjacent fluids were
visualized using a
digital CCD camera. The images were compared with the
results obtained
in the numerical simulations. The numerical solution was
obtained via
the Finite Volume technique and using the Volume-of-Fluid
method. The
effects of eccentricity, displacement velocity and
rheological parameters on
the displacement e± ciency were investigated. Based on
these results we
can predict the liquid characteristics and the operational
parameters that
optimize the displacement process.
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[en] DISPLACEMENT OF FLUIDS IN NON-STRAIGHT HORIZONTAL WELLBORE / [pt] DESLOCAMENTO DE FLUIDOS EM POÇOS HORIZONTAIS NÃO RETILÍNEOSJAQUES SAVINO 20 July 2009 (has links)
[pt] O estudo de escoamentos no espaço anular é de fundamental importância para a
compreensão do processo de cimentação de poços. A lama de perfuração deve possuir
propriedades reológicas tais que garantam um bom desempenho na lubrificação/
resfriamento das brocas, no carreamento de cascalho até a superfície, bem como na
manutenção da pressão do poço através da coluna hidrostática. Durante o processo de
cimentação, esta lama deve ser removida e substituída por uma pasta de cimento. O
cimento tem a função de revestir a parede da formação, promovendo estabilidade
mecânica e prevenindo infiltrações. O processo de substituição ocorre pelo
deslocamento de um fluido por outro no espaço anular entre a formação rochosa e o
revestimento. Para melhorar o processo de cimentação, utilizam-se fluidos
intermediários (colchões lavadores ou espaçadores), entre os fluidos principais. Deste
modo, é importante conhecer o efeito da reologia de tais fluidos sobre o processo de
deslocamento. Lama de perfuração e pasta de cimento têm comportamento
viscoplástico. Tais materiais possuem uma tensão limite de escoamento, abaixo da qual
sua viscosidade é extremamente elevada. Entretanto, após este limite, estes materiais
passam a ter comportamento pseudoplástico, isto é, a viscosidade decresce em função
da taxa de deformação. Colchão lavador apresenta comportamento newtoniano. Foi
utilizado o modelo reológico SMD (Souza Mendes e Dutra) para descrever a
viscosidade dos fluidos não newtonianos. Nesse trabalho foi analisado numericamente o
processo de deslocamento de um fluido por outro em geometria horizontal não retilínea.
A perfuração de poços horizontais utiliza técnicas para alterar a direção da broca, onde a
aplicação de forças corrige o direcionamento da broca. Entretanto, é obtido um perfil
senoidal após a perfuração, devido à técnica de compensação vertical da direção. A
geometria analisada será desenvolvida em ziguezague, para representar esta
característica. Para simular o processo de deslocamento tridimensional foi utilizado um
software comercial baseado na técnica dos volumes finitos, e o método VOF (Volume
of Fluid). Foram estudadas duas etapas do processo. Na primeira situação, o fluido
deslocador (não newtoniano) simula a pasta de cimento enquanto o deslocado
(newtoniano) simula o colchão espaçador. Na segunda situação, o fluido deslocador
(newtoniano) simula o colchão espaçador enquanto o deslocado (não newtoniano)
simula a lama de perfuração. A forma da interface entre os fluidos foi analisada
variando-se as propriedades reológicas e a vazão, para determinar a eficiência do
deslocamento. Perfis pontiagudos sugerem uma indesejável deficiência de remoção do
fluido deslocado. Por outro lado, perfis achatados indicam um deslocamento mais
eficiente. Com base nesses resultados foi possível prever quais parâmetros operacionais
aperfeiçoam o processo de deslocamento. / [en] The study of flows in the annulus is essential for the understanding of the
cementing process of oil wells. The drilling mud must have rheological properties to
guarantee a good performance in the drill lubricating/ cooling, dragging cuttings until
the surface, as well as keeping the well pressure due the hydrostatic column. During the
cementing, this mud must be removed and substituted by cement slurry. The cement has
the function to coat the wall of the formation, promoting the mechanical stability and
preventing infiltrations. The process of substitution occurs by the displacement of a
fluid by another one in the annulus between the rock formation and the casing. To
improve the cementing process, intermediate fluids (washing or spacers) are used
between the drilling mud and the cement slurry. Therefore, it is important to know the
effect of the rheology of such fluids on the displacement process. Drilling mud and
cement slurry have a viscoplastic behavior. Such materials have yield stress, below
which the viscosity is extremely high. However, after this limit, these materials have
pseudoplastic behavior, that is, viscosity decreases as a function of the deformation rate.
The washing fluid presents newtonian behavior. The rheological model SMD (Souza
Mendes and Dutra) was used to describe the viscosity of the non-newtonian fluids. In
this work, the process of displacement of a fluid for another one in non-straight
horizontal wellbore was numerically analyzed. The drilling of horizontal wells uses a
rotary steering technique aiming the drill positioning, adjusting the steering vector.
However, a sine profile drilling is gotten, due to the technique of vertical compensation
of the direction. Analyzed geometry will be developed in zigzag, to represent this
behavior. It was used a commercial software to simulate the tree-dimensional
displacement process, using the finite-volume technique, and the VOF (Volume of
Fluid) method. Two steps of the process had been studied. In the first situation, the
displacer fluid (non-newtonian) simulates the cement slurry while the displaced
(newtonian) simulates the spacer fluid. In the second situation, the displacer fluid
(newtonian) simulates the spacer fluid while the displaced (non-newtonian) simulates the drilling mud. The interface shape between the fluids has being evaluated varying the
rheological properties and the flow, to determine the displacement efficiency. Accented
profiles suggest an undesirable fingering of the displacer fluid through the displaced
one. On the other hand, flattened profiles indicate a more efficient displacement. Based
on these results, it was possible to predict which operational parameters optimize the
displacement process.
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[en] GEOMECHANICAL ANALYSIS OF THE DRILLING AND CASING OF SALT WELLS / [pt] ANÁLISE GEOMECÂNICA NA PERFURAÇÃO E CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO EM ZONAS DE SALFREDDY ERNESTO MACKAY ESPINDOLA 19 June 2013 (has links)
[pt] Nesta tese foi estabelecido um procedimento para análise do processo de
perfuração e cimentação de poços em camada de sal que engloba tanto o
processo de endurecimento do cimento, quanto a resposta de fluência da
camada de sal. O objetivo desta tese é analisar o comportamento geomecânico
de fluência (creep) na zona de sal antes, durante e depois da perfuração e em
seguida na cimentação do poço. Desta forma, a pesquisa tem como meta a
avaliação das tensões e deslocamentos ao redor do poço, através da simulação
computacional com ajuda do programa comercial numérico de elementos finitos
(ABAQUS), além de sub-rotinas do programa FORTRAN. Com esta análise,
pretende-se entender os efeitos geomecânicos de interação da pressão exercida
pelo fluido de perfuração e do cimento e do comportamento nas tensões na
fronteira sal-cimento e cimento-revestimento, dentre outros, para evitar possíveis
intervenções em poços que acarretam perdas econômicas. Foram realizadas
diversas simulações, destacando-se: (i) estado de tensões in situ antes da
perfuração do poço; (ii) tensões induzidas devido à perfuração e à fluência no sal
e (iii) cimentação no poço. Nestas simulações considerou-se um poço de
petróleo em 2D no estado de deformação plana. O fluido de perfuração foi
simulado como não penetrante. Os resultados obtidos das simulações
correspondem aos deslocamentos radiais e tensões radiais e tangenciais. / [en] In this dissertation, an analysis procedure was established for the drilling
and casing cementing process in salt wellbores, which encompasses cement
hardening as well as salt creep. The objective of this dissertation is to analyze the
geomechanical behavior of salt creep before, during and after drilling as well as
the wellbore casing cementing process. Thus, the purpose of this study is to
evaluate stresses and displacements around the wellbore through computational
simulation with the finite element commercial software program Abaqus together
with FORTRAN sub-routines. This analysis intends to understand the
geomechanical effects of the interaction of the drilling fluid and slurry pressures
against the wellbore and the behavior of the stress interactions between the two
existing boundaries casing-cement and cement-salt formation; thus avoiding
unnecessary workover operations that provoke economical losses. Diverse
process simulations were performed including: (i) in situ stresses prior to drilling
(ii) induced stresses due to drilling and salt creep and (iii) wellbore cementing. In
these simulations, a 2D plane strain wellbore was considered. The drilling fluid
was assumed to be non-penetrable with respect to the wellbore formation.
Finally, the results were expressed in terms of radial displacement along with
radial and tangential stresses.
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[pt] DESLOCAMENTO DE LÍQUIDOS EM ESPAÇOS ANULARES / [en] DISPLACEMENT OF LIQUIDS IN ANNULAR SPACESJANE CELNIK 02 March 2009 (has links)
[pt] Durante a perfuração e cimentação de poços de petróleo e
gás, diversos fluidos circulam no espaço anular formado
entre a coluna de revestimento e a formação rochosa. A
boa
aderência do cimento à formação e à coluna
de revestimento depende de quão bem o fluido de
perfuração
É deslocado para fora do espaço anular pelos fluidos
lavadores e espaçadores e de quão bem a pasta de cimento
desloca esses últimos. Falhas na cimentação podem
comprometer a vedação hidráulica do poço causando sérios
danos ambientais e perdas na produção. Portanto, é
importante estudar o processo de deslocamento de fluidos
em
espaços anulares e determinar as condições que
garantam a eficiência de deslocamento. Neste trabalho foi
investigado experimentalmente o deslocamento de fluidos
para regimes laminares em um espaço anular formado por
cilindros concêntricos. A eficiência de deslocamento
foi associada à configuração da interface formada entre
os
fluidos. Foram realizados testes de visualização na
planta
experimental existente no laboratório e foi construída
uma
nova planta experimental em menor escala.
Na nova planta experimental, foi verificada a
possibilidade
da adição, ao fluido deslocador, de micropartículas que
refletem a luz incidida por feixes de laser formando um
plano de vizualização. A maior dificuldade observada
para a utilização desta técnica foi encontrar fluidos com
índices de refração parecidos. Foram estudados o caso de
um
fluido newtoniano mais viscoso deslocando um menos
viscoso
e vice-versa para trás diferentes vazões.Foi observado
que
quanto menor a vazão, mais plano é o formato da interface
entre os fluidos, o que indica um deslocamento mais
eficiente. / [en] While drilling and cementing oil and gas wells, a number of
fluids
circulate in the annular space between the casing and the
rock formation.
Good cement bonding to the formation or the casing depends
on how well
the drilling mud can be washed out of the annular space by
spacer and
washer fluids, and on how well the cement slurry displace
the last ones.
Failure in cementing can compromise the hydraulic sealing
of the well
causing serious environmental damages and production
losses. Therefore,
it is important to study the displacement process of fluids
in annular
spaces and determine the conditions that guarantee
displacement efficiency.
In this work fluids displacement in laminar flows were
investigated in an
annular space formed by concentric cylinders. The
displacement efficiency
was related to the interface shape between the fluids.
Visualization tests
were performed in the experimental apparatus existent in
the laboratory
and a new experimental apparatus was built in a smaller
scale. On the new
experimental apparatus, the possibility creating a
visualization plane by
adding tracer particles that reflect the light coming from
laser beams to the
displacing fluid was verified. The greater difficulty for
using this technique
is to find fluids with similar refraction indices. The
cases of a more viscous
Newtonian fluid displacing a less viscous one and vice
versa were studied
for three different flow rates. Was observed that for lower
flowrates, the
interface shape is flatter and that indicates a better
displacement efficiency.
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[en] MODELLING OF THE EVOLUTION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE CEMENT PASTE IN PRE SALT WELLS / [pt] MODELAGEM DA EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DA PASTA DE CIMENTO EM POÇOS DO PRÉ SALNUNO BANDARRINHA BRANDAO 05 September 2017 (has links)
[pt] Este estudo tem como objetivo avaliar a influência do desenvolvimento das propriedades mecânicas da pasta de cimento na integridade do poço de petróleo. Um modelo numérico foi desenvolvido para simular as diferentes fases de construção de poços, tais como perfuração, ação da fluência, reconstrução do revestimento e a hidratação do cimento. O comportamento da fluência do sal foi modelado através uma metodologia que combina o Duplo Mecanismo e a Lei da Potência. Duas fases foram consideradas para a pasta de cimento. Em primeiro lugar, a pasta de cimento foi idealizada como um fluido com um campo de tensão hidrostática. Durante as primeiras cinco horas após a cimentação, uma diminuição do campo de tensão hidrostática foi utilizada a fim de simular a retração autógena e a perda de água no processo. Quando a pasta de cimento foi considerada como elástico com um módulo de rigidez crescente ao longo do tempo quando solidificada. Na mudança de fase do fluido para sólido, um cuidado especial foi dado aos elementos que representam a pasta de cimento hidratada a fim de evitar a sobreposição de malhas. A nova lei de fluência do sal apresentou resultados precisos quando comparado aos valores obtidos em campo e a outros dados encontrados na literatura. No processo de hidratação, a redução das dimensões anulares foi observada. A taxa de deformação diminuiu com o aumento do módulo de rigidez da pasta de cimento. Mais importante ainda, esta deformação foi insignificante quando comparada com as dimensões do poço. Assim, a solidificação do cimento pode ser desconsiderada em simulações expeditas. / [en] The quality of the cement sheath plays a crucial role in the integrity of the oil well. This study aims at assessing the influence of cement hardening on deformations and stresses to which the sheath is submitted. A numerical model was developed to simulate the different stages of well construction such as drilling, creep action, casing reconstruction and - the focus herein - cement hardening. The salt creep behavior was modeled through a new methodology that combines the Double Mechanism with the Power Law. Two stages were considered for the cement. First, the cement was idealized as a fluid with a hydrostatic stress field. During the first five hours after cementation, a decrease in the hydrostatic stress field was employed in order to simulate the chemical shrinkage and loss of water in the hardening process. When hardened, the cement was considered to behave elastically with an increasing stiffness modulus over time. In the phase change from fluid to solid, special care was given to fitting the cement finite element mesh to the annulus, avoiding mesh overlapping. The new salt creep law showed accurate results when compared to field and other creep data. In the hardening process, the annular dimension reduction was expected and noticed. The deformation rate decreased with the increasing cement stiffness modulus. Most importantly, this deformation was negligible when compared with the dimensions of the well. Moreover, for practical and quick simulations, the hardening step can be avoided.
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[pt] ANÁLISE DO PROCESSO DE CIMENTAÇÃO NA PRESENÇA DE PERDA DE FILTRADO / [en] CEMENTING PROCESS IN THE PRESENCE OF FLUID LOSSSERGIO SANTIAGO RIBEIRO 18 January 2021 (has links)
[pt] O presente estudo tem como objetivo investigar o processo de cimentação
de poços de petróleo, na presença de zonas de perda de filtrado. Um
aparato experimental foi projetado, construido e operado com o objetivo de
simular a cimentação de um poço de petróleo. Com diâmetros característicos
dos poços reais, esse simulador permite que o processo de cura da coluna de
cimento seja monitorado com condições controladas. O aparato consiste em
uma coluna anular concêntrica com 8m de comprimento. A zona de perda
de filtrado é modelada por uma parede semi-permeável, e todo poço é equipado
com sensores de pressão e temperatura. Isso possibilita a investigação
dos mecanismos de cura da pasta de cimento, bem como o impacto da perda
de filtrado na evolução do perfil de pressão. Para tentar prever esse comportamento,
um modelo numérico 2D de Elementos Finitos foi proposto e
implementado em Python, utilizando bibliotecas pré-compiladas de código
aberto denominadas FEniCs. As equações de conservação de massa e momento
são resolvidas para obter os campos de velocidade e pressão. A mistura
da pasta de cimento é considerada um fluido incompressível e composta
de duas espécies químicas: a fase aquósa(ou filtrado) e o cimento dissolvido.
O transporte de massa é modelado usando a equação de advecção-difusão,
e a pasta é modelada como um fluido viscoplástico que sofre redução volumétrica
com a cura. Finalmente, os resultados das simulações foram confrontados
com os dados experimentais obtidos, e uma boa concordância foi
observada. Uma investigação adicional foi realizada no modelo numérico,
através de uma análise de sensibilidade individual dos parâmetros de entrada
e seu respectivo impacto na queda de pressão. Para o regime de taxas
de cisalhamento avaliados, os resultados indicaram uma forte dependência
entre a evolução do perfil de pressão e o tempo de cura, a magnitude da
vazão de filtrado e o patamar newtoniano da viscosidade. / [en] This thesis aims to investigate the cementing process of an oil well in
presence of a filtrate loss zone. An experimental setup was designed, built
and operated to simulate an annular well field-like geometry where cement
would cure under controlled conditions. This well simulator consisted of an
8m concentric annular column with a section of semi-permeable external
wall, equipped with pressure and temperature sensors. It allows the investigation
of the cementing cure mechanisms, as well as the impact of the fluid
loss zone in the pressure drop behavior. In order to predict this behavior on
real oil wells, a 2D transient numerical model is proposed. A finite element
model was implemented in Python with the aid of an open source library
named FEniCs. Mass and momentum conservation equations are solved to
obtain the pressure and velocity fields, and the cement mixture is considered
an incompressible single-phase mixture composed of two chemical species:
the filtrate and the dissolved cement. Mass transport is modeled with an
advection-diffusion equation and dissolved cement species is modeled as a
viscoplastic fluid with shrinkage. Finally, the simulation results were confronted
with the experimental data, and a good agreement was observed.
Further investigation of numerical model parameters was performed, and
a sensitivity analysis evaluated individual influence of those parameters in
the pressure drop. The results indicate that pressure profile evolution has
a strong dependency on thickening time, fluid loss flow rate magnitude and
the Newtonian viscosity plateau for the evaluated shear rate regimen.
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[pt] DESLOCAMENTO DE FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS COMPRESSÍVEIS EM ESPAÇOS ANULARES APLICADOS A CIMENTAÇÃO DE POÇOS / [en] DISPLACEMENT FLOW OF COMPRESSIBLE NON-NEWTONIAN FLUIDS IN ANNULAR GEOMETRIES FOR WELL CEMENTING APPLICATIONSRAFAEL PERALTA MUNIZ MOREIRA 04 January 2024 (has links)
[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.
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[en] AXISYMMETRIC DISPLACEMENT OF MISCIBLE FLUIDS IN ANNULARS WITH ABRUPT EXPANSION / [pt] DESLOCAMENTO AXISSIMÉTRICO DE FLUIDOS MISCÍVEIS EM ANULARES COM EXPANSÃO ABRUPTAFREDERICO RESENDE DE CARVALHO 05 September 2023 (has links)
[pt] Umas das etapas mais complexas e críticas durante a construção de poços
de petróleo é o processo de cimentação primária, definido como: O processo de
instalação de cimento no anular entre o revestimento e a formação exposta ao
poço [1]. Ela fornece isolamento zonal permanente para evitar contaminação
ou migração de fluidos indesejáveis no anular, protege o revestimento da
ocorrência de corrosão e fornece estabilidade hidráulica e mecânica para o
revestimento ao longo da vida produtiva do poço de petróleo. Neste processo,
ainda na etapa de perfuração, irregularidades na seção transversal (washouts)
podem ser geradas como resultado de diversos colapsos parciais da seção do
poço aberto em decorrência da presença de rochas pouco consolidadas da
formação. Uma operação de cimentação primária bem sucedida dependerá
se o sistema de fluidos espaçadores e a pasta de cimento deslocam de forma
adequada e completa o fluido de perfuração do anular e washouts.
Motivados por esse problema industrial, a presente dissertação usa um
simulador numérico DNS (Direct Numerical Simulation) com o objetivo de
analisar sistematicamente o comportamento hidrodinâmico e calcular a eficiência do deslocamento entre dois fluidos newtonianos miscíveis através de
um anular contendo uma expansão seguida de uma contração abrupta. Investigamos como diferentes viscosidades e densidades dos fluidos, um injetado e
outro deslocado, a miscibilidade entre eles, a taxa de injeção e a dimensão do
washout retangular afetam o escoamento bifásico. Consideramos uma geometria axissimétrica durante processos de deslocamentos verticais, e as equações
governantes são resolvidas em coordenadas cilíndricas, permitindo investigar
diferentes aberturas anulares. Devido à miscibilidade entre os fluidos, nossos
resultados preveem eficiências de deslocamento altíssimas, próximas a 100
Fluidos não-newtonianos são usualmente utilizados durante o processo
industrial de cimentação primária de poços de petróleo. Contudo, as altas eficiências de deslocamentos encontradas em nossos resultados motivam estudos
futuros sobre a influência da miscibilidade em deslocamentos de fluidos complexos. Estes resultados também motivam o uso de fluidos espaçadores para
tentar controlar as propriedades de interface. Desta forma, é possível que a utilização de sistemas que se aproximem das condições reológicas e hidrodinâmicas de deslocamento entre fluidos newtonianos miscíveis poderá contribuir para
um aumento da eficiência de deslocamento e, consequentemente, otimizar o
processo de deslocamento de sistemas de fluidos, tendo em vista melhorias na
integridade da cimentação de poços de petróleo. / [en] One of the most complex and critical stages during the construction ofoil wells is the primary cementing process, defined as the process of installingcement in the annulus between the casing and the exposed formation to thewell [1]. Primary cementing provides permanent zonal isolation to preventcontamination or migration of unwanted fluids in the annulus, protects thecasing from corrosion, and provides hydraulic and mechanical stability forthe casing throughout the productive life of the oil well. In this process,during the drilling stage, irregularities in the cross-section (washouts) can begenerated because of various partial collapses of the open wellbore section dueto the presence of poorly consolidated rocks in the formation. A successfulprimary cementing operation will depend on whether the spacer fluid systemand cement slurry adequately and completely displace the drilling fluid fromthe annulus and washouts.Motivated by this industrial problem, the present dissertation uses aDirect Numerical Simulation (DNS) numerical simulator to systematically analyze the hydrodynamic behavior and calculate the displacement efficiency between two miscible newtonian fluids through an annulus containing an expansion followed by an abrupt contraction. We investigate how different viscositiesand densities of the injected and displaced fluids, their miscibility, injectionrate, and the dimension of the rectangular washout affect the two-phase flow.We consider an axisymmetric geometry during vertical displacement processes,and the governing equations are solved in cylindrical coordinates, allowing theinvestigation of different annular clearances. Due to the miscibility betweenthe fluids, our results predict very high displacement efficiencies, close to 100Non-newtonian fluids are commonly used during the industrial processof primary cementing of oil wells. However, the high displacement efficienciesfound in our results motivate further studies on the influence of miscibilityin displacements of complex fluids. These results also encourage the use ofspacer fluids attempting to control the interfacial properties. Therefore, the useof systems that approximate the rheological and hydrodynamic conditions ofdisplacement between miscible newtonian fluids may contribute to an increasein displacement efficiency and, consequently, optimize the displacement processof fluid systems, aiming at improvements in the integrity of well cementing.
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