[pt] Uma prospecção bem sucedida de petróleo e gás requer muitos esforços para se sobrepor os desafios encontrados, tais como vibrações axiais, laterais e torcionais. Estes fenômenos podem causar a falha prematura de componentes do sistema de perfuração, disfunção nos equipamentos de medição e aumento no tempo e custo no processo de perfuração. Em particular, vibrações torcionais estão presentes em grande parte dos processos de perfuração e podem alcançar um estado crítico: stick-slip. Um melhor entendimento sobre este fenômeno proporciona ferramentas para evitar o aumento do tempo e do custo da prospecção, assegurando o investimento e sucesso do processo de perfuração. Neste trabalho, é descrito um procedimento experimental com um atrito não linear objetivando induzir stick-slip e é feito uma modelagem analítica simples do problema. O modelo de atrito é baseado em um atrito seco imposto por um dispositivo de freio desenvolvido. O comportamento não linear da bancada experimental é analisada e o modelo numérico é validado comparando diagramas de bifurcações numérica e experimentais. / [en] A successful oil and gas prospecting requires many efforts to overcome the encountered challenges, some of these challenges include drill string axial, lateral and torsional vibrations. These phenomena may cause premature component failures of the drilling system, dysfunction of measurement equipments, and increase time and costs of the prospecting process. Torsional vibrations are present in most drilling processes and may reach a severe state: stick-slip. An improved understanding about the stick-slip phenomenon provides tools to avoid the increase of prospecting time and costs, assuring the investment and success of the drilling process. Firstly, a numerical analysis of the drill string is performed with different friction models. These models are proposed in order to get familiar with the drill string dynamics. Also, it is described the experimental procedure with a nonlinear friction aiming to induce stick-slip and is performed a simple analytical modeling of the problem. The friction model is based on dry friction imposed by a break device. The nonlinear behavior of the experimental apparatus is analyzed and the numerical model is validated comparing experimental and numerical bifurcation diagrams.

[pt] Parte do processo de exploração e desenvolvimento de um campo de petróleo consiste nas operações de perfuração de poços de petróleo e gás. Particularmente para poços de águas profundas e ultra-profundas, a operação requer o controle de uma estrutura muito flexível que é sujeita a condições de contorno complexas, tais como as interações não-lineares entre broca e formação rochosa ou entre a broca e a parede de poço. Quanto a esta complexidade, o fenômeno stick-slip é um componente primordial relacionado à vibração torsional. Este pode excitar vibrações tanto axiais quanto laterais. Isso pode causar falha prematura de componentes de corda de perfuração. Assim, a redução e eliminação de oscilações do tipo stick-phase são itens muito valiosos em termos de economia financeira e de tempo de exploração. Com este propósito, este estudo tem como principal objetivo confrontar o problema de vibração torsional simulando uma estratégia de controle robusto em tempo real. A abordagem é obtida seguindo alguns passos, tais como: análise em malha aberta do sistema de perfuração considerando um atuador top drive e o sistema de coluna de perfuração; concepção de um novo controlador que utiliza diferentes velocidades angulares de referência num sistema de controle de malha fechada; controle da vibração torsional considerando a não-linearidade devida à interação de atrito na parede do poço e no fundo do poço; avaliar por meio de simulações sistemas de controle ininterruptos durante a perfuração; validação dos modelos por meio de simulações numéricas. Esta dissertação apresenta a base teórica por trás do sistema de perfuração, bem como exemplos de resultados numéricos que proporcionam uma operação de perfuração controlada estável e satisfatória. / [en] Part of the process of exploration and development of an oil field consists of the drilling operations for oil and gas wells. Particularly for deep water and ultra deep water wells, the operation requires the control of a very exible structure which is subjected to complex boundary conditions such as the nonlinear interactions between drill bit and rock formation and between the drill-string and borehole wall. Concerning this complexity the stick-slip phenomenon is a major component, related to the torsional vibration and it can excite both axial and lateral vibrations. That may cause premature failure of drill-string components. So, the reduction and avoidance of stickslip oscillations are very valuable items in terms of savings and exploration time. With these intentions, this study has the main goal of confronting the torsional vibration problem using a real-time robust control strategy. The approach is obtained following some steps such as: Open-loop analysis of the drilling system considering a top-drive actuator and the drill-string system; Design of a novel controller using different angular velocity setpoints in a closed-loop system; Control of the torsional vibration considering the nonlinearity due to friction interaction in the wall and in the donwhole system; valuate a non-stop control system while drilling; Verification by numerical simulations. In this presentation the theoretical basis behind the drilling system will be given, as well examples of numerical results providing a stable and satisfactory controlled drilling operation.

[pt] Esta dissertação estuda o comportamento dinâmico não linear de colunas de perfuração de poços de petróleo. A coluna de perfuração é uma estrutura longa, flexível e esbelta, responsável pela perfuração propriamente dita. Seus elementos e funções são apresentados e uma análise numérica é realizada posteriormente. Foi desenvolvido um programa utilizando o software MATLAB (marca registrada) para simulação numérica do comportamento dinâmico das colunas pelo método dos elementos finitos que utiliza a formulação corotacional para implementação da não linearidade geométrica. A discretização da estrutura utiliza um elemento de viga com seis graus de liberdade por nó aplicando a formulação de viga de Euler-Bernoulli. Para solução do sistema de equações não lineares resultante utiliza-se o método de Newton-Raphson. Além disso, o método de Newmark é utilizado para integração no tempo das equações de movimento do problema. Um modelo com molas lineares é proposto para representar o contato entre a parede do poço e a coluna. A metodologia proposta e as funcionalidades do programa desenvolvido são avaliadas e seus resultados são comparados com algumas soluções analíticas ou numéricas de exemplos disponíveis na literatura. Esses resultados conferem confiabilidade na análise de problemas de coluna de perfuração, que apresentam as séries temporais de deslocamentos e esforços em toda a coluna e os modos de flambagem gerados. Os resultados obtidos demonstram que a coluna é muito sensível a qualquer mudança de condição de contorno, o que corrobora com a complexidade do problema. Assim, o trabalho fornece uma base razoável para desenvolvimentos posteriores, que permitam a análise de toda a coluna de perfuração acoplada. / [en] This work studies the nonlinear dynamic behavior of oil well drillstring, which is a long slender flexible structure responsible for the drilling. Its elements and functions are presented, and numerical analyses are performed later. The work develops a computational code using the software MATLAB (trademark) for the numerical simulation of the column s dynamic behavior using the finite element method. The corotational formulation is used for the implementation of geometric nonlinearity. The structure s discretization uses a beam element with six degrees of freedom per node and employs the Euler-Bernoulli s beam formulation. The Newton-Raphson method is responsible for solving the nonlinear system of equations. In addition, the solution procedure uses the Newmark s method for the time integration of the problem s movement equations. A linear setup spring model is proposed to represent the contact between the borehole wall and the column. The proposed methodology and computational code capabilities are evaluated by comparing some results to analytical or numerical results of examples available in the literature. These results give reliability to analyze drillstring problems, which present the displacements and forces time series of the whole column and the buckling modes generated. The results show that the column is very sensitive to any boundary condition changing, which corroborates the complexity of the problem. Hence, the work proposes a reasonable basis for further developments, allowing the entire coupled drillstring analysis.

[pt] Nas últimas décadas, tem-se observado um crescente número de pesquisas e aplicações envolvendo estruturas hiperelásticas, integrando diferentes áreas da engenharia de estruturas e de materiais, impulsionados pelos avanços tecnológicos do processo de manufatura por adição (impressões 3D e 4D), muitas envolvendo flambagem. Entretanto têm-se poucas informações sobre a estabilidade de elementos estruturais hiperelásticos. O objetivo desta tese é, pois, estudar a estabilidade de colunas e arcos hiperelásticos. Com esta finalidade, desenvolve-se inicialmente uma formulação variacional não linear pseudo-3d para vigas hiperelásticas incompressíveis, seguindo as hipóteses de Euler-Bernoulli. Para avaliar esta formulação, o problema de flexão pura de uma viga hiperelástica é investigado numericamente usando elementos finitos, e experimentalmente. Diversos modelos constitutivos para materiais hiperelásticos não lineares submetidos a deformações finitas são adotados. Ensaios uniaxiais são usados para determinação das constantes de cada modelo constitutivo e determinação do modelo mais preciso para o material considerado (polivinilsiloxano). Diversos elementos finitos uni- e tridimensionais são testados. A comparação entre resultados obtidos pela formulação proposta e por elementos finitos com os dados experimentais permitem determinar a precisão da formulação bem como o tipo de elemento e a discretização mais apropriada para as análises. Adicionalmente, estes resultados permitem aferir a importância das deformações axiais e cisalhantes e do peso próprio em barras hiperelásticas. O auxílio de um software de medição por correlação de imagem digital durante os ensaios permite uma análise aprofundada do campo de deformações, juntamente com as análises por elementos finitos tridimensionais. A seguir estuda-se a flambagem de colunas hiperelásticas com diferentes condições de contorno. Sob solicitações de flexo-compressão, observase que as deformações da estrutura ao longo do caminho não linear de equilíbrio são influenciadas pelas deformações axiais e cisalhantes, que se mostram importantes mesmo sob pequenas deformações. Tendo em vista a importância das imperfeições iniciais em problemas de estabilidade, propõe-se aqui uma modificação do método de Southwell para incluir tais deformações. Finalmente, analisa-se o comportamento multiestável de arcos hiperelásticos pré-tensionados considerando um ou múltiplos arcos associados em paralelo, obtendo-se boa correlação entre resultados numéricos e experimentais. Os resultados obtidos na análise experimental mostram que flexibilidade dos materiais hiperelásticos altera os caminhos de equilíbrio e que a estrutura é capaz de apresentar níveis elevados de deformação sem danos ao material, conferindo-as um grande potencial de absorção e armazenamento de energia. Observa-se também o papel importante do peso próprio nessas trajetórias. A compreensão do comportamento não linear e estabilidade desses sistemas estruturais são importantes em aplicações práticas como controle de vibrações, absorção e coleta de energia, desenvolvimento de metamateriais, bioengenharia e medicina e robôs flexíveis, dentre outras. / [en] In recent decades, there has been an increasing number of researches and applications involving hyperelastic structures, integrating different areas of engineering structures and materials, driven by technological advances in the manufacturing process by addition (3D and 4D printing), many involving buckling. However, there is little information about the stability of hyperelastic structural elements. The objective of this thesis is, therefore, to study the stability of hyperelastic columns and arches. For this purpose, a non-linear pseudo-3d variational formulation is initially developed for incompressible hyperelastic beams, following the Euler-Bernoulli hypotheses. To evaluate this formulation, a pure bending problem of a hyperelastic beam is investigated numerically using finite elements, and experimentally. Several constitutive models for nonlinear hyperelastic materials subjected to finite strains are adopted. Uniaxial tests are used to determine the constants of each constitutive model and to determine the most accurate model for the material considered (polyvinylsiloxane). Several one- and three-dimensional finite elements are tested. The comparison between results obtained by the proposed formulation and by finite elements with the experimental data allows determining the accuracy of the formulation as well as the type of element and the most appropriate discretization for the analyses. Additionally, these results allow evaluating the importance of axial and shear strains and self-weight in hyperelastic bars. The aid of a digital image correlation measurement software during the tests allows an in-depth analysis of the deformation field, along with three-dimensional finite element analyses. Next, the buckling of hyperelastic columns with different boundary conditions is studied. Under bending and compression actions, it is observed that the deformations of the structure along the non-linear path of equilibrium are influenced by axial and shear deformations, which are important even under small deformations. Bearing in mind the importance of initial imperfections in stability problems, a modification of the Southwell method is proposed here to include such deformations. Finally, the multistable behavior of pre-compressed hyperelastic arches is analyzed considering one or multiple archess associated in parallel, obtaining a good correlation between numerical and experimental results. The results obtained in the experimental analysis show that the flexibility of hyperelastic materials alters the equilibrium paths and that the structure is capable of presenting high levels of deformation without damage to the material, giving them a great potential for energy absorption and storage. It is also observed the important role of self-weight in these trajectories. Understanding the non-linear behavior and stability of these structural systems are important in practical applications such as vibration control, energy absorption and harvesting, metamaterial development, bioengineering and medicine and flexible robots, among others.

[pt] Elementos de paredes finas com seções transversais abertas têm sido amplamente empregados em aplicações de engenharia. Embora as aplicações convencionais e os códigos de projeto se concentrem predominantemente em elementos de aço, observa-se um interesse crescente no uso de materiais alternativos, especialmente compósitos. Entre estes, polímeros reforçados com fibra (FRP) têm sido cada vez mais empregados devido às suas propriedades benéficas. No entanto, a natureza ortotrópica das colunas FRP, produzidas através de pultrusão, apresenta um desafio, uma vez que as prescrições convencionais de projeto para estruturas de aço não podem ser aplicadas diretamente. Assim, mais pesquisas são essenciais para fornecer normas de projeto confiáveis para membros estruturais em FRP. Entre as geometrias tradicionais de seção aberta, seções cantoneira têm sido comumente empregadas. Apesar de sua simplicidade geométrica, colunas com seção cantoneira apresentam uma flambagem estrutural e um comportamento dinâmico complexos, que decorre do fato de tais colunas apresentarem diferentes modos de deformação, função de suas propriedades geométricas e materiais, incluindo interação modal, principalmente entre os modos de flexão e torção. Este trabalho se concentra na investigação das características de flambagem e vibração de colunas pultrudadas FRP com seção cantoneira, abrangendo seções de abas iguais e desiguais, e abrangendo colunas curtas a longas. Para isso, são desenvolvidos modelos de dimensão reduzida (ROMs) baseados na teoria clássica não linear de placas (CPT) proposta por von Kármán. A seção cantoneira é modelada como duas placas, com restrições de continuidade imposta na ligação entre ambas. Utilizando o software GBTul, é conduzida uma investigação abrangente da participação modal nos modos de flambagem e vibração. Com base nesta análise, o campo de deslocamentos de cada placa para todos os ROMs é aproximado por funções de interpolação derivadas analiticamente, que são usadas para discretizar o sistema contínuo com base no método de Ritz. Pela aplicação do princípio de Hamilton, os problemas de autovalor e equações não lineares de movimento são derivados. São realizadas análises paramétricas dimensionais e adimensionais, com cargas críticas e frequências de vibração comparadas favoravelmente com os resultados do GBTul. Caminhos pós-flambagem são explorados resolvendo-se os sistemas de equações de equilíbrio não lineares para cada ROM. A influência dos parâmetros geométricos e materiais na rigidez pós-flambagem é investigada, juntamente com a sensibilidade às imperfeições geométricas iniciais. Finalmente, a estabilidade de colunas sob carregamento axial harmônico é avaliada resolvendo-se numericamente as equações não lineares de movimento usando-se o método Runge-Kutta de quarta ordem. As regiões de instabilidade paramétrica são determinadas em função da frequência e magnitude da força de excitação harmônica, considerando a influência do material, do amortecimento e da geometria da seção transversal. Os diagramas de bifurcação são obtidos empregando-se o método da força bruta e técnicas de continuação, esclarecendo as bifurcações associadas aos limites de instabilidade paramétrica. A evolução das bacias de atração de soluções coexistentes é investigada, proporcionando uma avaliação da integridade dinâmica. Os resultados demonstram que a coluna pode perder estabilidade sob níveis de carga bem abaixo da carga estática de flambagem e, portanto, os projetistas devem ter cautela ao trabalhar com essas estruturas sujeitas a cargas axiais variáveis no tempo. / [en] Thin-walled elements with open cross sections have been widely employed in engineering applications. While conventional applications and design codes predominantly focus on steel members, a growing interest has emerged in exploring alternative materials, particularly composites. Among these, fiber reinforced polymer (FRP) has witnessed increased application owing to its advantageous properties. However, the orthotropic nature of FRP columns, produced through pultrusion, presents a challenge as conventional design prescriptions for structural steel cannot be directly applied. Thus, further research is essential to derive reliable design rules for FRP members. In the realm of traditional open section geometries, angle sections have been commonly employed. Despite their geometric simplicity, angles exhibit a complex structural buckling and dynamic behaviour which arises from the fact that such columns may undergo different deformation modes, according to their geometric and material properties, with modal interaction observed, particularly between flexural and torsional modes. This work focuses on investigating the buckling and vibration characteristics of pultruded FRP angle sections, encompassing both equal and unequal-leg sections, and spanning short to long columns. For this, reduced order models (ROMs) are developed based on the classical von Kármán nonlinear plate theory (CPT). The angle section is modelled as two plates, with continuity constraints considered at the common boundary. Utilizing GBTul software, a comprehensive investigation of modal participation in linear buckling and vibration modes is conducted. Based on this analysis, the plate displacement field for each ROM is approximated by suitable analytically derived interpolating functions, which are used to discretize the continuous system on the basis of the Ritz energy method. By application of Hamilton s principle, the eigenvalue problems and nonlinear equations of motion are derived. Parametric dimensional and nondimensional analyses are carried out, with critical loads and vibration frequencies compared favorably with GBTul results. Post-buckling paths are explored by solving the systems of nonlinear equilibrium equations for each ROM. The influence of geometric and material parameters on post-buckling stiffness is investigated, along with the sensitivity to initial geometrical imperfections. Finally, the stability of the columns under harmonic axial loading is assessed by numerically solving the nonlinear equations of motion using the fourth-order Runge-Kutta method. Parametric instability regions are determined as a function of the frequency and magnitude of the harmonic excitation force, considering the influence of material, damping, and cross-sectional geometry. Bifurcation diagrams are obtained employing the brute force method and continuation techniques, clarifying the bifurcations associated to the parametric instability boundaries. The evolution of basins of attraction of coexisting solutions is investigated, providing an evaluation of dynamic integrity. The results demonstrate that the column may lose stability at load levels well below the static buckling loads and, therefore, designers must exercise caution when working with these structures subjected to time-varying axial loads.

[pt] A perfuração de rochas duras ainda é um grande desafio para as empresas de perfuração e exploração de petróleo. Uma das linhas de pesquisas atuais consiste em combinar satisfatoriamente duas técnicas de aumento da taxa de penetração. Esta nova técnica vem sendo chamada de perfuração percussiva-rotativa auto-excitada. Esta dissertação se propõe a desenvolver o primeiro protótipo de um dispositivo que irá operar em ressonância e que será capaz de gerar forças dinâmicas expressivas. De forma resumida, este dispositivo será chamado de RIMD (Resonant Impact Device). Em princípio a idéia é construir um dispositivo em forma de uma caixa preta, na qual será montada na estrutura que vibra, tendo esta caixa dois ajustes, um calibrando a freqüência de ressonância do RIMD e outro agindo sobre os impactos (folga). É conhecido de trabalhos anteriores que o tamanho da folga também possui influência sobre a freqüência natural do sistema. Desta forma, existe uma interdependência entre ambos os ajustes. Um dos primeiros passos no projeto e desenvolvimento do protótipo do RIMD é o dimensionamento do mesmo, de forma que seja pequeno o suficiente para facilitar sua construção e instrumentação no laboratório de vibrações da PUC-Rio, bem como seja representativo do sistema em tamanho real (a ser implantado na coluna de perfuração). Os componentes do RIMD envolvem um sistema massa-mola com baixo amortecimento e algum dispositivo de impacto e de variação da folga. Após a concepção e construção do protótipo, os passos seguintes do estudo são a obtenção das características do RIMD, como a faixa de freqüências o qual atua e a medição das forças impulsivas geradas. Por último, o protótipo também servirá para validar um modelo analítico que permitirá investigações posteriores neste tema, podendo gerar outras possibilidades de construção do RIMD. / [en] Hard rock drilling is still a great challenge for oil companies. One current line of research involves combining the two existing drilling techniques in order to enhance the rate of penetration. This new technique is called Resonance Hammer Drilling. This dissertation proposes the design and development of the first prototype that will operate in resonance, and will be capable of generating considerable dynamic forces. This device will be known as the Resonant Impact Device, or RIMD. In principle the idea is to build some sort of black box, which will be mounted on a vibrating structure with two switches - one calibrating the RIMD resonance frequency and the other acting on the impacts - changing the size of the gap. It is known from previous work that gap size also has influence on the system natural frequency. Therefore there is a relationship between switches. One of the first steps of RIMD design and development is device dimensioning, necessary in order to construct a scale model at the Dynamic and Vibration laboratory at PUC-Rio representative of the real size system. The real size system will be mounted on the drillstring. RIMD components involve a mass-spring system with low damping and some impact and gap variation devices. The analysis of this prototype includes obtaining key characteristics such as the range of possible frequencies and the measurement of the generated impulsive forces. Finally, the built prototype will be used to validate an analytical model that will allow further investigations on this subject providing the way to other possible constructions.

[pt] Este trabalho tem como objetivo estudar estratégias de Controle Preditivo baseado em Modelo Não-Linear (NMPC) aplicadas a uma coluna de destilação despropanizadora simulada. Essas colunas são empregadas em unidades de processamento de gás natural (UPGNs) para a separação do produto propano do butano. Colunas de destilação possuem características particularmente desafiadoras sob o ponto de vista de controle, como: não-linearidades, grandes constantes de tempo, atraso, restrições de variáveis e inversão do sinal de ganho estático. Como as medidas de composição frequentemente possuem atrasos e dados esparsos, os sistemas de controle convencionais não são capazes de controlar a composição diretamente e possuem dificuldade em manter os produtos dentro das especificações. Contudo, controladores baseados em modelo possuem a habilidade de prever a composição através do modelo interno do processo, além de serem capazes de lidar com restrições. Na literatura, nenhuma aplicação do modelo de Hammerstein modificado para coluna de destilação ou para sistemas multivariáveis foi encontrada, sendo esta uma novidade. Desta forma, foram estudadas três estratégias de controle: controle PID tradicional, NMPC com modelo de Hammerstein modificado (H-NMPC) e NMPC com modelo por Redes Neurais (NN-NMPC). O sistema estudado foi identificado de forma a se obter valores numéricos adequados aos parâmetros dos modelos. A identificação dos parâmetros dos modelos e os algoritmos de NMPC foram implementados no ambiente MATLAB. A coluna de destilação foi simulada usando o Aspen Plus Dynamics. Como resultado, o H-NMPC teve o melhor desempenho de controle ao rastrear diferentes trajetórias de referência, a desacoplar as variáveis controladas e a rejeitar os distúrbios. Além disso, esta apresentou maior rapidez computacional comparado com a estratégia NNNMPC. / [en] This work aims to study strategies of Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) applied to a simulated depropanizer distillation column. These columns are used in natural gas processing units (NGPUs) for the separation of the product propane from butane. Distillation columns have particularly challenging features from the control point of view, such as: nonlinearities, large time constants, delay, variable constraints and static gain signal inversion. Because compositional measures often have delays and sparse data, conventional control systems are not able to control composition directly and have difficulty keeping products within specifications. However, model-based controllers predict composition through the internal process model, besides being able to handle constraints. In the literature, no applications of the modified Hammerstein model for distillation column or multivariable systems was found, so this is a novelty. Therefore, three control strategies were studied: traditional PID control, NMPC with modified Hammerstein model (H-NMPC) and NMPC with neural network model (NN-NMPC). The studied system was identified in order to obtain adequate numerical values of the model parameters. The model identification and the NMPC algorithms were implemented in the MATLAB environment. The distillation column was simulated using Aspen Plus Dynamics. As a result, the H-NMPC provided better control performance for different setpoint tracking, control variables decoupling, and disturbance rejection. Furthermore, it presented faster computational speed compared to NN-NMPC.

[pt] Este trabalho apresenta procedimentos para análise dos esforços em colunas de revestimento instaladas em um poço de petróleo, sob a ação do fenômeno de fluência do sal, sendo também abordado os principais aspectos da estabilidade e deformabilidade das rochas salinas durante a fase de perfuração. Para a discretização e solução das equações diferenciais de equilíbrio do contínuo, utiliza-se no presente trabalho o método dos elementos finitos, através do programa ANVEC(1) . O comportamento tensão-deformação do sal foi descrito através de leis constitutivas obtidas a partir de dados sobre mineração subterrânea de evaporitos. O comportamento dos revestimentos é analisado segundo o enfoque adotado pela indústria do petróleo, no qual o carregamento salino é considerado independente do tempo e de intensidade igual a coluna litostática, na parede externa do revestimento. Os resultados obtidos comprovam que, para a solução do problema de se revestir uma seção salina é fundamental um trabalho eficiente de cimentação primária dos revestimentos, concêntricos, frente ao sal. Ao final, examina-se o comportamento de fluência de uma seção evaporítica típica de um poço de perfurado da Bacia de Campos, comparando-se as simulações numéricas com medições in-situ. / [en] This thesis presents an approach for analysis of casing stresses in oil wells due to the fenomena of creep of rock salt. The main aspects of wellbore stability and deformability while drilling salt formations are also discussed. In order to obtain the solutions for the differential equations of continous salt media, the finite element method has been used through the application of the ANVEC program for underground excavation analysis, utilizing constitutive laws obtained from salt mining projects. The mechanical behavior of casings are also analized according with the procedures considered in the petroleum literature, in which the salt loads are considered as time-independent. The results are in agreement with the observations of several autors that a sucessfull primary cement job is the main concern for keep the integrity of casing strings set acoss salt formations for long time. At the end of this work, the salt creep behaviour of a section of one well drilled in Campos basin are simulated and compared with field data. / [es] Este trabajo presenta procedimientos para análisis de los refuerzos en colunas de revestimiento instaladas en un pozo de petróleo, bajo la acción del fenómeno de fluencia de sal, abordando también los principales aspectos de estabilidad y deformabilidad de las rocas salinas durante la fase de perforación. Para la discretización y solución de las equaciones diferenciales de equilibrio del contínuo, se utiliza en el presente trabajo el método de los elementos finitos, a través del programa ANVEC. El comportamiento tensión-deformación de la sal fue descrito a través de las leyes constitutivas, obtenidas a partir de datos sobre mineración subterránea de evaporitos. Se analiza el comportamiento de los revestimientos según el enfoque adoptado por la industria del petróleo, en el cual, la concentración salina se considera independiente del tiempo y de intensidad igual a la columna litostática, en la pared externa del revestimiento. Los resultados obtenidos comprueban que, para la solución del problema de revestir uma sección salina, es fundamental un trabajo eficiente de cimentación primaria de los revestimientos, concéntricos, frente a la sal. Al final, se examina el comportamiento de fluencia de una sección evaporítica típica de um pozo de perforación de la Bacia de Campos, comparando las simulaciones numéricas con mediciones in situ.

[pt] Uma fase crítica do processo de obtenção do petróleo é a perfuração do solo para o acesso ao reservatório. Um dos problemas, em particular, é compreender o comportamento dinâmico da coluna de perfuração durante o processo de perfuração diante de diversos fatores como a interação broca-rocha, choques da coluna de perfuração contra a parede do poço, estratégias de controle da velocidade angular de operação e outros fatores. Uma etapa fundamental para lidar com este problema é a representação do sistema dinâmico para caracterizar a coluna de perfuração, isto é, o modelo matemático que representará a resposta dinâmica da estrutura diante dos carregamentos. Neste contexto, este trabalho abordará o problema da dinâmica de uma coluna de perfuração através de um modelo matemático baseado na teoria de Cosserat, que resultará em um sistema de seis equações diferenciais parciais que descrevem a resposta dinâmica de uma estrutura unidimensional, inserida no espaço euclidiano tridimensional, em termos das variáveis de deslocamento linear da curva e angular das seções. O modelo é capaz de descrever uma dinâmica não-linear, incluindo flexão, torsão, extensão e cisalhamento. Inicialmente, o sistema de EDPs é resolvido na forma quase estática, satisfazendo as condições de contorno, utilizando o método de Perturbação Regular. As soluções aproximadas são utilizadas como funções base para implementação no método de Elementos Finitos. Estas funções base são conhecidas como elemento de Cosserat Modificado (Modfied Cosserat Rod Element - MCRE). Verifica-se a limitação destas funções base para problemas que não envolvam grandes deslocamentos, não sendo adequadas para o problema proposto. Diante deste fato, o sistema de EDPs é escrito na forma fraca e resolvido por um software comercial de análise de Elementos Finitos considerando as condições de contorno, o modelo de interação broca-rocha, a estratégia de controle da velocidade angular e eventuais contatos da coluna contra a parede do poço. O modelo proposto produziu resultados que estão de acordo com a literatura e se mostrou capaz de lidar com grandes deslocamentos. / [en] A critical step in the oil exploration process is drilling the soil for access to the petroleum reservoir. One of the problems is understanding the dynamic behavior of the drill string during the drilling process in the face of various factors such as drill bit-rock interaction, drill string shocks against the well wall, angular velocity control strategies and other factors. A key part of dealing with this problem is the representation of the dynamic system to characterize the drill string, e.g., the mathematical model that will represent the dynamical response of the structure when facing different types of loads. In this context, this work will address the problem of the dynamics of a drill string using a mathematical model based on Cosserat theory that will result in a system of six partial differential equations that describe the dynamic response of a one-dimensional structure, inserted in three-dimensional Euclidean space, in terms of the linear displacement variables of the curve and angular displacement of the cross sections. The model is able to describe nonlinear dynamics, including flexure, torsion, extension and shear. Initially, the system of partial differential equations is solved in a quasi-static sense, satisfying the boundary conditions, using the Regular Perturbation method. The approximate solutions are used as shape functions for implementation in the Finite Element method. These shape functions are known as Modified Cosserat Rod Element (MCRE). It is verified that these shape functions are restricted to problems that do not involve large displacements and for this reason they are not suitable for the proposed problem. Given this fact, the system of partial differential equations is written in a weak form and solved by a commercial software based on Finite Element analysis, considering the boundary conditions, the drill bit-rock interaction model, the angular velocity control strategy and for any string contacts against the well wall. The proposed model produced results that are in agreement with the literature and is capable of dealing with large displacements.