[pt] Este trabalho se propõe a estudar o comportamento de máquina operatriz sob condições reais de operação, tendo em vista sua estabilidade de funcionamento. É analisado o efeito da variação da força de corte sobre a estrutura elástica de uma Furadeira Radial de Bancada, através da interpretação da Curva de Ressonânica, do Lugar Geométrico de Resposta Harmônica e do Diagrana de Estabilidade. E este último indica as faixas de velocidade de operação onde não há risco de instabilidade, em função do diâmetro e do avanço da broca. No final, é apresentada uma proposta de Teste de Aceitação para Máquinas Operatrizes, englobando aspectos dinâmicos e construtivos. / [en] The behavior of a machine tool, under real cutting conditions, here is studied, mainly considering its dynamic stability. The effect of the cutting force variation on the elastic structure of Radial Drilling Machine is analyzed by the Ressonance Curve, the Harmonic Response Locus and Stability Chart. This chart indicates the chatter-free rotational speed range, according to the tool diameter and infeed per revolution. An acceptance test for Machine Tools is proposed at the end, considering dynamic and constructive aspects.

[pt] Apresenta-se, neste estudo, quatro análises sobre bombas centrífugas radiais: a) Determinação de curvas características teóricas; b )Obtenção de curvas características de rotores usinados; c) Influência do estreitamento do rotos nas curvas características d) Efeitos da rugosidade do rotor nas curvas características experimentais. Utilizando-se de dois modelos de bombas Dancor, determinaram-se curvas características nos planos vazão-altura manométrica, vazão –potência efetiva e vazão-rendimento. Escolhendo-se os coeficientes, necessários ao calculo teórico de uma curva característica, dentro de critérios estabelecidos, consegue-se a aproximação entre as curvas teóricas e experimentais de uma bomba centrífuga radial. Ao usinar-se o rotor de uma bomba, as curvas características para o novo diêmetro deixam de obedecer às leis de semelhança, pois há variação do rendimento, principalmente na zona de trabalho de bomba. Determinou-se curvas com redução de 3,7 por cento e 11,1 por cento do diâmetro do rotor normal. Com o estreitamento do rotor há, na realidade, variações nos triângulos de velocidade, em virtude das perdas que acontecem na saída do rotor e, conseqüentemente, alterando as curvas características. Ensinando-se rotores com larguras 23 por cento menores do que o rotor normal. A rugosidade também altera as curvas características deslocando o ponto máximo rendimento para a esquerda (menor vazão e menor altura manométrica), num rotor 60 por cento mais rugoso do que o normal. / [en] The present work deals with theoretical and experimental considerations abount radial centrifugal pumps. Four analysis are made. They are: a) determination of theoretical characteristic curves; b) determination of characteristic curves of impellers with reduced diametes; c) influence of the narrowing of, impeller upon the characteristic experimental curves. Curves were determined in the capacity-head, capacity-effective power and capacity-efficiency the utilization of two models of Dancor pumps. Once the choice of the coeffcients needed for the theoretical calculation of a characteristic curve is made according to established of a characteristic curve is made according to establishe criteria, an approximation between the theorical and experimental curves a radical centrifugal pump is obtained. The determination of curves with cuts with 3.7 per cent and 11.1 per cent of the full impeller has been made. IT has been observed that when a pump impeller is cut the characteristic curves for the new diameter do not follow any more the laws of similarity because the is a variation in the efficiency mainly in the work zone of the pump. Assays have benn made with implellers that had widths 23 per cent less than the full ones. It has benn observed that with the narrowing of the impeller there are actually alterations in the triangles of velocity due to losses that occurin the exit of the impeller. On that acount. The characteristic are altered. Assays have also benn made with an impeller with 60 per cent more rugosity than a full one. It has benn shown is this study that the increase in rugosity causes alterations in the characteristic curves by shifting the best point of effciency to the left (lower capacity and lower head).

[pt] Materiais viscoplásticos, os quais apresentam tensão limite de escoamento, podem ser encontrados em vários processos naturais e em diversas indústrias, tais como: alimentícia, de cosméticos, farmacêutica e do petróleo. Nessas indústrias o conhecimento preciso das propriedades reológicas dos materiais viscoplásticos e do comportamento desses materiais em diferentes escoamentos é fundamental para o sucesso de várias operações. Todavia, a reometria desse tipo de material ainda apresenta alguns desafios como as medidas de tensão limite de escoamento, deslizamento aparente, tixotropia e a quebra da microestrutura na colocação da amostra no reômetro. Alémm disso, existe o fato de que até hoje alguns fenômenos em diferentes escoamentos envolvendo materiais viscoplásticos ainda permanecem não tão bem compreendidos, o que requer uma investigação mais profunda. Nesse trabalho, uma abordagem dos materiais que apresentam comportamento viscoplástico, dos métodos utilizados para as medições de suas propriedades reológicas e do comportamento desses materiais em diferentes tipos de escoamento é realizada. Além disso, é executada uma análise detalhada de escoamentos, tais como: viscométricos, através de expansões-contrações, envolvendo deslocamentos em tubos capilares e de escoamentos envolvendo deslocamentos em poços de petróleo. / [en] Viscoplastic or yield stress materials are found in a lot of natural processes, and in a wide variety of industries such as food, cosmetic, farmaceutical and petroleum. In these industries, knowing the accurate rheological properties of a viscoplastic material and its behavior in different flows are fundamental for the success of many operations. Nevertheless, the rheometry of this kind of material still presents some challenges, such as yield stress measurements, apparent wall slip, thixotropy and the breakdown of structure on loading the material into the rheometer geometry used. In addition to that, until now some phenomena in different flows involving viscoplastic materials are not well understood, and therefore more investigation is required. This thesis deals with viscoplastic materials, their rheological properties measurements, and their behavior in different kinds of flow. Moreover, a detailed analysis of flows such as viscometric, expansions-contractions, the displacements in capillary tubes, and the displacements inside oil wells was performed.

[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.

[pt] Atualmente na indústria do petróleo a simulação numérica é frequentemente usada para avaliar diferentes processos através de poderosas ferramentas de software que ajudam a evitar uma pesquisa experimental, que pode ser uma tarefa cara e às vezes impraticáveis. O objetivo deste estudo é apresentar uma investigação numérica para encontrar uma melhor eficiência no processo de cimentação em poços erodidos. Neste processo, um fluido desloca um outro fluido através de um tubo com secção transversal de área variável. Ambos os fluidos podem ter um comportamento não-newtoniano. A análise é feita pela solução numérica das equações governantes, utilizando o método de volumes finitos. Estudos anteriores mostraram que os processos de deslocamento através dos poços verticais são governados principalmente pela relação de viscosidades e densidades dos fluidos, pela excentricidade do espaço anular, e pelo número de Reynolds do escoamento. Além disso, outras variáveis tais como a rotação da parede e a geometria do poço podem influenciar a eficiência do deslocamento. Dessa forma, serão analisados o efeito de alguns destes parâmetros no escoamento ao longo do poço e na eficiência de remoção nos poços erodidos, a fim de ajudar na otimização dos processos de limpeza e de remoção. / [en] Currently in the oil industry, the numerical simulation is often used to eval-uate different processes through powerful software tools that help to prevent an experimental research in a real well, which can be an expensive and sometimes impractical task. The purpose of this study is to present a numerical investigation to find a better efficiency in the cementation process in eroded wells. In this pro-cess, one fluid displaces another through a tube with variable cross sectional area. Both fluids may have non-Newtonian behavior. The analysis is done by the nu-merical solution of the governing equations, using the finite volume method. Pre-vious studies showed that the displacement process through vertical wells are ruled primarily by the viscosity and density ratios of the fluids, the eccentricity of the annulus, and the Reynolds number. In addition, other variables such as the casing rotation and well geometry can influence the displacement efficiency. Then, the analysis of the influence of these parameters in the flow pattern through the well and removal efficiency in eroded wells will be performed, and will help to optimize the cleaning and removal processes.

[pt] Este trabalho apresenta uma abordagem pelo método dos elementos finitos para o cálculo da resposta tridimensional, estática e dinâmica, de estruturas unidimensionais total ou parcialmente imersas em um fluido em movimento. A técnica utilizada baseia-se na separação do movimento de corpo rígido dos deslocamentos totais do elemento resultando naqueles que efetivamente causam deformações, consideradas infinitesimais, sob condições de rotações finitas. A posição da estrutura é definida por um conjunto de eixos co-rotacionados e a avaliação das rotações deste sistema é detalhada. O estudo apresentado considera as não-linearidades decorrentes da mudança de geometria, do acoplamento entre os mecanismos de rigidez axial e transversal e do carregamento hidrodinâmico, considerado proporcional ao quadrado da velocidade relativa entre fluido e estrutura. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a hipótese de pequenas deformações é empregada. Desta forma, a utilização do sistema de coordenada co-rotacionado permite considerar-se um elemento de dois nós baseado no modelo de viga de Euler-Bernoulli com funções de interpolação dos deslocamentos nodais utilizando os polinômios cúbicos de Hermite e referidos ao sistema convectivo de cada elemento. Na integração temporal das equações de equilíbrio, utiliza-se o procedimento passo-a-passo de Newmark juntamente com a técnica iterativa de Newton-Raphson, obtendo-se, a cada instante de tempo, a configuração correspondente ao equilíbrio dinâmico da estrutura discretizada. O procedimento apresentado foi implementado em um programa de computador tendo-se verificado, para diversos exemplos, uma convergência satisfatória entre os resultados do modelo implementado e aqueles obtidos de outros com origem independente. / [en] This work presents a finite element approach to the three-dimensional static and dynamic response calculations of slender structures totally or partially immersed in a moving fluid. The technique is based on the separation of rigid body motions from the element total displacements resulting in those that effectively cause strain, and which are assumed infinitesimal, under conditions of finite rotations. The position of the structure is defined by a set of co-rotational axes and the evaluation of the finite rotations of this system is detailed. The study considers the non-linearities due to change in geometry, coupling between the axial and bending stiffness mechanisms and the velocity-squared drag loading. For the spatial discretization of the equilibrium equations, the small strain hypothesis is employed. The use of the co-rotational coordinate system makes possible to consider a two node element based on the Euler-Bernoulli beam kinematic model, with cubic Hermitian interpolation functions for the nodal displacements obtained at the convective coordinate system of each element. The Newmark step-by-step scheme is applied to directly integrate, in the time domain, the equilibrium equations and the Newton-Raphson iterative algorithm employed t solve the resultinh incremental non-linear set of equations, at each time step. The presented procedure was implemented in a computer program and various example results were satisfactorily tested against the ones obtained from independent programs.

[pt] Na indústria do petróleo são comuns processos envolvendo deslocamentos de um fluido pelo outro, como nos processos de completação e cimentação de poços. A eficiência desses deslocamentos é de suma importância, garantindo a vida útil do poço. A operação é considerada adequada quando ocorre uma distribuição homogênea da pasta de cimento na parede do poço. No presente trabalho um estudo experimental e numérico do deslocamento de fluidos em espaço anular foi realizada. Para os testes experimentais um simulador físico de um poço em escala foi construído. As equações de conservação de massa e momento foram resolvidas através do método de volumes finitos, utilizando os programas Fluent e OpenFOAM. Para a modelagem multifásica foi utilizado o método volume-of-fluid (VOF). No estudo, a avaliação da influência de parâmetros reológicos, razões de densidade e viscosidade, geometria do poço e vazão de bombeio foi realizada com o objetivo de otimizar o processo de cimentação. Os fluidos utilizados foram fluidos modelos e reais, newtonianos e não newtonianos. A eficiência de deslocamento foi avaliada através da configuração da interface entre os fluidos e através da determinação do da densidade da mistura na saída do anular ao longo do tempo. / [en] Displacement of one fluid by another is a common process at petroleum industry, as completion and cementing operations of oil wells. The success of these fluids displacement guarantee the lifetime of the wells. The adequate operation occurs when the cement slurry distribution at the wall is homogeneous. In this work, experimental and numerical studies of Newtonian and non-Newtonian fluid displacement through annuli are performed. The experiments are performed using a scaled oil well model. The numerical solution of the governing conservation equations of mass and momentum is obtained using the finite volume technique and Fluent and OpenFOAM softwares. The multiphase modeling is performed using the volume of fluid (VOF) method. The effect of rheological parameters, density and viscosity ratios, geometry configuration, and flow rate on displacement efficiency was evaluated to optimize cementing operation. Tests were performed using model and real fluids, Newtonian and non-Newtonian. The displacement efficiency was evaluated analyzing the interface between fluids and measuring the density of the mixture at the annuli outlet through time.

[pt] O deslocamento de um líquido por outro em espaços anulares é comumente encontrado na indústria do petróleo, e a maioria deles envolve materiais não newtonianos. O espaço anular muitas vezes apresenta irregularidades causadas pela erosão, onde quantidades consideráveis de fluido de perfuração podem ser deixadas para trás durante o processo de deslocamento, comprometendo a qualidade da operação de cimentação. Motivados por esse processo industrial, testes de deslocamento entre líquidos a vazão constante foram realizados em espaços anulares cuja parede externa possui, em uma determinada posição axial, um aumento repentino de diâmetro seguido de uma diminuição repentina de diâmetro mais a jusante. O objetivo dos experimentos era determinar a eficiência do deslocamento em função da vazão, reologia dos fluidos e geometria da cavidade. Os resultados revelaram forte influência desses parâmetros na eficiência de deslocamento. Ao mesmo tempo, um estudo numérico foi desenvolvido. Simulações numéricas das equações de Navier-Stokes em geometria axissimétrica para fluidos incompressíveis foram acopladas ao método Level-Set para captura da interface. Fluidos com viscosidade constante e o modelo newtoniano generalizado com função viscosidade de Carreau-Yasuda foram utilizados. Isso permitiu simular deslocamentos entre dois fluidos newtonianos e entre um fluido newtoniano e outro não-newtoniano. Este foi utilizado tanto como fluido deslocador quanto como deslocado. Foram realizadas simulações para várias razões de diâmetros, viscosidades, tempos de relaxação, e números de capilaridade e de Reynolds. Identificamos quando a aproximação do espaço anular por duas placas paralelas pode ser aplicada e calculamos como a forma da interface depende dos parâmetros investigados. / [en] The displacement of a fluid caused by another one, inside annular spaces, is commonly found in the oil industry and most of these rearrangements involve non-Newtonian materials. The annular space often shows irregularities caused by erosion, in which considerable amounts of drilling fluid can be left behind during the displacement process, compromising the cementing operation efficiency. Motivated by that industrial process, fluid-fluid displacement tests at constant flow rate were performed in annular spaces in which their exterior walls displayed - in a determined axial position - an abrupt expansion followed by an abrupt contraction. The purpose of the tests were to determine the displacement efficiency as a function of flow rate, rheological properties and geometric cavity. The results revealed a strong influence of these parameters on the displacement efficiency. At the same time, a numerical research was developed. Numerical simulations of the Navier-Stokes equations in axisymmetric geometry for incompressible fluids were coupled to the Level-Set method to capture the interface. Fluids with constant viscosity and the generalized Newtonian model with viscosity function of Carreau-Yasuda were used. That allowed to simulate displacements between two Newtonian fluids and a Newtonian and a non-Newtonian fluid. This was used both as a displacer and as a displaced fluid. Simulations were performed for several diameters and viscosities ratios, relaxatation time, capilar and Reynolds numbers. We identified when the approximation of the annular space by two parallel plates can be applied and calculated how the shape of the interface depends on the investigated parameters.

[pt] Obras de infraestrutura, que se apresentam como indutoras de desenvolvi-mento, frequentemente resultam em deslocamento involuntário e reassentamento de pessoas que ocupam ou dependem da área em questão. Tais processos de deslocamento e reassentamento podem estar associados a impactos adversos, gerando empobrecimento para as pessoas afetadas, bem como podem gerar oportunidades de desenvolvimento, não apenas para a região que se beneficiará das novas infra-estruturas instaladas, mas também para as pessoas afetadas física e/ou economicamente. Entender a engrenagem e a dinâmica de deslocamentos involuntários e reassentamentos e os fatores que contribuem para que tais processos resultem em impactos negativos ou positivos é fundamental para implementar planos de reassentamento que efetivamente gerem oportunidades e contribuam para processos de desenvolvimento integral. Alguns aspectos são fundamentais nesta discussão, entre eles (i) planejamento eficaz e participativo, com engajamento da comunidade afetada em todas as etapas do processo; (ii) compensação e restauração dos padrões de vida e meios de subsistência para além de compensação monetária; (iii) monitoramento e acompanhamento antes, durante e após o processo do deslocamento e reassentamento. É imperativo que se adote uma abordagem mais holística para o reassentamento, que conduza tal processo como um programa de desenvolvimento. / [en] Infrastructure projects presented as inducers of development often result in involuntary displacement and resettlement of people who occupy or depend on the area. Such displacement and resettlement processes can be associated with adverse impacts, resulting in impoverishment of the affected people, as well as it can generate development opportunities, not only for the region that will benefit from the new infrastructure, but also for the people physically and /or economically displaced. Understanding the gear and dynamics of involuntary displacement and resettlement and the factors that contribute for these projects to result in adverse or positive impacts is essential to implement resettlement programmes that effectively generate opportunities and contribute to development. Some key aspects to be considered in this discussion are (i) effective and participatory planning, with the engagement of the affected people in all stages of the process; (ii) compensation and restoration of living standards and means of subsistence in addition to monetary compensation; (iii) monitoring before, during and after the displacement and resettlement process. It is imperative to adopt an holistic approach to development-induced resettlement which conducts such process as a development program.

[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.