[pt] A indústria do petróleo realiza contínuas pesquisas para aperfeiçoar as operações de perfuração, aumentando a taxa de penetração e reduzindo o tempo não produtivo. Diversos estudos analisam o processo de corte em rocha utilizando brocas PDC (Polycrystalline Diamond Compact). Experimentos como o ensaio de cortador único simulam a interação existente entre a rocha e o cortador. Além disso, modelos numéricos têm sido criados para fazer o mesmo tipo de análise obtendo estimativas concordantes com resultados experimentais. No entanto, os ensaios experimentais geram altos custos de investimento, e por sua vez, as simulações numéricas demandam tempo muito alto para realizar análises de boa qualidade. Modelos analíticos procuram eliminar o fator custo e tempo, gerando resultados confiáveis da simulação do processo de corte, similares aos resultados das análises experimentais e numéricas. Os modelos analíticos aqui apresentados permitem estimar as forças medidas pelo cortador no processo de corte, partindo das propriedades mecânicas da rocha. Os modelos levam em conta o equilíbrio de forças no instante do corte e consideram, para o cálculo das forças, a sua geometria e as propriedades de resistência do material. A rocha utilizada no presente trabalho é um evaporito. A aplicação deste tipo de metodologia para corte em halita obriga a considerar no modelo analítico o incremento nas forças devido ao comportamento dúctil do material, à existência de deformações plásticas e à aglomeração de material na face do cortador a fim de obter uma melhor estimativa das forças de corte. Conseguem-se estimativas aceitáveis com dois dos modelos avaliados nas condições de pressões atmosféricas e altas pressões de confinamento. / [en] The oil industry carries out continuous research to improve drilling operations, to increase the penetration rate and to reduce non-productive time. Several studies analyze the rock cutting process using PDC bits (Polycrystalline Diamond Compact). Experiments with a single cutter machine measure the interaction between the rock and the cutter. Furthermore, numerical models aim to simulate the physical process and calculate results as possible consistent with experimental data. However, experimental tests are expensive and robust and numerical simulations are time consuming. Analytical models aim to reduce both cost and time factor, while providing reliable results for simulation of cutting process. The analytical models presented here allow us to estimate the forces measured on the cutter in the rock cutting process. The models take into account the balance of forces acting on the cutter face and these forces are calculated based on geometry and material properties of both cutter and rock. The rock evaluated in this work is an evaporite. The application of such type of methodology to simulate the salt rock drilling requires the analytical model to consider the increase of forces due to rock ductile behavior and the existence of plastic deformation and agglomeration of material on the cutter s face in order to obtain adequate estimation of the cutting forces. Two of the evaluated models in this work presented agreement with experimental results, both under atmospheric and high pressure conditions.

[pt] A perfuração de poços de petróleo em ambientes adversos requer especialistas dedicados a estuda-la a fim de garantir que ela ocorra de forma rápida, segura e com qualidade. Dentro desse contexto, há estudos experimentais e numéricos que avaliam a ação de corte feita por um cortador individual objetivando quantificar as forças de contato, propor soluções para aumentar o seu tempo de vida útil e a sua taxa de penetração, e entender o mecanismo de corte. Seguindo esta linha de pesquisa, a presente Tese visa oferecer uma melhor compreensão para o problema de interação rocha/cortador PDC (Polycrystalline Diamond Compact) ao longo da perfuração de depósitos evaporíticos de halita e de reservatórios de carbonatos. O estudo foi abordado através da modelagem numérica do ensaio de cortador único e da modelagem numérica de corte por múltiplos cortadores através do método dos elementos discretos. Resultados experimentais aferiram a calibração da amostra sintética e dos modelos numéricos de corte em rocha. Um estudo numérico paramétrico do ensaio de cortador único foi feito objetivando identificar parâmetros que controlam a ação de corte. Em seguida, foi desenvolvida uma equação analítica que quantifica a energia específica mecânica global resultante da ação de múltiplos cortadores, a fim de entender e quantificar qual a contribuição de cada cortador na eficiência global. A equação foi aplicada usando os resultados das modelagens numéricas de múltiplos cortadores. Constatou-se que o bom ajuste entre as previsões numéricas e os resultados experimentais validou o uso do método dos elementos discretos para modelar o processo de corte em diferentes tipos de rochas. A modelagem numérica desenvolvida neste estudo pode ser considerada uma ferramenta útil para projeto e otimização do desempenho de brocas de perfuração. / [en] Oil wells drilling in adverse environments requires specialists dedicated to study the drilling process to ensure a quickly, safely and quality performance. In this context, experimental and numerical studies can be find in technical literature that evaluate the cutting action done by a single cutter aiming to quantify the contact forces, proposing solutions to increase its useful life time and its rate of penetration, and to understand the cutting mechanism. Following this line of research, this Thesis aims to provide a better understanding regarding the rock / polycrystalline diamond compact cutter interaction during the halite deposits and carbonate reservoirs drilling. The study was approached through numerical modeling of the single cutter test and through numerical modeling of the cutting action by multiple cutters using the discrete element method. Experimental results were used to calibrate the synthetic sample and the rock cutting numerical models. A parametric numerical study of the single cutter test was done aiming to identify parameters that control the cutting action. Then, an analytical equation was developed that quantifies the global mechanical specific energy resulting from the cutting action of multiple cutters, in order to understand and quantify the contribution of each cutter to overall efficiency. The equation was applied using the results of numerical modeling of multiple cutters developed in this work. It was verified that the good agreement between numerical predictions and experimental results validated the use of the discrete element method to model the cutting process in different rock types. The numerical modeling developed in this study can be considered a useful tool for design and optimizing the performance of drill bits.