[pt] A técnica de Perfuração com Gerenciamento de Pressão está em crescente expansão no contexto das operações marítimas. Devido à complexidade dos reservatórios e das novas fronteiras de exploração e produção de petróleo, a perfuração com Gerenciamento de Pressão se apresenta como uma forma de redução de custo e aumento da segurança operacional para um grande volume das reservas de petróleo. Em alguns casos, a tecnologia é utilizada como viabilizadora, sendo a única forma de se perfurar os poços. Neste cenário, o entendimento do comportamento de migração de gás, quando da aplicação da técnica de Pressurized Mud Cap Drilling (PMCD), permite a elaboração do projeto de poço mais econômico além de contribuir para o aumento da segurança operacional. O presente estudo tem por objetivo apresentar um modelo matemático capaz de simular o comportamento da perda de fluido de perfuração para a formação com a ocorrência de influxo simultâneo e da migração de gás para a superfície, durante a perfuração com esta técnica, com robustez. É utilizado o modelo bifásico Drift-Flux associado ao método numérico Advection Upstream Splitting Method (AUSMV) para simular o comportamento descrito anteriormente. Antes da apresentação de estudos de casos de simulação com migração de gás, os resultados de cenários mais simples são comparados com os resultados de um software comercial tido, como referência na indústria para validação do programa. Através dos casos simulados é possível verificar a robustez do modelo matemático proposto, que se mostra capaz de fornecer respostas compatíveis quanto ao comportamento esperado do gás. A análise dos resultados obtidos permite estabelecer procedimentos para o monitoramento do que ocorre no poço de forma a otimizar as operações de bullhead no cenário de PMCD. / [en] The use of the Manage Pressure Drilling (MPD) is spreading in offshore operations. The increasing complexity in the new exploratory frontiers is demanding for new techniques to reduce costs and increase operational safety. MPD appears as an answer for that demand and sometimes it is the only viable way to drill some of the challenging wells. In that way, understanding the gas migration behavior while drilling in PMCD mode allows an optimized well design concerning cost and operational safety. The present study validates a mathematical model capable of simulating a scenario where loss of drilling fluid in the bottom of the well is present while having an influx from the same reservoir and observing gas migration to the surface in a PMCD operation. A Drift Flux Two Phase Flow Model is used in association with the Advection Upstream Splitting Method (AUSMV). Before the presentation and discussion of the complete PMCD scenario, two simple cases were simulated and the results were compared to the ones from a computer application considered as a reference to the industry, validating the proposed model. The results of the simulations can be used as a base for the elaboration of operational procedures to monitor gas behavior and optimize bullhead in PMCD scenarios.

[pt] Para acesso aos reservatórios portadores de hidrocarbonetos é necessária a perfuração de poços de petróleo. Entre as várias funções do fluido de perfuração podem se destacar o transporte do cascalho gerado pela broca, a função de primeira barreira para inibição de influxo das formações expostas no poço e a manutenção da pressão do poço dentre os limites de resistência das formações atravessadas (janela operacional). Alguns novos campos petrolíferos, bem como campos depletados sofrem restrições operacionais devido a pequenas janelas operacionais. A variação da pressão no poço aberto devido a perdas por atrito no anular, em alguns casos é maior do que a janela operacional, impedindo a perfuração do poço. Managed Pressure Drilling (MPD) é uma tecnologia alternativa à perfuração convencional. O anular do poço é vedado, possibilitando a retenção de pressão no anular. O ajuste da pressão no anular do poço possibilita compensar a variação da perda de atrito e perfurar poços com janelas operacionais estreitas. Para manutenção da pressão da zona objetivo dentro da janela operacional é necessário o controle adequado da pressão na superfície. A definição do valor de pressão necessário é obtida através do conhecimento do comportamento da dinâmica do fluido de perfuração no poço. Este trabalho desenvolveu um modelo de um sistema de poço de petróleo com MPD, levando em conta os efeitos estáticos e dinâmicos envolvidos na perfuração MPD. Sobre o modelo desenvolvido foram propostas e aplicadas diferentes técnicas de controle linear e não-linear para avaliação do desempenho dos controladores e identificação de pontos-chave na aplicação da técnica MPD. Os controles nãolineares propostos foram bem sucedidos em compensar os efeitos altamente nãolineares do sistema, melhorando sua resposta em tarefas típicas. / [en] For access of hydrocarbon reservoirs, drilling oil wells is required.. Among the various functions the drilling fluid may provide are cutting transportation generated by the bit, a barrier function for inhibiting influx of exposed formations in the well and maintaining well pressure within the resistance limits of the formations exposed (operational window). Some new oil fields as well as some depleted fields are experiencing severe operational restrictions due to small operational windows. The open hole pressure variation due to friction losses on the annular in some cases is greater than the operational window, inhibiting the perforation of the well. Managed Pressure Drilling (MPD) is an alternative technology to conventional drilling. The annular of the well is sealed while pressure is contained within it. By adjusting annular pressure it is possible to compensate for friction loss variation on the annular and drill well sections with close operational windows. For the proper pressure maintenance on the target zone within the operating window, it is required adequate pressure control on the surface. The definition of the necessary pressure value is obtained through knowledge of the dynamic behavior of the drilling fluid in the well. This work has developed a model of an oil well system with MPD, taking into account the static and dynamic effects involved in MPD. To the developed model different linear and non-linear control techniques were proposed and applied for evaluating the performance of controllers and identifying key points in implementing the MPD technique. The proposed non-linear control techniques were able to compensate for the highly non-linear nature of the system, improving its response during typical tasks.

[pt] Caracterização Reológica de Fluidos para Perfuração com Gerenciamento de Pressão. Forças Hidráulicas desempenham uma função importante em muitas operações de campo de petróleo, incluindo perfuração, completação, fraturamento, acidificação, workover e produção. Em aplicações de Perfuração com Gerenciamento de Pressão (Managed Pressure Drilling - MPD), onde as estimativas de perdas de pressão são críticas para controlar o poço dentro da janela de operacional, é necessário utilizar a reologia correta para a modelagem matemática precisa do comportamento do fluido. Os métodos API (American Petroleum Institute) empregam para os cálculos de hidráulica os modelos reológicos de Herschel-Bulkley (H-B), Power Law (PL) ou plástico de Bingham. Este trabalho resume os resultados de um estudo aprofundado sobre as questões e os aspectos relevantes relacionados com o equipamento e os métodos utilizados para caracterizar os fluidos de perfuração para aplicações MPD, bem como as implicações operacionais que divergem das práticas convencionais. Uma comparação da caracterização reológica de fluídos é feita usando reômetros de alta precisão contra métodos convencionais tais como o viscosímetro FANN35. Subsequentemente, é apresentada uma comparação da seleção do modelo reológico proposto por API 13B em contrapartida com o método de Regressão Não Linear (NLR). Investigações detalhadas das faixas de taxas de cisalhamento são apresentadas para geometrias de um poço anular MPD típico, calculadas através de Dinamica de Fluidos Computacional (CFD) e comparadas com as fórmulas sugeridas na API RP 13D. Para concluir, é apresentada uma discussão sobre os efeitos das medições, do tratamento de dados (Curve Fit) e do meio ambiente (observações de laboratório em comparação com experiências de campo) na precisão da obtenção da reologia do fluido e as consequências na estimativa das perdas de carga no anular. / [en] Enhanced fluid rheology characterization for Manage Pressure Drilling. Hydraulics play an important role in many oil field operations including drilling, completion, fracturing, acidizing, workover and production. In Managed Pressure Drilling (MPD) applications, where pressure losses become critical to accurately estimate and control the well within the operational window, it is necessary to use the correct rheology for a precise mathematical modelling of fluid behavior. The standard API methods for drilling fluid hydraulics employ Herschel-Bulkley (H-B), Power Law (PL) or Bingham plastic as rheological models. This work summarizes the results of an extensive study on issues and relevant aspects related to the equipment and methods used to characterize the drilling fluids for MPD applications, as well as the operational implications that diverge from conventional practices. A comparison of fluid rheology characterization is made using high precision rheometers versus conventional FANN35 methods. Subsequently, a comparison of rheology model selection proposed by API 13B and by Non Linear Regression (NLR) is presented. Further investigation of shear rate ranges is presented in a MPD typical annular geometry. Results obtained via Computational Fluid Dynamics (CFD), and with the formulas suggested in API RP 13D are compared. To conclude, the effects of measurements, data treatment (Curve Fit), and environment (laboratory observations versus field experiences) in the accuracy of fluid rheology characterization and annulus pressure loss estimation are presented and discussed.