[pt] Muitas indústrias usam em seus processos materiais viscoplásticos. Esses materiais possuem propriedades que dependem fortemente da temperatura. Não é incomum encontrar processos envolvendo escoamentos não isotérmicos de materiais viscoplásticos. Nesses casos, informações sobre a transferência de calor são extremamente necessárias para um bom atendimento e aperfeiçoamento das operações. Fluidos de perfuração são tipicamente suspensões aquosas, e, por consequência, de natureza viscoplástica.Tais fluidos devem possuir densidade correta para manter a integridade física dos poços e evitar a produção prematura de hidrocarbonetos. Além disso, suas propriedades reológicas devem garantir a capacidade de arraste das partículas de rocha geradas durante o processo de perfuração, com um mínimo de potência de bombeamento. Tais particularidades requerem fluidos com baixas viscosidades a altas taxas de cisalhamento, que ocorrem em regiões próximas à parede, e altas viscosidades quando as taxas de deformação são baixas, o que ocorre na vizinhança do cascalho. Materiais viscoplásticos apresentam este tipo de comportamento. Portanto, o sucesso do processo de extração do petróleo depende do conhecimento e controle das propriedades reológicas dos fluidos de perfuração, as quais são fortemente dependentes da temperatura. Por esse motivo, a determinação do campo de temperatura no fluido de perfuração em escoamento faz-se necessária ainda em nível de projeto, o que só é possível com o conhecimento dos coeficientes de troca de calor. Estuda-se neste trabalho o problema da transferência de calor na região de entrada de escoamentos laminares de fluidos viscoplásticos através de espaços anulares. O comportamento do material é representado pelo modelo do fluido Newtoniano generalizado, com a função viscosidade descrita pela equação de Herschel-Bulkley. As equações de conservação são resolvidas numericamente via o método de volumes finitos. Investigam-se os efeitos (no coeficiente de troca de calor) da tensão limite de escoamento, índice power-law, razão de aspecto e dos números adimensionais de Reynolds e Peclet. Dentre outras conclusões, mostra-se que o números de Nusselt é uma função muito fraca das propriedades reológicas, desviando-se muito pouco dos valores Newtonianos. Surpreendentemente, esta conclusão contrasta-se fortemente com o comportamento observando em escoamentos de materiais viscoplásticos através de tubos. Convém enfatizar a importância desse fato no que tange a projetos de processos. / [en] There are many industries that use in their processes viscoplastic materials. These materials have properties that strongly depend on temperature. It is not uncommon to find processes involving the non-isothermal flow of viscoplastic materials. For these cases, heat transfer information is needed to allow reliable process designs. Drilling muds are typically aqueous suspensions and, consequently, viscoplastic in nature. They must have the correct density to provide the pressure needed for well integrity, and for avoiding premature production of hydrocarbons. Their rheological properties must be such as to aloe carrying the drill chips with a minimum of pumping power. This requires a highly shear-thinning rheological behavior. Also, the success of a well cementing operation depends to a great extent on the knowledge and control of cement rheological properties, which are also temperature dependent. In this work, heat transfer in the entrance-region flow of viscoplastic materials through annular spaces is analyzed. The flow is laminar, and the material is assumed to behave as a Generalized Newtonian fluid, with a Herschel-Bulkley viscosity function. The conservation equations are solved numerically via a finite volume method. The effect on heat transfer of yield stress, power-law exponent, aspect ratio and dimensionless Peclet and Reynolds numbers is investigated. Among other findings, it is shown that the Nusselt number is a rather weak function of the rheological properties, deviating very little from the Newtonian values. Surprisingly, this stands in strong contrast to the behavior observed for flows of viscoplastic materials through tubes. It is worth noting that this finding has important consequences in process design.

[pt] Este trabalho teve como objetivo estudar as características de filtração estática e dinâmica de um fluido usado em fraturamento hidráulico à temperatura ambiente. Para sua realização foi projetado, desenvolvido e qualificado metrologicamente um simulador que permitisse efetuar testes de filtração estática e dinâmica. Foram realizadas filtrações com um fluido newtoniano (água) e um não newtoniano (HPGUAR-BO lbm/1000gal). / [en] This research intended to study the characteristcs of dynamic and static leakoff of a fluid in hydraulic fracturing at room temperature. A test apparatus was designed, constructed and metrologically qualified in order to carry out dynamic and stactic leakoff test. Leakoffs with a Newtonian fluid (water) and with a non-Newtonian one (HPGUAR-BO lbm/1000 gal) were performed.

[pt] O trabalho analisa a transferência de calor no escoamento de fluidos não-newtonianos através de uma contração abrupta circular de razão 4:1, com temperatura prescrita nas paredes sólidas. O escoamento de fluidos elásticos nesta geometria apresenta uma região de recirculação bem maior que no caso de fluidos Newtonianos. Esta alteração no padrão do escoamento altera significativamente o processo de transferência de calor. O escoamento representa uma boa modelagem do processo de extrusão de líquidos poliméricos. Resolvem-se as equações de conservação de momentum e energia desacopladamente, já que foi adotadas a hipótese de não variação das propriedades do fluido com a temperatura. A relação tensão – taxa de deformação foi feita através de dois modelos constitutivos, Newtoniano generalizado e Maxwell convectado. A hipótese de escoamento lento não foi adotada, como é usualmente feito na literatura da área. Deste modo, analisa-se separadamente a influencia dos efeitos elásticos e inerciais. As equações diferenciais foram integradas numericamente pelo método dos volumes finitos e o aclopamento velocidade\ pressão foi feito através do algoritmo SIMPLE. Pelos resultados obtidos, observa-se a importância da modelagem não newtoniana e da inclusão dos termos inerciais no estudo do escoamento e da transferência de calor no processo de extrusão de polímeros. / [en] It is well known that the flow of a non-Newtonian fluid through a sudden contraction exhibits a vortex in the corner region bigger than the one observed in the corresponding flow of a Newtonian Fluid. This change of pattern of the flow affects significantly the heat transfer at the wall. It was investigated the case og a a 4:1 circular contraction, with uniform temperature distrubuition at the solid walls. This problem represents a first approach for the analysis of the polymeric liquids extrusion process. The flow and temperature field have been obtained from the numerical integration of the conservation equations. To account for the flow dependence of the stress tensor, a generalized Newtonian model and a convected Maxwell model have been employed. The creeping flow hypothesis has not been adopted, so it was possible to analyse the elastic effects and the inertial effects separately. The nuemerical solution have been obtained via a finite-volume method. The results show the importance of the non-Newtonian modeling and of the inclusion of inertial terms in the study of the flow and beat transfer in the polymeric liquids extrusion process.

[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 tamponamento de poços de petróleo é analisado numericamente. Neste processo, um fluido mais denso (pasta de cimento) é colocado sobre outro menos denso (fluido de perfuração) em um poço vertical, resultando em uma situação de instabilidade. O escoamento resultante foi estudado de forma a avaliar se o isolamento do poço ocorreria até o momento da cura do cimento (entre 4 e 5 horas). O cimento foi modelado como fluido não-newtoniano e o fluido de perfuração foi considerado newtoniano em alguns casos e não-newtoniano nos demais casos. A solução do escoamento foi obtida numericamente, usando-se o programa ANSYS Fluent. As equações de conservação são resolvidas empregando-se o Método dos Volumes Finitos e o escoamento multifásico foi modelado utilizando-se o método Volume de Fluido. O comportamento viscoplástico não-newtoniano foi modelado empregando a equação constitutiva do fluido newtoniano generalizado, com a função de viscosidade Herschel-Bulkley. O sucesso da operação foi determinado pela combinação dos parâmetros reológicos e geométricos. O efeito dos parâmetros como a razão entre densidades e viscosidades foi investigado para uma geometria fixa (razão fixa entre o comprimento do tampão e o seu diâmetro). Além disso, a influência dessa mesma razão no processo também foi analisada enquanto outros parâmetros foram mantidos fixos. Foi demonstrado que o escoamento é muito instável e que os parâmetros estudados afetam consideravelmente a operação. / [en] The plugging process of an oil well was analyzed numerically. In this process, the denser fluid is the cement plug, which was placed above the drilling fluid in a vertical well, resulting in an unstable situation. The cement plug was modeled as non-Newtonian and the drilling fluid was considered Newtonian in some cases and non-Newtonian in other cases. The flow solution is studied using the ANSYS Fluent program. The conservation equations were solved using the Finite Volume Method, and the multiphase flow was modeled with the Volume of Fluid method. The non-Newtonian viscoplastic behavior of the cement plug was modeled with the Generalized Newtonian Fluid constitutive equation, with the Herschel-Bulkley viscosity function. The success of the operation was determined by the combination of the governing rheological and geometric parameters. The effect of the governing parameters, such as the density ratio and the viscosity ratio, were investigated for a fixed geometry and a fixed ratio between the cement plug length and diameter. Furthermore, the influence of this ratio in the process was also analyzed while others governing parameters were fixed. It was shown that the flow is highly unstable, and that the governing parameters considerably affect the operation.