[pt] Um dos maiores desafios na perfuração das rochas carbonáticas, situadas a grandes profundidades, é superar as baixas taxas de penetração que vem sendo obtidas na perfuração de poços verticais e direcionais. Para vencer este desafio, um grande esforço vem sendo desenvolvido em várias linhas de pesquisa, tanto no desenvolvimento de novos conceitos de brocas como na seleção de um sistema de perfuração que apresente um melhor desempenho. Para atingir este objetivo, estão sendo priorizados procedimentos e sistemas de perfuração que apresentem menores níveis de vibração, pois este fenômeno além de reduzir a eficiência da perfuração, também compromete o tempo de vida útil dos equipamentos e, por consequência, acarreta a redução da confiabilidade do sistema e eleva o custo por metro da perfuração. Por conseguinte, novas tecnologias de brocas e sistemas de perfuração estão em desenvolvimento e, dentre as novas tecnologias, podemos diferenciar aquelas que promovem melhorias nas tecnologias convencionais e as tecnologias francamente inovadoras, aquelas que utilizam novos mecanismos para cortar ou fragilizar a rocha. Dentre as tecnologias inovadoras, a perfuração assistida por laser é uma das mais promissoras, nesta versão o feixe da energia radiante tem a função principal de fragilizar a rocha, facilitando o avanço da perfuração. Esta dissertação tem por objetivo realizar uma avaliação das possibilidades de aplicação da tecnologia laser na perfuração de rochas. O meio através do qual o laser deverá atuar nas aplicações futuras é analisado sobre o enfoque das suas propriedades físico-químicas. Dessa forma, o conhecimento da interação com o fluido de perfuração é o ponto de partida para a análise de viabilidade. Inicialmente, análises de absorção ótica foram realizadas em alguns tipos de fluido utilizados na indústria do petróleo e, na sequência, foram realizados testes de bancada com um dispositivo eletro-mecânico, especialmente desenvolvido, para servir de base para o laser, com potência máxima de 1500 W, direcionado sobre amostras de rochas carbonáticas. A análise de absorção ótica tem por objetivo compreender melhor o processo de interação do laser com o fluido de perfuração. Os testes de absorção ótica foram realizados para avaliar a absorção da luz, na faixa de comprimento de onda entre 800 nm até 1200 nm. A partir destas informações foi dado o primeiro passo no conhecimento da interação com o fluido de perfuração. Na seqüência da abordagem, um resumo, em nível de pesquisa bibliográfica é apresentado com os estudos, análises e testes de bancada já realizados por vários pesquisadores para verificar o estágio de desenvolvimento desta tecnologia inovadora. A partir deste conhecimento, será possível fazer uma inferência sobre as reais possibilidades desta tecnologia e iniciar um levantamento preliminar sobre os pontos considerados críticos para a sua aplicação, no cenário de perfuração de um poço de petróleo. O cenário de perfuração, como se sabe, é um ambiente agressivo, sujeito a altas vibrações, temperaturas e pressões elevadas. Para concluir, serão apresentados os resultados obtidos em teste de bancada com dispositivo especificamente construído para a fundamentação das conclusões da dissertação. Dentre os aspectos mais relevantes, podemos mencionar: a determinação da durabilidade do sistema, considerando a resistência da lente de focalização ao aquecimento provocado pelo laser e, também, uma avaliação da eficiência do processo sob o ponto de vista do valor obtido para a energia específica. Em resumo, o objetivo final dessa dissertação é o de concentrar em um documento as informações mais atualizadas sobre a utilização do laser na perfuração de rochas e apresentar uma análise, ainda que preliminar, sobre os possíveis pontos de melhoria que permitam viabilizar esta tecnologia no futuro. / [en] One of the biggest challenges in drilling the carbonate rocks located at great depths is to overcome low penetration drilling rates that have been obtained in vertical and directional wells. To overcome this challenge, a great effort is being developed on multiple lines of research. All of them are focused in new concepts of drilling procedures and the selection of a drilling system that presents a better performance. To achieve this goal, new procedures are being designed and drilling systems with lower vibration levels are under development. Vibration reduces the efficiency of drilling, also decreases the lifetime of equipment and consequently causes a reduction in reliability of all system and raises the drilling costs. Consequently, new drill bit technologies and drilling systems are being developed and, among the new technologies we can differentiate those that only promote improvements in conventional technologies and those innovative technologies, in which new mechanisms to cut or weaken the rock are used. The drilling assisted laser is one of the most promising mechanism in which the radiant energy beam has the primary function to weaken the rock increasing the performance of drilling process. This dissertation aims to perform an assessment of the possibilities of laser technology in rock drilling applications. The laser will have to pass through the drilling fluid in the future applications so it is very important to understand their physicochemical properties and their mutual interaction. For this reason, the knowledge of the interaction with the drilling fluid is the starting point for this work. First of all, it will be accomplished an analysis of optical absorption in some types of fluid used in the oil industry. After that, it will be performed bench testing with an electro-mechanical device that will support a laser whose maximum power can reach 1500 W and it will be pointed to carbonate rock samples. The optical absorption analysis aims to better understand the interaction of the laser with the drilling fluid. The optical absorption tests are performed to evaluate the absorption of light in the wavelength range from 800 nm to 1200 nm. From this information, it will be taken the first step to understand the interaction with the drilling fluid, which is the starting point for the feasibility study of the use of lasers. Following the approach, a literature review will be presented with the studies, analysis and bench testing already conducted by various researchers to check the stage of development of this new technology. Taking into account this knowledge, it will be possible to make an initial approach about the actual possibilities of this technology and initiate a preliminary survey on the questions that are critical to its application in a drilling scenario in the well construction, an aggressive environment which is subject to high vibrations, high temperatures and pressures. To conclude, we present the results obtained in bench testing with device specifically built for supporting the conclusions of the dissertation. Among the most relevant aspects, we can mention the durability of the system, considering the focusing lens lifetime under the heating effects caused by the laser. Another point, it is to make an evaluation of the performance of drilling process, considering the specific energy. In summary, the ultimate goal of this dissertation is to concentrate in a single document the most current information about the use of laser drilling and present an analysis, though preliminary, about the possible improvement points that will allow the feasibility of this technology in the future.

[pt] Acidentes com influxo descontrolado de hidrocarbonetos em um poço de petróleo (blowouts) são eventos com baixa probabilidade de ocorrência na indústria, porém têm impactos catastróficos. O evento de Macondo, com uma sonda afretada pela British Petroleum (BP) no Golfo do México (GoM), mostrou que um acidente dessa proporção tem um impacto significativo nas pessoas, no meio ambiente, nos ativos e na imagem da empresa. Portanto, uma resposta rápida e definitiva para o problema se mostra necessária. Dentre as possibilidades de se conter um derramamento de óleo ocasionado por um blowout, a mais efetiva para cessar o vazamento com segurança e abandonar definitivamente o poço em descontrole é o poço de alívio. Trata-se de um poço direcional perfurado a uma determinada distância do poço em blowout, respeitando-se critérios mínimos de segurança, com o objetivo de interceptar este no ponto estabelecido em projeto. Após a interceptação, injeta-se fluido de alta densidade que, quando preenche o poço que estava em blowout, gera uma contra-pressão capaz de cessar o influxo de hidrocarbonetos do reservatório. Quando é feita essa contra-pressão e o poço que estava em blowout estiver estável e sem influxo, injeta-se cimento pelo poço de alívio para que seja tamponado o reservatório e o poço possa ser abandonado de forma definitiva. No presente trabalho o enfoque é no amortecimento do poço em blowout através do poço de alívio e, portanto, parte-se do pressuposto que a detecção e interceptação do poço em influxo foi feita com sucesso no ponto desejado. A detecção, a interceptação e o abandono no poço em blowout não são estudados com detalhes. O trabalho é desenvolvido tomando como base um poço exploratório de gás a ser simulado, trabalhando os requisitos de pressão e vazão que melhor se adequam ao proposto. O objetivo do amortecimento do poço em blowout pelo poço de alívio é cessar o influxo descontrolado de forma eficaz, otimizando os parâmetros de pressão, vazão e volume de fluido às capacidades de sondas e embarcações disponíveis no mercado. Caso não seja possível o amortecimento variando a densidade do fluido injetado e a pressão nas bombas de injeção, parte-se para mudanças na estratégia de amortecimento como, por exemplo, variação no número de poços de alívio a serem perfurados para amortecer o poço em blowout ao mesmo tempo. Não será objetivo do presente trabalho a modificação no projeto do poço com o objetivo de facilitar o amortecimento. / [en] Accidents with uncontrolled influx of hydrocarbons into an oil well (blowouts) are events with a low probability of occurrence in the industry. Although, if they occur, the impact may be catastrophic. The Macondo event, with British Petroleum s rig (BP) in the Gulf of Mexico (GoM), showed that an accident of this proportion has a significant impact on people, environment and an image of the company. Therefore, a quick and definitive response for the problem is necessary. There are several possibilities to contain an oil spill caused by a blowout. However, the most effective way to safely plug and abandon (P and A) the blowout well is the relief well. This technique consists of the construction of a directional well at a certain distance from the blowout well, respecting minimum safety criteria, in order to intercept this at the point established in the project. After the interception, kill mud is pumped at high rates what makes a backpressure capable of killing the blowout well. When this backpressure is enough to kill the blowout well, cement is pumped through the relief well to plug and abandon permanently the well. In the present work, the objective is to kill the blowout well and we consider that detection and interception of the blowout well was successfully been made at the target point. Detection, interception and P and A of the blowout well are not covered in detail. This work is developed based on an exploratory gas well to be simulated, working the pump rate and pump pressure requirements that best fit in the proposed one. The purpose of well killing is to kill the well optimizing the parameters of pressure, flow and volume of fluid considering the rig and vessels available in the market. If well killing is not possible by varying the density of the kill mud and pump pressure it will be tried new strategies like changing the number of relief wells at the same time to be drilled killing the blowout well. It s not a purpose of this study to change the well design.

[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

[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] A energia desempenha um papel estratégico global, com a indústria do petróleo sendo uma fonte crucial. No entanto, iniciativas visando reduzir a dependência do petróleo surgem, impulsionadas principalmente por preocupações ambientais, como as mudanças climáticas. A transição energética ganha destaque nas agendas nacionais, refletindo a interligação entre energia e meio ambiente. Apesar da redução na previsão de crescimento da demanda a indústria global de petróleo e gás, a indústria do petróleo permanece vital, sustentando fontes de energia, gerando receitas e empregos. Contudo, a indústria enfrenta pressões ambientais crescentes, destacando a necessidade de investir continuamente em segurança nas operações de exploração de poços. O blowout, apesar de ser evento com baixa probabilidade de ocorrência, representa uma ameaça grave, não apenas para a imagem da empresa, mas também para o meio ambiente e a vida das pessoas. O exemplo do blowout de Macondo, ocorrido no Golfo do Mexico, em operação da British Petroleum (BP) evidencia os impactos significativos. O combate ao blowout envolve mitigação de impacto e controle da fonte. Estratégias essenciais para mitigação de impactos e o controle da fonte incluem o fechamento do poço com equipamento de bloqueio (capping) e a construção de um poço de alívio. O primeiro é uma ação rápida para fechar o poço e cessar o vazamento de hidrocarboneto para o meio ambiente, enquanto o segundo visa construir um poço adicional para interceptar, amortecer e abandonar de forma definitiva o poço em blowout. O presente trabalho concentra-se em apresentar soluções para amortecimento do poço em blowout via poço de alívio em situações que exigem altas vazões e volumes. Simulações revelam desafios técnicos, como demandas de grandes volumes e altas vazões de amortecimento. Portanto, a pesquisa busca oferecer soluções diferenciadas para atender a essas demandas específicas e contribuir para a segurança e eficácia das operações. / [en] Energy plays a global strategic role, with the oil industry being a crucial source. However, initiatives aimed at reducing dependence on oil are emerging, mainly driven by environmental concerns such as climate change. Energy transition gains prominence in national agendas, reflecting the interconnectedness between energy and the environment. Despite the reduction in the demand growth forecast, the global oil and gas industry, the oil industry remains vital, sustaining energy sources, generating revenue, and jobs. However, the industry faces increasing environmental pressures, highlighting the need for continuous investment in safety in well drilling operations. Blowouts, although events with low probability of occurrence, represent a serious threat not only to the company s image but also to the environment and people s lives. The example of the Macondo blowout in the Gulf of Mexico, during British Petroleum (BP) operation, illustrates significant impacts. Combatting blowouts involves impact mitigation and source control. Essential strategies for impact mitigation and source control include well capping and the construction of a relief well. The former is a rapid action to close the well and stop hydrocarbon leakage into the environment, while the latter aims to build an additional well to intercept, killing, and permanently abandon the blowout well. This work focuses on presenting solutions for blowout well killing via relief well in situations requiring high flow rates and volumes. Simulations reveal technical challenges, such as demands for large volumes and high pump rates. Therefore, the research seeks to offer differentiated solutions to meet these specific demands and contribute to the safety and effectiveness of operations.