[pt] A resistência não confinada (UCS) é um parâmetro de interesse na análise de problemas geomecânicos: estabilidade de poços, restrição quantitativa das magnitudes das tensões in situ, determinação do potencial de produção de areia e seleção de brocas. É intuitivo que a resposta da broca de perfuração deveria refletir as propriedades de resistência da rocha sob as condições reais no fundo do poço. Porém a taxa de perfuração (ROP) é dependente de um número de outros parâmetros (desenho e tipo da broca, parâmetros de operação). Têm sido propostos, avaliados e verificados vários modelos de perfuração para os diferentes tipos de brocas em poços no Mar do Norte e no Canadá. Esses modelos, quando usados numa metodologia inversa, permitem estimar a resistência da rocha à perfuração, S. Esta pesquisa tem como objetivo correlacionar as resistências S e UCS. Uma vez alcançado esse objetivo a UCS pode ser calculada somente com base em parâmetros de perfuração (WOB, RPM, ROP). Foram encontradas duas correlações para as litologias folhelhos e arenitos do campo de estudo da bacia de Campos. Estas foram avaliadas e comparadas com a UCS estimada de perfis de poço obtendo-se resultados bastante satisfatórios. O espaço UCS/S vs. WOB/RPM usado para correlacionar as resistências mostra-se muito promissor para outras aplicações: planejamento/otimização de um novo poço (selecionando a melhor combinação de WOB e RPM), avaliação/diagnóstico da perfuração em Tempo Real. / [en] Unconfined Compressive Strength (UCS) is a parameter of interest in geomechanics problems analysis: Wellbore Stability, quantitative constrains stresses in situ magnitudes, assessment sanding potential and selection of bit drilling. It is intuitive that the drilling would have to reflect the strength rock properties under the real conditions in the bottomhole. However rate of penetration (ROP) is dependent of a number of other parameters. ROP models have been proposed for the different types of drilling bits and evaluated and verified in wells in North Sea and Canada. These models when used in an inverse methodology they allow estimate the drilling strength, S. This work was addressed to correlate drilling strength (S) and UCS. When this objective was reached the UCS can only be calculated of drilling parameters (WOB, RPM, ROP). Two correlations for shale and sandstone lithologics are proposal by the study field in Campos basin. Satisfactory results were obtain when these correlations were evaluated and compared with estimated UCS profiles from geophysical well logs. Space UCS/S vs. WOB/RPM used to correlate the strengths seems very promissory for other applications such as: planning/optimization of a new well (selecting the best combination of WOB and RPM), diagnostic and evaluation of the drilling in Real Time TR.

[pt] Neste trabalho é formulado e analisado o equilíbrio estático e a dinâmica de uma viga elástica tridimensional. A teoria tridimensional empregada, que pode ser chamada de teoria de Cosserat para vigas, é exata geometricamente, ou seja, não está baseada em aproximações geométricas ou suposições mecânicas. Para a deformação da viga, assume-se a hipótese de Bernoulli e por simplicidade consideram-se relações constitutivas lineares para o material. A configuração deformada da viga é descrita através do vetor de deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel, rigidamente unido à secção transversal da viga. A orientação da base móvel, relativo a um sistema inercial, é parametrizada usando três rotações elementares consecutivas. Na teoria de Cosserat para vigas, as equações do movimento são equações diferenciais parciais não-lineares em função do tempo e uma variável espacial. No entanto, para o equilíbrio estático, as equações tornam- se equações diferenciais ordinárias não-lineares com uma variável espacial que são resolvidas usando o método de perturbação. Da solução do equilíbrio estático, obtêm-se as funções de deslocamento da viga, em função dos deslocamentos e rotações nodais, as quais são usadas para a análise dinâmica. Para obter a dinâmica da viga usa-se a equação de Lagrange, que é formada pelas expressões da energia cinética e da energia potencial de deformação. Além disso, usa-se o método de Newmark para resolver as equações do movimento. Como aplicação, estuda-se numérica e experimentalmente, a dinâmica de uma viga rotativa curva contida numa cavidade uniforme. Quando se usa a teoria de Cosserat para vigas, que leva em conta as não linearidades geométricas, a alta precisão da resposta dinâmica é obtida dividindo o sistema em poucos elementos, as quais são bem menores que o tradicional MEF, essa é a principal vantagem da teoria desenvolvida. / [en] In this work, it is formulated and analyzed the static equilibrium and the dynamics for three dimensional deformation of elastic rods. The intrinsically one-dimensional theory that is employed, which may be called the special Cosserat theory of rods, is geometrically exact, namely, it is not based upon geometrical approximations or mechanical assumptions. For the rod deformation, it is adopted the Bernoulli hypotheses and for simplicity, the linear constitutive relations are employed. The deformed configuration of the rod is described by the displacement vector of the deformed centroid curve and an orthonormal moving frame, rigidly attached to the cross-section of the rod. The orientation of the moving frame, relative to the inertial one, is related by the rotation matrix, parameterized by three elemental rotations. In the sense of Cosserat theory, the equations of motion are nonlinear partial dfferential equations, which are functions of time and one space variable. For the static equilibrium, however, the equations become nonlinear ordinary differential equations with one space variable, which can be solved approximately using standard techniques like the perturbation method. After the static equilibrium equation are solved, the displacement functions are obtained. These nonlinear displacement functions, which are functions of generic nodal displacements and rotations, are used for dynamical analysis. To obtain the dynamics of the Cosserat rod, it is used the Lagrangian approach, formed from the kinetic and strain energy expressions. Furthermore, the equations of motion, which are nonlinear ordinary dfferential equations, are solved numerically using the Newmark method. As an application, a curved rod, constrained to rotate inside a hole, is investigated numerically and experimentally. When using the Cosserat rod approach, that take into account all the geometric nonlinearities in the rod, the higher accuracy of the dynamic responses is achieved by dividing the system into a few elements, which is much less than in the traditional FEM

[pt] O presente estudo descreve uma correlação entre o desempenho obtido por brocas de perfuração e o estado de tensões atuante na formação rochosa localizada imediatamente abaixo do fundo do poço. Os dados de desempenho de brocas de seis poços perfurados na costa marítima brasileira foram coletados e analisados. Tendo em vista reduzir o empirismo associado com este tipo de análise, é implementado um estudo que considera o perfil geomecânico do poço. O perfil geomecânico de uma dada formação rochosa é composto de suas propriedades mecânicas (módulo de Young, relação de Poisson, resistência à compressão simples, ângulo de atrito interno etc.), das pressões dos fluidos das formações e das tensões totais in situ. A dissertação mostra a sistemática utilizada para avaliar as tensões no fundo do poço através de um programa de elementos finitos 3D. Através destas tensões é possível definir um índice de plastificação à frente da broca de perfuração e o rendimento da mesma é avaliado levando este índice em conta. Alguns dos poços analisados foram perfurados em águas profundas, sendo que os resultados obtidos até o momento mostraram um grande potencial para a melhor compreensão de altos e baixos rendimentos com respeito à taxa de penetração da broca, de uma maneira racional. Baseados nesta análise novos estudos para avaliação de brocas poderão ser implementados indicando que reduções significativas de custo de perfuração poderão ser obtidas. / [en] The present dissertation describes a correlation between the bit performance and the state of stress acting upon the rock formation located immediately beneath the bottom of the wellbore. Bit performance data from 6 wells drilled offshore Brazil were collected and anlyzed. In order to reduce the empiricism associated with this type of data analysis, a study is being put forward that considers the geomechanical log along the drilled wellbore. The geomechanical log of a given rock formation is composed of its mechanical properties (Young's modulus, Poisson's Ratio, unconfined compressive strength, internal friction angle, etc.) as well as formation fluid pressure and in situ total stresses. The dissertation shows the metodology to evaluate the stresses at the bottom of the wellbore through a 3D finite element program. Trough these stresses it is possible to define an index of plastification ahead of the drill bit, and bit performance is rated taking this index into account. Some of the wells analyzed were drilled in deep water locations, and the initial results obtained herein, showed a great potential for better understanding for the good and bad performances, regarding the rate of penetration of the drill bit evaluation will be put forward with the great potential for drilling cost savings. / [es] El presente estudio describe la correlación entre el desempeño obtenido por brocas de perforación y las tensiones actuantes en la formación rocosa localizada debajo del fondo del pozo. Se colectaron y analizaron datos sobre el desempeño de brocas de seis pozos perforados en la costa marítima brasileira. Teniendo como objetivo reducir el empirismo asociado a este tipo de análisis, se implementa un estudio que considera el perfil geomecánico del pozo. El perfil geomecánico de una formación rocosa está compuesto de suas propriedades mecánicas (módulo de Young, relación de Pueson, resistencia a la compresión simple, etc.), de las presiones de los fluidos de las formaciones y de las tensiones totales in situ. La disertación muestra la sistemática utilizada para evaluar las tensiones en el fondo del pozo a través de un programa de elementos finitos 3D. A través de estas tensiones es posible definir un índice de plastificación al frente de la broca de perfuración y se evalúa su rendimiento llevando este índice en consideración. Algunos pozos analizados fueron perforados en aguas profundas, los resultados obtenidos hasta el momento mostraron un gran potencial para la mejor comprensión de altos y bajos rendimentos con respecto a la tasa de penetración de la broca, de una manera racional. Sobre este análisis nuevos estudios para evaluación de brocas pueden ser implementados indicando que pueden obtenerse reducciones significativas del costo de perforación.

[pt] Parte do processo de exploração e desenvolvimento de um campo de petróleo consiste nas operações de perfuração de poços de petróleo e gás. Particularmente para poços de águas profundas e ultra-profundas, a operação requer o controle de uma estrutura muito flexível que é sujeita a condições de contorno complexas, tais como as interações não-lineares entre broca e formação rochosa ou entre a broca e a parede de poço. Quanto a esta complexidade, o fenômeno stick-slip é um componente primordial relacionado à vibração torsional. Este pode excitar vibrações tanto axiais quanto laterais. Isso pode causar falha prematura de componentes de corda de perfuração. Assim, a redução e eliminação de oscilações do tipo stick-phase são itens muito valiosos em termos de economia financeira e de tempo de exploração. Com este propósito, este estudo tem como principal objetivo confrontar o problema de vibração torsional simulando uma estratégia de controle robusto em tempo real. A abordagem é obtida seguindo alguns passos, tais como: análise em malha aberta do sistema de perfuração considerando um atuador top drive e o sistema de coluna de perfuração; concepção de um novo controlador que utiliza diferentes velocidades angulares de referência num sistema de controle de malha fechada; controle da vibração torsional considerando a não-linearidade devida à interação de atrito na parede do poço e no fundo do poço; avaliar por meio de simulações sistemas de controle ininterruptos durante a perfuração; validação dos modelos por meio de simulações numéricas. Esta dissertação apresenta a base teórica por trás do sistema de perfuração, bem como exemplos de resultados numéricos que proporcionam uma operação de perfuração controlada estável e satisfatória. / [en] Part of the process of exploration and development of an oil field consists of the drilling operations for oil and gas wells. Particularly for deep water and ultra deep water wells, the operation requires the control of a very exible structure which is subjected to complex boundary conditions such as the nonlinear interactions between drill bit and rock formation and between the drill-string and borehole wall. Concerning this complexity the stick-slip phenomenon is a major component, related to the torsional vibration and it can excite both axial and lateral vibrations. That may cause premature failure of drill-string components. So, the reduction and avoidance of stickslip oscillations are very valuable items in terms of savings and exploration time. With these intentions, this study has the main goal of confronting the torsional vibration problem using a real-time robust control strategy. The approach is obtained following some steps such as: Open-loop analysis of the drilling system considering a top-drive actuator and the drill-string system; Design of a novel controller using different angular velocity setpoints in a closed-loop system; Control of the torsional vibration considering the nonlinearity due to friction interaction in the wall and in the donwhole system; valuate a non-stop control system while drilling; Verification by numerical simulations. In this presentation the theoretical basis behind the drilling system will be given, as well examples of numerical results providing a stable and satisfactory controlled drilling operation.

[pt] A estabilidade de poços de petróleo é convencionalmente analisada empregando soluções analíticas que não são adequadas para modelagem de meios fraturados, devido a suposições de meio continuo. Esta dissertação tem como objetivo principal desenvolver uma metodologia computacional para geração de janela operacional utilizando uma solução numérica, adequada para meios fraturados. No trabalho foi escolhido o software UDEC (Universal Distinct Element Code), que é baseado no método dos elementos discretos (MED). Este método considera o maciço rochoso como a união de blocos de rocha intactos, unidos pelas fraturas e cujo comportamento físico para cada elemento pode ser analisado individualmente. A modelagem computacional no UDEC foi realizada mediante uma analise hidromecânica acoplada. Esta modelagem permitiu avaliar a influencia de alguns mecanismos que governam a estabilidade de poços, como: as tensões in situ, a poropressão e a orientação, espaçamento e persistência das famílias de fraturas. Os resultados numéricos mostram o efeito das fraturas na orientação e magnitude das tensões, além da magnitude da poropressão resultando em cálculos dos limites de colapso inferior e fratura superior da rocha mais realistas. / [en] The stability of oil wells is conventionally analyzed using analytical solutions that are often not suitable for modeling fractured media due to assumptions of continuous medium. This work has as main objective to develop a computational method for generating mud window using a numerical solution, suitable for fractured media. The software chosen for this work was the UDEC (Universal Distinct Element Code), which is based on discrete element method (DEM). This method considers the rock mass as the union of blocks of intact rock jointed by fractures, and whose physical behavior for each element can be analyzed individually. Computational modeling in UDEC was carried out in a coupled hydromechanical analysis. This modeling allowed to evaluate the influences of some of the mechanisms that govern the stability of wells, as in situ stresses, pore pressure and orientation, spacing and persistence of families of fractures. Numerical results show the effect of fracture orientation and magnitude of the stresses, besides the magnitude of the pore pressure resulting in more realistic calculations of lower collapse and upper fracture of the rock mass.

[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.