[pt] O presente estudo busca definir uma relação de mistura estável utilizando aditivos poliméricos à base de álcool polivinílico (PVOH) para controlar a perda de filtrado, antiespumante e dispersante, caracterizando a influência de cada adição na cinética de hidratação, propriedades mecânicas, físicas e reologia da mistura. Além disso, foi caracterizado o comportamento das pastas de cimento em condições de cura que simulam a situação do poço até 6100 m de profundidade, seguindo as recomendações da API, e o comportamento do material nos estados in situ, utilizando pressões confinantes para realizar os ensaios de compressão. Por fim, propôs-se a inclusão de microfibras de álcool polivinílico (PVA) para melhorar o desempenho mecânico das pastas cimentícias, avaliando diferentes tipos de carregamento e definindo os impactos da adição de fibras na viscosidade e tixotropia das misturas. Verificou-se que o uso de PVOH como aditivo de perda de filtrado não influencia na cinética de hidratação para concentrações de até 0,4% em peso de cimento, mas à medida que a quantidade de PVOH é aumentada na mistura, o processo de hidratação da pasta de cimento pode ser modificado por causa do mecanismo de absorção do PVOH. Além disso, novas fases de produtos de hidratação aparecem com o aumento da temperatura e pressão de cura: dellaite, hydroxyellestadite e alpha-C2SH. A última fase (alpha-C2SH) está relacionada à perda de capacidade de resistência das amostras curadas a 149°C, simulando o caso do poço de petróleo de 6100 m de profundidade. Para os ensaios triaxiais, a pressão de confinamento conferiu às amostras um comportamento diferente do caso uniaxial, implicando em uma considerável melhora da plasticidade no comportamento tensão-deformação. Embora se observe algum reforço por atrito devido a tensões de cisalhamento no plano das fissuras, o efeito mais importante do confinamento é suportar a deformação dúctil, mesmo para o caso da pasta de cimento reforçada com fibra de PVA. Finalmente, o estudo mostrou que as fibras de PVA conferem um leve aumento da viscosidade da pasta de cimento, uma fase plástica prolongada aparentemente sem perda de capacidade de carga em testes triaxiais e uma capacidade aprimorada de absorver energia ao avaliar cargas de tração e cisalhamento. / [en] The present study seeks to define a stable mixing ratio using powder Polyvinyl Alcohol (PVOH) based polymeric additives to control the loss of filtrate, defoamer, and dispersant, characterizing the influence of each addition on hydration kinetics, mechanical and physical properties, and rheology of the mix. The behavior of cement pastes under curing conditions that simulate the wellbore situation up to 6100 m depth was also evaluated, following API recommendations. Moreover, the behavior of the material under in situ states, using confining pressures to perform the compression tests, was characterized. Finally, the inclusion of Polyvinyl Alcohol (PVA) microfibers is proposed to improve the mechanical performance of cement pastes, evaluating different types of loading and defining the impacts of the fiber addition on the viscosity and thixotropy of the mixtures. It was found that the use of PVOH as a fluid loss additive does not influence hydration kinetics for concentrations up to 0.4% by weight of cement, but as the amount of PVOH is increased in the mixture, the hydration process of the cement paste may be modified because of the PVOH absorptive mechanism. Moreover, new hydration products phases appear with increasing curing temperature and pressure: dellaite, hydroxyellestadite, and alpha-C2SH. The last phase (alpha-C2SH) is related to the loss of strength capacity of the samples cured at 149°C, simulating a 6100 m depth wellbore. For the triaxial tests, the confining pressure gave the samples a behavior markedly different from the uniaxial case, implying a considerable improvement in the plasticity of the stress-strain behavior. Although some frictional reinforcement is observed due to shear stresses in the cracks surface, the most important effect of confinement is to withstand ductile deformation, even in the case of PVA fiber-reinforced cement paste. Finally, the study has shown that PVA fibers impart a slight viscosifying effect on the cement slurry, a prolonged plastic phase with apparently no loss of load-carrying capacity in triaxial tests, and an improved ability to absorb energy when evaluating tensile and shear loads.

[pt] Esta dissertação investiga escoamentos multifásicos de deslocamento de fluidos em geometrias anulares envolvidas em operações de cimentação de poços com fluidos espumados. A cimentação desempenha um papel relevante na integridade de poços e algumas aplicações requerem pastas leves com alta resistência à compressão, e o cimento espumado atende a este propósito. Para modelar adequadamente a complexidade do escoamento - que compreende comportamento não-newtoniano e elevada compressibilidade - um modelo tridimensional de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foi desenvolvido a partir do código aberto OpenFOAM. As equações de conservação da massa, momento e fases são solucionadas em uma geometria anular, considerando o efeito da pressão na densidade e na reologia dos fluidos, e o método Volume of Fluid (VoF) foi usado para capturar a interface entre fluidos. Os modelos foram validados com soluções exatas para escoamento monofásico axissimétrico com fluidos incompressíveis e compressíveis, e com modelos constitutivos newtonianos e não-newtonianos. Além disso, simulações multifásicas estimaram a eficiência de deslocamento do fluido de perfuração pela pasta de cimento em diferentes condições – constraste de densidade e de viscosidade, ecentricidade e vazões de bombeio – e com diferentes correlações para a reologia dos fluidos espumados. Finalmente, simulações de deslocamento com fluidos com densidade e reologia constante (não-espumados) foram utilizadas para comparação. Os resultados indicam que a eficiência no deslocamento com a técnica de cimentação espumada é superior em condições similares e ilustra que as pastas espumadas são menos suceptíveis a gerarem falhas quanto condições desafiadoras estão presentes. / [en] This master dissertation investigates multiphase displacement flow in annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and some applications require combining a low-density cement slurry with high compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology, and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast, eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less sensitive to impairment when challenging conditions are present.

[pt] Sistemas líquido-líquido imiscíveis são amplamente encontrados na natureza e em processos industriais, abrangendo uma variedade de aplicações, incluindo adesão bacteriana, formação de biofilme, emulsificação, administração de medicamentos, injeção de água na recuperação de petróleo e remediação de solventes clorados em águas subterrâneas. Esses sistemas ocorrem quando dois líquidos não podem formar uma mistura homogênea devido a diferenças em suas propriedades moleculares, como polaridade ou densidade. Como resultado, os líquidos mantêm uma interface onde entram em contato, mas não se misturam, formando camadas distintas. Esse comportamento é influenciado pela tensão interfacial, uma força que minimiza a área de contato entre os dois líquidos e, assim, exerce uma influência significativa na estabilidade e no comportamento do sistema. Surfactantes, ou agentes tenso ativos (SSAs), são frequentemente usados para controlar as propriedades dessas interfaces. Esses compostos reduzem significativamente a tensão interfacial entre dois líquidos imiscíveis. Este estudo visa medir experimentalmente a tensão interfacial em um sistema líquido-líquido por meio de um método dinâmico in situ utilizando um reômetro equipado com sistema de microscopia. Este equipamento permite a observação e medição em tempo real do comportamento da interface dos fluidos sob várias condições. Dessa forma, a tensão interfacial é determinada com base nas teorias existentes de deformação de gotas, como o método de retração de gotas deformadas (DDRM). Investigamos o comportamento da tensão interfacial em um sistema composto por uma mistura de 95 por cento empeso de polidimetilsiloxano (PDMS) e hexadecano, uma solução de 80 por cento empeso de glicerol em água deionizada, e o surfactante não iônico lipofílico Twenn 80, com concentrações variando de 0,0005 por cento a 0,0500 por cento em peso. / [en] Immiscible liquid-liquid systems are widely found in nature and industrial processes, covering a variety of applications, including bacterial adhesion, biofilm formation, emulsification, drug delivery, water flooding in oil recovery, and remediation of chlorinated solvents in groundwater. These systems occur when two liquids cannot form a homogeneous mixture due to differences in their molecular properties, such as polarity or density. As a result, the liquids maintain an interface where they come into contact but do not mix, forming distinct layers. This behaviour is influenced by interfacial tension, a force that minimises the contact area between the two liquids and thus exerts a significant influence on the stability and behaviour of the system. Surfactants, or surface-active agents (SSAs), are often used to manage and manipulate the properties of these interfaces. These compounds significantly reduce the interfacial tension between two immiscible liquids. This study aims to experimentally measure the interfacial tension in a liquid-liquid system through a dynamic in situ method using the Rheo-Microscopy apparatus. This equipment allows real-time observation and measurement of fluid interface behaviour under various conditions. In this way, interfacial tension is determined based on existing drop deformation theories, such as the deformed drop retraction method (DDRM). We investigated the interfacial tension behaviour in a system composed of a 95 wt.percent polydimethylsiloxane (PDMS) hexadecane mixture, an 80 wt.percent glycerol solution in deionized water, and the lipophilic non-ionic surfactant Tween 80, with concentrations ranging from 0.0005 to 0.0500 wt.percent.