[pt] Um dos maiores problemas na indústria do petróleo durante a extração de hidrocarbonetos é a produção de sólidos, grãos de areia que usualmente são gerados a partir de formações pouco consolidadas, como nos arenitos, podendo causar erosão nas linhas de produção, equipamentos de elevação e de superfície, colapso de revestimentos e obstrução do poço. Esses eventos e outros relacionados representam para essa atividade, elevados custos ambientais e econômicos. Nesta dissertação foi simulado experimentalmente o funcionamento de sistemas de contenção de sólidos mais utilizados para poços horizontais sem revestimento, estes ensaios foram executados em blocos de arenitos sintéticos de grandes dimensões, através de uma célula cúbica que permitiu a aplicação de cargas de forma independente em três dimensões, sendo submetidos os corpos de prova a um estado plano de deformações, priorizando-se n os seguintes objetivos: primeiro analisar o comportamento mecânico de sistemas de contenção de areia em três casos, e segundo observar os efeitos físicos produzidos no gravel pack, quando submetido a um estado anisotrópico de tensões em uma formação com potencial de produção de sólidos. Os resultados foram satisfatórios mostrando em cada caso comportamentos similares, verificando-se que a tela centralizada com o gravel pack oferece melhores condições de suporte para a formação e para estabilidade do poço. / [en] A major problem in the oil industry during the extraction of hydrocarbons is the production of solid sand grains that are usually generated from some consolidated formations, as in sandstones, may cause erosion on production lines, lifting equipment and surface coatings collapse and obstruction of the well. These and other related events account for this activity, high environmental and economic costs. In this dissertation was simulated experimentally the operation of solid containment systems used to more horizontal wells without coating, these tests were run on synthetic sandstone blocks of large dimensions, through a cubic cell which allowed the application of loads independently in three dimensions, and subjected the specimens to a state plan deformations, focusing on the following objectives: first to analyze the mechanical behavior of systems containing sand in three cases, and second to observe the physical effects produced in the gravel pack, when subjected to an anisotropic state of stresses in a formation with a production potential of solids. The results were satisfactory in each case showing similar behavior, verifying that the central screen with gravel pack offers better support for the formation and stability of the well.

[pt] Um dos maiores desafios para a produção de hidrocarbonetos em reservatórios de arenitos pouco consolidados é o controle da produção de areia. Os mecanismos envolvidos nesse fenômeno são complexos e isto é resultado de uma grande variedade de fatores, como por exemplo, a magnitude das tensões in situ, a resistência mecânica da formação e as operações de desenvolvimento do poço. Este problema pode ser resolvido ou amenizado até níveis aceitáveis através de estratégias de completação específicas, como instalação de telas ranhuradas ou do gravel pack, desde que haja uma previsão do potencial de produção de areia da formação. Apesar do grande número de modelos numéricos desenvolvidos para prever este comportamento, a consistência dos mesmos pode ser questionada, uma vez que podem ser observadas diferenças entre as predições e os dados de campo. Para validar esses modelos, são necessários dados confiáveis, que podem ser obtidos através de ensaios de laboratório. Os objetivos do trabalho foram determinados considerando esses pontos, além da questão do uso em larga escala do gravel pack como técnica de controle da produção de areia nos campos brasileiros. São eles: (i) investigar o comportamento de um sistema de contenção de areia instalado em uma formação com potencial de produção de areia, (ii) verificar a influência do aumento de tensão efetiva na produção de areia e entender como a carga é transmitida para o sistema e (iii) validar um modelo numérico desenvolvido para o estudo de campo. Para ensaios, realizados em uma célula poliaxial sob condições controladas, utilizaram-se blocos de grandes dimensões. Foram analisados 5 casos representativos, sendo cada um deles simulado 4 vezes. O primeiro caso consiste na verificação da formação de um breakout em poço aberto, sem a utilização de nenhum sistema de contenção de areia. Os outros quatro casos são reproduções do sistema gravel-tela, com diferentes configurações. Os resultados foram satisfatórios e de acordo com eles, é possível identificar uma tendência de comportamento para cada cenário: gravel com distribuição uniforme no anular e diâmetro de partícula utilizada no gravel. A verificação de um modelo numérico, desenvolvido na Petrobrás, foi feita a partir destes resultados e mostrou uma boa aproximação de resultados de laboratório. / [en] A major problem during hydrocarbon production from poorly consolidated sandstone in the influx of sand, or sand production. This problem is complex and can occur as a result of a large variety of reasons, like magnitude of the in situ stresses, formation strength, and wellbore-development operations. If the potential for sand production could be predicted, then the problem may be solved or reduced to an accepteble level by proper completion strategy, such as the use of stand alone screens or gravel pack. Although a large number of numerical models for sand production prediction hava been developes, the consistency of the models could be questioned, due to the differences between the predictions and field observations. To improve and validate these models, reliable data are necessary. This study has been developed based on these concerns, and also, considering the massive use of the gravel-pacck as sand control technique on Brazilian fields. The objective were (i) investigation of the gravel-pack system behavior, (ii) varifacation of the increase on effective stress on sand production and (iii) validation a numerical model developed for field sand production prediction. The large-scale tests were carried out on a poliaxial cell. It was selectes 5 representative cases, and they were developed on an artificial well, under controlled conditions. On the first one, it was observed a breakout formation on an openhole. On the other 4 cases, it was simulated the gravel pack, submitted to different conditions, each of them reproduced 4 times. The numerical model was developed by Petrobras/Roncador field engineers, using a commercial numericak modeling program. Results were satisfactory. According to them, is possible to identify a behavior tendency for each condition: the influence of the gravel uniform distribution on the annulus and the influence of gravel diameter. The numerical model showed a very good approach to the laboratory results.

[pt] Os aços inoxidáveis Duplex são materiais metálicos que tendem a aliar uma excelente resistência à corrosão em meios agressivos com elevada resistência mecânica devido à sua microestrutura bifásica. Essa microestrutura é composta por uma matriz ferrítica e ilhas de austenita, a temperatura ambiente, com frações volumétricas aproximadamente iguais dessas duas fases. Com isso, estas ligas costumam ser utilizadas em tubulações e equipamentos industriais onde se requer elevada relação resistência/peso, especialmente em empreendimentos de construção e montagem off-shore. Este trabalho apresenta uma metodologia desenvolvida com a utilização de um modelo numérico parametrizado baseado no método de elementos finitos para analisar o efeito dos ciclos térmicos de soldagem nos aços duplex e leanduplex. O modelo desenvolvido faz uso da análise térmica transiente da soldagem, em que as propriedades térmicas dos materiais envolvidos são termo dependentes, e grandes gradientes térmicos são gerados entre a região da solda e as áreas afastadas dela. Procedimentos experimentais para medição dos ciclos térmicos empregados sob determinados regimes de soldagem são utilizados para calibrar o modelo numérico. A metodologia é aplicada ao estudo do comportamento de uma solda na forma de cordão sob chapa contendo um único passe, realizada com o processo GMAW, em chapas planas de 10mm de espessura dos aços duplex UNS32205 e leanduplex UNS32304, através de um modelo de elementos finitos. Os resultados mostram uma boa correspondência entre o modelo numérico e o resultado experimental. / [en] Duplex stainless steels are metallic materials that tend to combine excellent corrosion resistance in aggressive environment with high mechanical strength due to their biphasic microstructure. This microstructure is composed of a ferritic matrix and austenite islands, at room temperature, with approximately equal volume fractions of these two phases. As a result, these alloys are often used in pipes and industrial equipment where high resistance / weight ratio is required, especially in offshore assembly and construction field. This work presents a methodology developed with the use of a parameterized numerical model based on the finite element method to analyze the effect of thermal welding cycles on duplex and leanduplex stainless steels. The developed model uses the transient thermal analysis of welding, in which the thermal properties of the materials involved are thermo-dependent, and large thermal gradients are generated between the region of the weld and the areas away from it. Experimental procedures for measuring the thermal cycles employed under certain welding conditions are used to calibrate the numerical model. The methodology is applied to the study of the behavior of a weld in the form of a strand in sheet form containing a single pass, realized with the GMAW process, in flat plates of 10mm thickness of the duplex steels UNS32205 and leanduplex UNS32304, through a finite element model. The results show a good correspondence between the numerical model and the experimental result.

[pt] Os aços inoxidáveis duplex (AID) possuem uma estrutura mista de Delta-ferrita e Gamma-austenita em frações de volume aproximadamente iguais e combinam muitas das propriedades benéficas das duas fases, a ferrita fornece alta resistência mecânica e resistência à corrosão, enquanto que a austenita aumenta a ductilidade e a resistência à corrosão uniforme. Uma vantagem dos AID é a resistência à trincas de solidificação, que está associado à soldagem. Pela combinação de propriedades, esses aços são amplamente utilizados na indústria de equipamentos químicos, petróleo e gás, plantas de dessalinização, controle de poluição, usinas elétricas e, mais recentemente, em aplicações off-shore como na extração de petróleo em águas profundas. No entanto, a exposição destes aços a temperaturas elevadas entre 600 graus celsius e 1000 graus celsius, que ocorre durante a soldagem por fusão resulta na precipitação de diferentes compostos, sendo os mais frequentemente encontrados a fase sigma, a fase x, os nitretos de cromo e os carbonetos que reduzem tanto a resistência mecânica quanto a resistência a corrosão. Este trabalho teve como objetivo simular fisicamente as microestruturas da zona termicamente afetada (ZTA) dos AIDs UNS S32304, S32205 e S32750. De modo a obter diferentes ZTAs foi utilizado o simulador termo-mecânico Gleeble, por meio deste simulador foram aplicados vários aportes de calor que permitiram avaliar a evolução microestrutural e as propriedades mecânicas destas zonas. As temperaturas utilizadas nas simulações físicas foram determinadas por meio do software Thermo-Calc assegurando assim as faixas de transformações microestruturais. A temperatura de pico utilizada foi de 1350 graus celsius por 2 segundos; seguida de resfriamento em acordo com o modelo Rykalin-2D, onde um grupo de amostras sofreu resfriamento até alcançar a temperatura de 500 graus celsius seguido de uma têmpera em água e um outro grupo até 250 graus celsius seguido de uma têmpera. Este procedimento foi adotado de modo a identificar a influência dos aportes de calor e as taxas de resfriamento na frações volumétricas das fases obtidas. Foi observado um aumento da fração volumétrica da austenita, assim como um aumento do tamanho de grão da ferrita e um crescimento nos grãos da austenita, em função do aumento do aporte de calor durante as simulações físicas das ZTAs. Estas variações microestruturais ocasionaram o decréscimo da resistência mecânica nos três AID avaliados quando comparados ao respectivo metal de base. / [en] The duplex stainless steels (DSS) have a structure that consist of approximately equivalent amounts of delta-austenita and gamma-ferrite, exhibit excellent properties combinations of both phases. DSS combine the high strength and resistance to stress corrosion cracking come from ferrite, whereas the austenite phase influences ductility and uniform corrosion resistance. The advantage of DSS is solidification cracking resistance; it is associated to welding processes. The application of DSS have being increasingly used as structural material in various industrial sectors, such as chemical, petrochemical, pulp and paper, power generation, desalination, oil and gas, for the constructions in marine and chemical industries and most recently for manufacturing components used in off-shore oil platforms for oil extraction in deep water. However, the exposure of these steels to high temperatures between 600 celsius degrees and 1000 celsius degrees, which occurs during fusion welding results in different compounds precipitation, the most frequently encountered being the sigma phase, the X phase, the chromium nitrides and carbides which reduce both mechanical strength and corrosion resistance. The aim of this work was to simulate physically the Heat Affected Zone (HAZ) microstructures in DSS UNS S32304, S32205 and S32750. In order to obtain different HAZ the Gleeble system was used. Several heat inputs were applied through this simulator, which allowed evaluate the microstructural evolution and the mechanical properties of these zones. The temperatures used in physical simulations were determined by Thermo-Calc Software, this supplied the microstructural transformations temperature ranges. The peak temperature used was 1350 celsius degrees for 2 seconds; followed by cooling in accordance with the Rykalin-2D model; one sample set was cooled to 500 celsius degrees followed by water quenching, and the second sample set was cooled to 250 celsius degrees followed by quenching. This procedure was adopted in order to identify the effect of the final temperature on the phases volume fraction obtained. An increase in the austenite volume fraction, as well as an increase in the ferrite grain size and a widening in the austenite grains, due to the increase of the heat input during the physical simulations of the ZTAs was observed. These microstructural variations caused the tensile strength and Yield strength decreasing in HAZ of DSS evaluated when these zones were compared to the respective base metal.

[pt] Esta dissertação apresenta resultados de simulação física e numérica do comportamento mecânico de cavidades circulares em meios contínuos. Na simulação numérica foi possível reproduzir o comportamento tensão-deformação registrado nos ensaios. O comportamento mecânico do contínuo foi abordado de duas formas: i) Teoria clássica e ii) Modelo generalizado de Cosserat. A segunda abordagem, por dispor de um grau de liberdade extra, permite a reprodução numérica de algumas feições observadas ao redor das cavidades circulares em testes de laboratório de maneira mais realística. A teoria clássica de contínuo foi associada somente ao modelo constitutivo de Mohr-Coulomb. Já para Cosserat, foram utilizados dois modelos constitutivos: Mohr-Coulomb e Bogdanova-Lippmann Modificado. A motivação para apresentar contínuo generalizado neste trabalho é que o mesmo inclui a parcela referente ao comportamento das partículas. Em todos os testes foram utilizadas amostras do arenito Botucatu, obtidas em São Paulo e Paraná. Para caracterização mecânica deste material foram realizados ensaios uniaxiais, triaxiais e brasileiros. Já a simulação física do comportamento de cavidades circulares foi analisada segundo duas geometrias: cúbica (com aplicação de estado de tensão biaxial) e cilíndrica (TWC – Thick Walled Cylinder). O acompanhamento da ruptura das cavidades cilíndricas foi feito de forma visual (amostras cúbicas) e com monitoramento tomográfico em tempo real (amostras cilíndricas). Com base na observação experimental da ruptura das cavidades cilíndricas e nas simulações numéricas considerando o contínuo clássico e de Cosserat, foi possível verificar que, ambas as abordagens possibilitaram a reprodução das feições observadas. / [en] This work seeks to realize physical and numerical simulation of the mechanical behavior of the wellbore stability for continuum environment.The Continunm s mechanical behavior is approach by two ways: i) Classic Continuum Theory and ii) Cosserat Continuum. On the second approach, the theory allows an extra degree of freedom, which plays an important rule on instabilities and bifurcation problems; this allows a more realistic numerical simulation of the failure mechanism observed on circular cavity. The Classic Continuum Theory is associated to a Mohr-Coulomb constitutive model. On the other hand for Cosserat Theory s applied tow constitutive models: Mohr-Coulomb and Modified Bogdanova-Lippmann.The generalized continuum takes in account the microstructure of the material.It s used on all tests Botucatu s specimens, which were acquired at São Paulo and Paraná. For characterize the rock s behavior it s realized triaxial, uniaxial and brazilian tests. Then the physical simulation of the circular cavity s behavior was analyzed for two geometries: cubic samples (biaxial stress) and cylindric samples (TWC – Thick Walled Cylinder). The failure mechanism of circular cavity was followed visually (cubic samples) and with CT X-Ray in real time (cylindric samples).From the experimental observations of the failure mechanism of circular cavity and numerical simulations, with Classic Continuum and Cosserat, was possible to verify that both approaches reproduce the behavior of the rocks observed on experimental data.