[pt] Uma prospecção bem sucedida de petróleo e gás requer muitos esforços para se sobrepor os desafios encontrados, tais como vibrações axiais, laterais e torcionais. Estes fenômenos podem causar a falha prematura de componentes do sistema de perfuração, disfunção nos equipamentos de medição e aumento no tempo e custo no processo de perfuração. Em particular, vibrações torcionais estão presentes em grande parte dos processos de perfuração e podem alcançar um estado crítico: stick-slip. Um melhor entendimento sobre este fenômeno proporciona ferramentas para evitar o aumento do tempo e do custo da prospecção, assegurando o investimento e sucesso do processo de perfuração. Neste trabalho, é descrito um procedimento experimental com um atrito não linear objetivando induzir stick-slip e é feito uma modelagem analítica simples do problema. O modelo de atrito é baseado em um atrito seco imposto por um dispositivo de freio desenvolvido. O comportamento não linear da bancada experimental é analisada e o modelo numérico é validado comparando diagramas de bifurcações numérica e experimentais. / [en] A successful oil and gas prospecting requires many efforts to overcome the encountered challenges, some of these challenges include drill string axial, lateral and torsional vibrations. These phenomena may cause premature component failures of the drilling system, dysfunction of measurement equipments, and increase time and costs of the prospecting process. Torsional vibrations are present in most drilling processes and may reach a severe state: stick-slip. An improved understanding about the stick-slip phenomenon provides tools to avoid the increase of prospecting time and costs, assuring the investment and success of the drilling process. Firstly, a numerical analysis of the drill string is performed with different friction models. These models are proposed in order to get familiar with the drill string dynamics. Also, it is described the experimental procedure with a nonlinear friction aiming to induce stick-slip and is performed a simple analytical modeling of the problem. The friction model is based on dry friction imposed by a break device. The nonlinear behavior of the experimental apparatus is analyzed and the numerical model is validated comparing experimental and numerical bifurcation diagrams.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo do comportamento dinâmico de uma bancada de testes representativa do sistema real de perfuração, composta por um motor CC acoplado a um sistema físico torcional, sujeita a fontes de atrito que induzem um regime de stick-slip no sistema em duas regiões distintas. O estudo incluiu a identificação de parâmetros da bancada de testes por meio de uma série de ensaios experimentais; e a caracterização do atrito, por meio do levantamento experimental da curva do coeficiente de atrito, em função da velocidade angular dos rotores principais. O intuito inicial foi a obtenção de um modelo numérico que fosse o mais simples possível e que representasse bem a bancada de testes. Uma vez obtido o modelo numérico, prosseguiu-se com uma série de simulações que permitissem uma caracterização indireta do regime de atrito ao qual estivessem submetidos os rotores principais, partindo-se apenas de medições de parâmetros no motor. Esse estudo é de grande relevância para a compreensão qualitativa da dinâmica do sistema real de perfuração, uma vez que ainda hoje não há técnicas totalmente confiáveis para caracterização do comportamento da coluna no fundo do poço a partir de dados da superfície somente. / [en] This paper presents a study of the dynamic behavior of a representative test bench of a real rotary drilling system, comprising a DC motor coupled to a very exible torsional system subjected to sources of friction which can induce self-excitation into two distinct regions of the system. The study includes the identification of parameter settings from the test bench by means of a series of experimental tests and characterization of friction, by obtaining the experimental curve of the friction coefficient as a function of the angular speed of the main rotor. The initial aim was to obtain a numerical model as simple as possible, capable of representing the test bench. Once obtained the numerical model, a series of numerical simulations were done, which allow an indirect characterization of the friction condition to which main rotors were subjected, starting only with the parameters measured at the drive. This study is of great importance for a qualitative understanding of the dynamics of the real drilling system, since today there is no fully reliable techniques to characterize the behavior of the column in the deep from surface data only.

[pt] Uma linha de pesquisa de grande interesse no estudo de colunas de perfuração de poços de petróleo aponta para a necessidade de se aumentar a taxa de penetração (ROP) na perfuração em rochas duras. Procurando suprir tal necessidade, este trabalho tem como objetivo estudar mecanismos e propor um novo dispositivo, utilizando as próprias vibrações geradas na coluna durante a perfuração. As várias formas de vibrar da coluna são, geralmente, indesejadas durante a perfuração. Porém, é possível utilizar algumas destas formas de vibrar para melhorar a eficiência do processo de perfuração. Inicialmente, avalia-se a influência das vibrações torcional e axial na ROP. Posteriormente, estuda-se a perfuração na ressonância e alguns aspectos e cuidados no uso desta nova técnica de perfuração, que vem sendo desenvolvida por empresas do setor. Por fim, é desenvolvido um novo dispositivo de perfuração, chamado de perfuração com martelo em ressonância ou perfuração percussiva- rotativa auto-excitada. Este dispositivo tem como premissa usar a vibração axial gerada no processo de corte, para criar uma carga harmônica na broca e excitar uma massa de aço (martelo). Desenvolve-se um modelo com vibro-impacto e atrito seco, representando o martelo e a resistência da rocha, respectivamente. Faz-se aqui, um estudo numérico e uma validação experimental do movimento percussivo de um modelo que representa a broca com este novo dispositivo. Os resultados mostram que a melhor forma do dispositivo operar é impactando a cabeça da broca, em condição de período-1, com um impacto por ciclo de forçamento. Adicionalmente, os parâmetros do experimento são identificados e os resultados numérico-experimental são comparados, mostrando que são similares. / [en] An area of interest in the study of drillstrings is due to the device of increasing the rate of penetration (ROP) in hard rocks. Trying to supply such necessity, this work aims to study mechanisms and to propose a new device, using vibrations generated in the drillstring itself. The various forms of drillstring vibrations are generally regarded as detrimental in the question. However, it is possible to use some of these vibrations forms in such a way as to enhance drilling performance. Initially, the influence of the torsional and axial vibrations in ROP is analyzed. Next, the resonance drilling, that is being developed by companies in this area, and some aspects and cares in the use of this new drilling technique are studied. At the end, a new drilling device, called resonance hammer drilling or self excited percussive rotary drilling, is developed. This device has as premise to use the axial vibration due to the cutting process, to generate a harmonic load at the bit and to excite a steel mass (hammer). A model with vibro-impact and dry friction is developed, representing the hammer and the resistance of the medium, respectively. It is presented a numeric study and an experimental validation of the percussive motion of the model, that represent the bit. The results show that the best way of the hammer to operate is impacting the bit head, in period-1 condition, ie, with one impact per cycle. Moreover, the experimental parameters are identified and since the numerical-experimental results are similar, the model used is validated.

[pt] Os custos de uma campanha exploratória, incluindo a perfuração de poços de petróleo estão cada vez mais elevados. As vibrações nas colunas de perfuração estão presentes a todo momento nas operações de perfuração, o que podem ocasionar a quebra destas colunas e do BHA (Bottom Hole Assembly), danos em brocas e demais equipamentos. Além do custo do possível dano e/ou perda destes equipamentos, existem os custos da sonda parada e a despesas operacionais das companhias contratadas, o chamado custo de Stand by, e o mais indesejável, a perda do poço. Fenômenos como Bit Bounce, Stick-Slip e Forward/Backward Whril, que advém das vibrações axiais, torcionais e laterais respectivamente, são motivos de vários estudos. Esta dissertação pretende fazer a validação do modelo matemático de dinâmica torcional utilizado na dissertação de mestrado de CAYRES (2013) para gerar mapas de estabilidade para vibrações torcionais. Nesta dissertação parâmetros reais de uma coluna de perfuração foram inseridos no modelo com objetivo de obter mapas de estabilidade de vibrações torcionais para a perfuração de um poço na Bacia de Solimões. Tais mapas de estabilidade foram gerados a partir deste modelo matemático, que na tese de CAYRES (2013), é baseado em procedimento experimental, com um atrito não linear induzindo o fenômeno stick-slip que está associado às vibrações torcionais. Este fenômeno tem relação entre torque e velocidade angular na broca provocando vibrações indesejáveis na coluna de perfuração. A geração destes mapas permitiu que a análise de sensibilidade e a averiguação da ocorrência ou não de vibrações torcionais fossem feitas, bem como a inserção de valores de WOB (peso sobre a broca) e RPM (velocidade de rotação) de um caso real de perfuração de um poço na Bacia do Solimões. Nesta análise de sensibilidade foram considerados, além dos aspectos acima citados, o tipo de broca e formação geológica, permitindo assim a validação do modelo de CAYRES (2013) e contribuindo para a otimização dos processos operacionais da perfuração de poços de petróleo. / [en] The costs of an exploration campaign, including the drilling of oil wells are increasingly high. The vibrations in the drill strings are present at all times in drilling operations that can cause damage of these drill pipe and BHA (Bottom Hole Assembly), as drill bits and other equipment. Besides the cost of a possible damage or loss of such equipment, there are the costs when the rig is not operating and the expenses of all companies involved in the operations, called the cost of stand by, and the worst case scenario of the undesirable loss of the well. The Phenomena like Bit Bounce, Stick-Slip and Forward/Backward Whril, that arises from axial, torsional and lateral vibrations respectively are the motivation of several studies. This dissertation aims to show the validation of the mathematical modeling of the torsional dynamics used in CAYRES (2013) that generate stability maps for torsional vibrations. In this dissertation real parameters from a drill string were inserted in this mathematical modeling, aiming to obtain stability maps for torsional vibrations during a drilling operation of a well in Solimões Basin. Such stability maps were generated from a dynamic model that in CAYRES (2013) thesis is based on an experimental procedure with a nonlinear friction inducing stick-slip phenomenon associated to torsional vibrations. This phenomenon is related to torque and angular velocity on the bit generating undesirable vibrations. Build stability maps and checking when torsional vibrations happen, and then comparing with a real case of WOB (weight on bit) and RPM (rotary speed) in Solimões Basin. In this sensitivity analysis were considered, besides the aspects mentioned above, the kind of bit and geological formation in order to contribute to the optimization of the oil well drilling operational process.

[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.