Made available in DSpace on 2014-06-12T17:38:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2459_1.pdf: 4894377 bytes, checksum: f9930166179dcc7d175fc23810e00531 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta dissertação apresenta os resultados obtidos a partir de uma modelagem matemática e computacional via método dos elementos finitos para simular a fluência de rochas evaporíticas que são comumente encontradas nas indústrias de petróleo e mineração. Evaporitos são rochas sedimentares formadas pela precipitação de sais presentes em uma solução aquosa concentrada. Eles têm baixa permeabilidade e porosidade, sendo assim, uma rocha selante por excelência. Alguns dos depósitos de minerais evaporíticos têm grande importância econômica, sendo o mais conhecido deles a halita (cloreto de sódio). Na linearização do modelo matemático utilizamos uma integração implícita de tensões do modelo constitutivo para rochas salinas que descreve as fases de fluência transiente e estacionária, possibilitando a dedução de um modelo mais preciso e realista, principalmente a curto prazo, situação onde os modelos clássicos só quantificam a fase estacionária. Nesse sentido, foi implementado o modelo LUBBY2 (que contempla a fluência estacionária e transiente) e comparado com o modelo mecanismo duplo de deformação, de fluência estacionária, no programa de elementos finitos CODE_BRIGHT (COupled DEformation BRIne Gas and Heat Transport). Mostrou-se neste trabalho que no curto prazo as análises de deslocamentos causados pela fluência de evaporitos devem ser consideradas para evitar problemas de aprisionamento de coluna de perfuração em poços de petróleo. O êxito da simulação computacional via o método dos elementos finitos foi alcançado através da obtenção de uma matriz Jacobiana consistente. Dessa forma obteve-se uma convergência quadrática do método de Newton-Raphson para a linearização da equação de equilíbrio envolvendo modelos de fluência de rochas evaporíticas. Também foram simulados ensaios triaxiais e apresentou-se um modelo de deformação em resposta ao processo de escavação em mina de sal. As análises apresentaram resultados consistentes, possibilitando o conhecimento do comportamento de fluência das rochas salinas em situações realistas. Além disso, as análises demonstraram a viabilidade da aplicação do modelo LUBBY2 em projetos de Engenharia com a aplicação da metodologia proposta

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-04T11:32:21Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE_INALDO.pdf: 12292650 bytes, checksum: 47271b94bc4307fa96add30491036a09 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-04T11:32:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE_INALDO.pdf: 12292650 bytes, checksum: 47271b94bc4307fa96add30491036a09 (MD5) Previous issue date: 2015-08-04 / CAPEs / Este trabalho tem por objetivo simular numericamente via método dos elementos finitos a deformabilidade e estabilidade geomecânica de lavras subterrâneas em evaporitos, considerando cenários de galerias executadas pelo método de câmaras e pilares e de escavação para estocagem de gás natural. Os evaporitos são economicamente importantes por serem fontes de matéria-prima para a fabricação de diversos produtos. A silvita é o mineral mais explorado para a produção de potássio, pois a sua estrutura química de cloreto simples favorece o seu aproveitamento industrial. No Brasil, a produção de potássio é realizada pela CVRD (Companhia Vale do Rio Doce) na mina de Taquari-Vassouras, que está localizada em Sergipe. Foi utilizado o modelo constitutivo mecanismo duplo de deformação com ativação térmica. Para validação do modelo constitutivo foi comparado resultados de simulações com resultados de medições, reais, de convergência de deformação, de câmaras do Painel D1. Foi estudado a possibilidade de influxo de água no Painel I5 e apresentou-se uma modelagem de um pilar 3D. Foi simulado, ainda, queda de blocos laterais e uma câmara para estocagem de gás natural. Para reproduzir os efeitos do processo de formação de fraturas, apresenta-se a técnica de fragmentação, a qual usa os elementos de interface para reproduzi-las. Onde os elementos regulares têm comportamento assumidamente de fluência e o comportamento dos elementos da região de interface é regido por um modelo constitutivo inelástico capaz de simular os fenômenos envolvidos no processo de degradação do material até a formação da fratura, como o modelo de dano. Tanto o modelo de dano como o modelo mecanismo duplo de deformação, de fluência estacionária, encontram-se implementados no programa, in-house, de elementos finitos CODE_BRIGHT (COupled DEformation BRIne Gas and Heat Transport). As análises apresentaram resultados consistentes, possibilitando o conhecimento do comportamento de fluência das rochas salinas, e seus efeitos, como subsidência, influxo de água, formações de chocos. Além disso, as análises demonstraram a viabilidade da aplicação da técnica de fratura em projetos de Engenharia com a aplicação da metodologia proposta. / This study aims to simulate numerically via the finite element method the deformability and geomechanical stability of underground mines in evaporites considering scenarios galleries performed by the method of room and pillar and digging for natural gas storage. The evaporites are economically important because they are sources of raw material for the manufacture of several products. The sylvite is the most explored mineral for potash production because its chemical structure simple chloride favors its industrial use. In Brazil, potash production is carried out by CVRD (Company Vale do Rio Doce) in the Taquari- Vassouras mine, which is located in Sergipe. We used the constitutive model dual mechanism of deformation with thermal activation. To validate the constitutive model was compared simulation results with measurement results, real, deformation convergence of the cameras of Panel D1. It studied the possibility of water inflow in Panel I5 and presented himself a modeling a pillar 3D. Was simulated also down side blocks and a camera for storage of natural gas. To reproduce the effects of the training process fractures, shows the fragmentation technique, which uses the interface elements to play them. Where regular elements have openly creep behavior and the behavior of the interface elements region is governed by an inelastic constitutive model able to simulate the phenomena involved in the material degradation process until the formation of the fracture, as the damage model. Any damage model as the model dual mechanism of deformation, creep stationary, are implemented in software, in-house finite element CODE_BRIGHT (Gas and Brine Deformation Coupled Heat Transport). The analysis showed consistent results, enabling the knowledge of the creep behavior of the salt rock, and its effects, as subsidence, water inflow and falling blocks. Furthermore, the analysis demonstrated the feasibility of applying the fracture technique in engineering projects with the application of the proposed methodology.

[pt] Nesta tese foi estabelecido um procedimento para análise do processo de perfuração e cimentação de poços em camada de sal que engloba tanto o processo de endurecimento do cimento, quanto a resposta de fluência da camada de sal. O objetivo desta tese é analisar o comportamento geomecânico de fluência (creep) na zona de sal antes, durante e depois da perfuração e em seguida na cimentação do poço. Desta forma, a pesquisa tem como meta a avaliação das tensões e deslocamentos ao redor do poço, através da simulação computacional com ajuda do programa comercial numérico de elementos finitos (ABAQUS), além de sub-rotinas do programa FORTRAN. Com esta análise, pretende-se entender os efeitos geomecânicos de interação da pressão exercida pelo fluido de perfuração e do cimento e do comportamento nas tensões na fronteira sal-cimento e cimento-revestimento, dentre outros, para evitar possíveis intervenções em poços que acarretam perdas econômicas. Foram realizadas diversas simulações, destacando-se: (i) estado de tensões in situ antes da perfuração do poço; (ii) tensões induzidas devido à perfuração e à fluência no sal e (iii) cimentação no poço. Nestas simulações considerou-se um poço de petróleo em 2D no estado de deformação plana. O fluido de perfuração foi simulado como não penetrante. Os resultados obtidos das simulações correspondem aos deslocamentos radiais e tensões radiais e tangenciais. / [en] In this dissertation, an analysis procedure was established for the drilling and casing cementing process in salt wellbores, which encompasses cement hardening as well as salt creep. The objective of this dissertation is to analyze the geomechanical behavior of salt creep before, during and after drilling as well as the wellbore casing cementing process. Thus, the purpose of this study is to evaluate stresses and displacements around the wellbore through computational simulation with the finite element commercial software program Abaqus together with FORTRAN sub-routines. This analysis intends to understand the geomechanical effects of the interaction of the drilling fluid and slurry pressures against the wellbore and the behavior of the stress interactions between the two existing boundaries casing-cement and cement-salt formation; thus avoiding unnecessary workover operations that provoke economical losses. Diverse process simulations were performed including: (i) in situ stresses prior to drilling (ii) induced stresses due to drilling and salt creep and (iii) wellbore cementing. In these simulations, a 2D plane strain wellbore was considered. The drilling fluid was assumed to be non-penetrable with respect to the wellbore formation. Finally, the results were expressed in terms of radial displacement along with radial and tangential stresses.

[pt] A indústria do petróleo realiza contínuas pesquisas para aperfeiçoar as operações de perfuração, aumentando a taxa de penetração e reduzindo o tempo não produtivo. Diversos estudos analisam o processo de corte em rocha utilizando brocas PDC (Polycrystalline Diamond Compact). Experimentos como o ensaio de cortador único simulam a interação existente entre a rocha e o cortador. Além disso, modelos numéricos têm sido criados para fazer o mesmo tipo de análise obtendo estimativas concordantes com resultados experimentais. No entanto, os ensaios experimentais geram altos custos de investimento, e por sua vez, as simulações numéricas demandam tempo muito alto para realizar análises de boa qualidade. Modelos analíticos procuram eliminar o fator custo e tempo, gerando resultados confiáveis da simulação do processo de corte, similares aos resultados das análises experimentais e numéricas. Os modelos analíticos aqui apresentados permitem estimar as forças medidas pelo cortador no processo de corte, partindo das propriedades mecânicas da rocha. Os modelos levam em conta o equilíbrio de forças no instante do corte e consideram, para o cálculo das forças, a sua geometria e as propriedades de resistência do material. A rocha utilizada no presente trabalho é um evaporito. A aplicação deste tipo de metodologia para corte em halita obriga a considerar no modelo analítico o incremento nas forças devido ao comportamento dúctil do material, à existência de deformações plásticas e à aglomeração de material na face do cortador a fim de obter uma melhor estimativa das forças de corte. Conseguem-se estimativas aceitáveis com dois dos modelos avaliados nas condições de pressões atmosféricas e altas pressões de confinamento. / [en] The oil industry carries out continuous research to improve drilling operations, to increase the penetration rate and to reduce non-productive time. Several studies analyze the rock cutting process using PDC bits (Polycrystalline Diamond Compact). Experiments with a single cutter machine measure the interaction between the rock and the cutter. Furthermore, numerical models aim to simulate the physical process and calculate results as possible consistent with experimental data. However, experimental tests are expensive and robust and numerical simulations are time consuming. Analytical models aim to reduce both cost and time factor, while providing reliable results for simulation of cutting process. The analytical models presented here allow us to estimate the forces measured on the cutter in the rock cutting process. The models take into account the balance of forces acting on the cutter face and these forces are calculated based on geometry and material properties of both cutter and rock. The rock evaluated in this work is an evaporite. The application of such type of methodology to simulate the salt rock drilling requires the analytical model to consider the increase of forces due to rock ductile behavior and the existence of plastic deformation and agglomeration of material on the cutter s face in order to obtain adequate estimation of the cutting forces. Two of the evaluated models in this work presented agreement with experimental results, both under atmospheric and high pressure conditions.

[pt] O tempo não produtivo (NPT) durante a perfuração de poços de petróleo pode ser responsável pela perda de milhões de dólares em atividades offshore. A má previsão da pressão de poros pode ser uma das responsáveis pelo NPT de um poço ou mesmo sua perda definitiva em campos geologicamente complexos, como em bacias evaporíticas. Nesses campos complexos, os métodos de previsão de pressão de poros convencionais nem sempre são capazes de prever bem a distribuição de pressão de poros, mesmo após a perfuração de número considerável de poços. Este trabalho estuda técnicas alternativas que atendam ao problema de previsão de pressão para esses casos. Para fundamentar os estudos, é apresentada uma revisão sobre os riscos associados à perfuração em bacias evaporíticas e sobre os métodos de previsão de pressão existentes (métodos convencionais, sísmicos, modelagem geológica geomecânica 3D, modelagem pelo método dos elementos finitos e modelagem de bacias). Avaliando os problemas de perfuração nestes campos e as dificuldades de previsão dos métodos convencionais, nota-se que a complexidade imposta pelas consequências da presença do sal pode ser reduzida pelo uso de métodos que considerem a geologia local de forma mais abrangente em seu fluxo de trabalho. Concluiu-se que a modelagem de bacias e a modelagem geológica geomecânica 3D têm forte potencial de aplicação para estes casos. As técnicas, contudo, não tem a previsão de pressão de poros por objetivo principal, mas podem ser aplicadas ou adaptadas para tal fim. Este estudo apresenta adaptações de metodologia e/ou aplicações direcionadas de ambas para fins de previsão de pressão de poros. Para validar as propostas apresentadas, estudos de caso foram desenvolvidos e apresentaram resultados considerados bastante satisfatórios. / [en] The non-productive time (NPT) while drilling oil and gas wells may be responsible for losing millions of dollars, especially in offshore activities. Bad pore pressure predictions may be responsible for large NPT or even the definitive loss of well in geologically complex fields, such as evaporate basins. On these complex fields, the conventional pore pressure prediction methods sometimes are not capable of providing good predictions, even if a considerable number of wells has been already drilled. This thesis studies alternative techniques which may attend for pore pressure prediction in these cases. In order to develop a consistent knowledge about the case, a literature review has been conducted in two ways: to understand what are the risks associated to drilling in evaporate basins; to review what are the available methods for pore pressure prediction (conventional methods, seismic methods, 3D geological and geomechanical modeling, finite element methods and basin modeling). During analyzing geomechanical drilling risks in these sites, and the difficulties found by conventional methods to predict it, it was noted that the complexity imposed by the presence of salt bodies can be reduced by using methods that make a strong use of geological knowledge on their workflow. It has been concluded that basin modeling and 3D geological and geomechanical modeling have a good potential to be applied for this goal. The techniques, nevertheless, do not have pore pressure prediction as their main goal, but can be applied to or adapted for such finality. This work presents some methodology adaptations and/or applications of both of techniques directed to pore pressure prediction goals. In order to validate the presented proposals, case studies has been developed, and their results were considered satisfactory.

[pt] Os minerais evaporíticos formam as rochas e os depósitos evaporíticos. A maior parte a partir da evaporação da água por restrições de antigos oceanos. Os evaporitos hoje encontrados nos registros geológicos são de grande interesse para a indústria de mineração, como na produção de potássio em minas de carnalita e silvita, e para a exploração de petróleo, seja como rocha geradora, reservatório, selo ou elemento de estruturação do sistema petrolífero. Nesta dissertação foram analisadas amostras de evaporitos salinos de idade Aptiana oriundos da bacia de Sergipe-Alagoas, obtidos na única mina de potássio em operação no Brasil, desenvolvida atualmente pela Vale S.A.. Foi proposta uma metodologia de caracterização mineralógica e volumétrica para este tipo de material baseada em descrição macroscópica, análises de lâmina delgada, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), microtomografia de raios X, análise de radioatividade natural e porosimetria a hélio. Após a caracterização dos evaporitos, foram realizados ensaios de propagação de pulso ultrassônico e ensaios de compressão triaxial, a fim de determinar os módulos elásticos do material, principal objetivo desta dissertação. Ao final foram comparados os resultados dinâmicos (ensaio ultrassônico) com os resultados estáticos (ensaio triaxial), relacionando-os com a caracterização mineralógica e volumétrica feita anteriormente. Estes módulos elásticos, como o módulo de Young, são de grande importância e de aplicação direta na engenharia de petróleo, de perfuração, de mineração e geofísica. / [en] The evaporite minerals form the evaporite rocks and deposits. The major part has been deposited from evaporation of water in ancient restricted oceans. The evaporite deposits found in geological records today are of great interest to the mining industry, such as in potassium production in carnallite and sylvite mines, and oil exploration, either as source rock, reservoir, seal or structuring element of the petroleum system. In this dissertation samples of Aptian saline evaporite age from the Sergipe-Alagoas Basin, obtained in the only potash mine in operation in Brazil, currently developed by Vale S.A. were analyzed. A methodology for mineral and volume characterization for this type of material based on macroscopic description, thin section analysis, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray microtomography, natural radioactivity analysis and helium porosimetry is proposed on this work. Following this characterization, ultrasonic pulse propagation tests and triaxial compression tests were made in order to determine the dynamic and static elastic moduli of the material, respectively, the main objective of this dissertation. At the end we compare the dynamic results (ultrasonic tests) with static results (triaxial tests) relating them to the mineralogical and volumetric characterization made earlier. These elastic modulus, such Young s modulus, are very important in petroleum engineering, drilling, mining and geophysics.

[pt] A perfuração de poços de petróleo em ambientes adversos requer especialistas dedicados a estuda-la a fim de garantir que ela ocorra de forma rápida, segura e com qualidade. Dentro desse contexto, há estudos experimentais e numéricos que avaliam a ação de corte feita por um cortador individual objetivando quantificar as forças de contato, propor soluções para aumentar o seu tempo de vida útil e a sua taxa de penetração, e entender o mecanismo de corte. Seguindo esta linha de pesquisa, a presente Tese visa oferecer uma melhor compreensão para o problema de interação rocha/cortador PDC (Polycrystalline Diamond Compact) ao longo da perfuração de depósitos evaporíticos de halita e de reservatórios de carbonatos. O estudo foi abordado através da modelagem numérica do ensaio de cortador único e da modelagem numérica de corte por múltiplos cortadores através do método dos elementos discretos. Resultados experimentais aferiram a calibração da amostra sintética e dos modelos numéricos de corte em rocha. Um estudo numérico paramétrico do ensaio de cortador único foi feito objetivando identificar parâmetros que controlam a ação de corte. Em seguida, foi desenvolvida uma equação analítica que quantifica a energia específica mecânica global resultante da ação de múltiplos cortadores, a fim de entender e quantificar qual a contribuição de cada cortador na eficiência global. A equação foi aplicada usando os resultados das modelagens numéricas de múltiplos cortadores. Constatou-se que o bom ajuste entre as previsões numéricas e os resultados experimentais validou o uso do método dos elementos discretos para modelar o processo de corte em diferentes tipos de rochas. A modelagem numérica desenvolvida neste estudo pode ser considerada uma ferramenta útil para projeto e otimização do desempenho de brocas de perfuração. / [en] Oil wells drilling in adverse environments requires specialists dedicated to study the drilling process to ensure a quickly, safely and quality performance. In this context, experimental and numerical studies can be find in technical literature that evaluate the cutting action done by a single cutter aiming to quantify the contact forces, proposing solutions to increase its useful life time and its rate of penetration, and to understand the cutting mechanism. Following this line of research, this Thesis aims to provide a better understanding regarding the rock / polycrystalline diamond compact cutter interaction during the halite deposits and carbonate reservoirs drilling. The study was approached through numerical modeling of the single cutter test and through numerical modeling of the cutting action by multiple cutters using the discrete element method. Experimental results were used to calibrate the synthetic sample and the rock cutting numerical models. A parametric numerical study of the single cutter test was done aiming to identify parameters that control the cutting action. Then, an analytical equation was developed that quantifies the global mechanical specific energy resulting from the cutting action of multiple cutters, in order to understand and quantify the contribution of each cutter to overall efficiency. The equation was applied using the results of numerical modeling of multiple cutters developed in this work. It was verified that the good agreement between numerical predictions and experimental results validated the use of the discrete element method to model the cutting process in different rock types. The numerical modeling developed in this study can be considered a useful tool for design and optimizing the performance of drill bits.