Orientador: José Ricardo Pelaquim Mendes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-22T11:39:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Salmazo_Eduardo_M.pdf: 7818535 bytes, checksum: a2f7369fd589c6f6e85ce6c997e8c112 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho discute-se os desafios associados à atividade de perfuração de poços de petróleo através de formações afetadas pela presença de domos salinos. Domos salinos podem induzir grandes tensões nas formações subjacentes e adjacentes, impondo a necessidade de um planejamento específico para a perfuração e manutenção de poços de petróleo. Durante a perfuração, em frente à zonda de sal, há relatos de problemas de aprisionamento de coluna, dissolução de sal no fluido de perfuração, ocasionando a formação de batentes mecânicos e cavernas. Há ainda, nas formações que rodeiam um domo salino, devido à alterações no campo de tensões, problemas de instabilidade nas paredes do poço aberto e formação de zonas anormalmente prossurizadas. Após o revestimento do poço, há casos de colapso do revestimento. Para prever e mitigar os riscos associados à essa atividade é de fundamental importância o entendimento dos fenômenos físicos que o ocasionam. Com essa finalidade, foi feito um estudo à respeito de tais mecanismo físicos como fluência e instabilidade hidrodinâmica, mais especificamente a instabilidade de Rayleigh-Taylor. Desenvolveu-se, a partir de tal estudo, um modelo analítico para prever o desenvolvimento de um domo salino e discutiu-se a forma como este pode interferir em parâmetros importantes para a atividade de perfuração como, por exemplo, o campo de tensões nas formações adjacentes às camadas de sal / Abstract: In this present work are discussed the challenges associated with the drilling activities in oil wells through formations affected by the presence of salt domes. This geological structures can induce large stresses in the underlaying and adjacent formations, imposing the necessity of specific planning for drilling and maintenance of such oil wells. During drilling, facing the salt, there are reports of problems of stuck pipe, salt dissolution, forming mechanical stops and caves. There are still, in formations around a salt dome, due changes in the stress field, problems of well instability and abnormally pressure zones. After casing, there are cases of case collapse. To prevent and mitigate risks associated to this activity, is crucial understand the physical phenomena behind it. With such finality, was made an study related with such physical mechanisms, such hydrodynamic instability, specifically the Rayleigh-Taylor instability. Was developed, from this study, an analytical model to predict the salt dome development and was discussed the way such it can interfer in important paramenters related to the drilling activity as, for exemple, the tension field in the formation around the salt dome / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

[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.

Thesis. 1977. Ocean E.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Ocean Engineering. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND ENGINEERING. / Includes bibliographical references. / Ocean E.

[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

Thesis (Ph. D.)--University of Hawaii at Manoa, 2004. / Includes bibliographical references (leaves 245-267). / vi, 267 leaves, bound 29 cm

Thesis (M. S.)--Texas A&M University, 2004. / Vita. Abstract. "Major Subject: Petroleum Engineering" Includes bibliographical references.

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T14:14:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LimaNeto_EpaminondasGonzaga_M.pdf: 3589611 bytes, checksum: e5bb12837c541392cc224ea75b48dc4b (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O cenário das perfurações de poços de petróleo vem mudando ao longo do tempo. Tanto pela necessidade do suprimento da demanda crescente por petróleo e gás quanto pela queda na produção de campos maduros, a perfuração de poços tem se deparado com ambientes mais agressivos a cada dia: maiores temperaturas, maiores pressões, maior afastamento em relação à costa e ambientes quimicamente mais hostis. A presença considerável de dióxido de carbono - CO2 - nos reservatórios aponta para uma maior preocupação na perfuração de poços em tais formações uma vez que, se esse componente adentra ao poço numa situação de kick, sua interação com a lama de perfuração pode alterar características importantes desse fluido, tais como: densidade, viscosidade e acidez. Este trabalho tem por objetivo investigar o comportamento PVT de sistemas contendo CO2 e líquidos com composição similar aos fluidos de perfuração à base de óleo: n-parafina pura e emulsão inversa. Foram realizados um estudo experimental de tais sistemas, uma simulação computacional, uma análise estatística dos dados obtidos para esse sistema com o intuito de avaliar as melhores correlações matemáticas para representação dos dados experimentais e aplicações de tais correlações em exemplos de controle de poço. Os resultados experimentais mostram que a simulação consegue reproduzir bem os dados experimentais (desvios de até 16%), apenas subestimando-os em frações molares de CO2 mais elevadas. Comparando os dados para o CO2, obtidos neste trabalho, com dados para o metano, obtidos da literatura, observa-se que o sistema contendo CO2 apresenta, dentre outras características, maior fator de formação de volume e solubilidade até 15 vezes maior que o sistema contendo metano. Por fim, ao examinar os exemplos de controle de poço, percebe-se que quanto maior é o teor de CO2 no sistema, maior é o valor do pit gain, tornando a presença de CO2 no sistema favorável à detecção do kick / Abstract: The scenario of oil and gas well drilling has been changing over the years. Not only because the need of supplying the increasing demand for petroleum and gas but also due to the decrease on the production of mature fields, well drilling has been constantly facing aggressive environments: higher temperatures, higher pressures, higher offshore distances and hazardous chemical environments. The presence of carbon dioxide - CO2 - on reservoirs leads to a concern on well drilling in these formations because the entrance of this gas into the well, in a kick situation, and its interaction with the drilling fluid can change important characteristics of this fluid such as: density, viscosity and acidity. This work aims to evaluate the PVT behavior of the systems containing CO2 and liquids similar to the ones used as base for oil-based drilling fluids: n-paraffin and inverse emulsion. An experimental study of these systems, a computational simulation, a statistical analysis of the data acquired aiming to evaluate the best mathematical correlations to represent these data and applications of these correlations were carried out. The experimental results show that the simulation can reproduce satisfactorily the experimental data (deviations up to 16%), only underestimating them at higher CO2 molar fractions. When comparing the data for CO2, obtained in this work, and the ones for methane, obtained from literature, it is possible to notice that the system containing CO2 has, among other characteristics, higher oil volume formation factor and solubility 15 times greater than the system containing methane. Finally, by examining well control examples, one can notice that the pit gain assumes higher values as the CO2 content increases making the presence of CO2 in the system favorable to kick detection / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

The first main goal of this research is to develop comprehensive analytical and numerical models for the stress distribution around an inclined cased wellbore by considering all wellbore processes and to amend erroneous models of most previous work. The second main goal is to apply the developed models to explain near wellbore phenomena such as cement failure and sand production. To achieve these goals, this work checked the eligibility of using simple elastic approaches for the system by using a poroelastic undrained condition and a steady state condition for stresses induced by wellbore temperature variation. It utilized the generalized plane strain to compensate for the limitation of the plane strain which most previous work had used. In addition, this research developed comprehensive models to improve previous work by using superposing principles. For applying the developed models to cement failure, Mogi-Coulomb criterion for shear failure instead of Mohr-Coulomb and Drucker-Prager criteria was used to properly consider the intermediate stress. Additionally, ABAQUSr was utilized for numerical models with the "model change" option to simulate and combine all individual wellbore processes while MATLABr was used for analytical models. For predicting sand production, fully coupled poroelastic solutions for an inclined open wellbore were modified to obtain the stress distribution around a perforation tunnel after perforating. Then, modified Lade failure criterion was used to calculate the critical drawdown when sand production occurs, that is, when the perforation tunnel starts failure. This research obtained the following results. For developing models, the analytical models improved the previous research. However, the numerical results under a vertical tectonic stress showed discrepancies because of the difference between the generalized plane strain and numerical models. For cement failure, Young's modulus of cement, wellbore pressure and wellbore temperature variation could affect shear failure more significantly than the other factors. The numerical results showed closer to the failure envelopes than the analytical results. For predicting sand production, well completion affected sand production near wellbore and the critical drawdown converged to asymptotic values. In addition, perforating along the minimum horizontal stress direction was most preferable in a vertical cased wellbore under a normal stress regime. / text

[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.