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.

In this work, five water produced samples from oil fields onshore (land) of the Sergipe State were characterized. The physico-chemical parameters such as pH, conductivity, turbidity, suspended solids, biochemical oxygen demand (BOD) and content of oil and grease (TOG) were determined. The concentrations of anions (Br-, Cl-, F-, NO3- and SO42-) and cations (Ca2 +, K +, Mg2+, Na +, and NH4+) were determined by ion chromatography (IC). The total arsenic was determined by hydride generation atomic fluorescence spectrometry (HG AFS). For trace metals determination (Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, V and Zn) was used inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The limit of quantification (LOQ) ranged between 0.07 ìg L-1 (Cd e V) and 22 ìg L-1 (Fe). The precision was expressed as relative standard deviation (RSD) ranged between 0.03% (Na+) and 7.39% (F-). The values of recoveries obtained were between 85 ± 3% (Zn) and 112 ± 1% (Li). The results were compared to the values established by Resolution 430/2011 of the National Council for the Environment (CONAMA). To evaluate the data, the principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) were used. The concentrations of BOD, TOG, Ba, Mn and Fe were higher than those allowed by law, for some samples. The pH and concentration of As, Pb, Cr, Cu and Ni, for all samples, were consistent with established values. The conductivity, turbidity, suspended solids, concentration of anions, cations, Li and V are not required by law. The concentrations of Cd and Zn were below the LOQ of the method. In general, all the samples have very similar profiles with relatively close found values for all parameters. It was found that the samples have characteristics and inorganic constituents, which may cause damage to environment or generate drawbacks when used for reinjection. Therefore, the monitoring and characterization the produced water from onshore oil fields are very important for proper treatment of this effluent. / Neste trabalho, foram caracterizadas cinco amostras de agua produzida, provenientes de campos petroliferos onshore (terrestres) do Estado de Sergipe. Foram determinados os parametros fisico-quimicos, como pH, condutividade, turbidez, solidos suspensos, demanda bioquimica de oxigenio (DBO) e teor de oleos e graxas (TOG). Os anions (Br- , Cl-, F-, NO3- e SO42-) e cations (Ca2+, K+, Mg2+, Na+ e NH4+) foram determinados por cromatografia de ions (IC). O arsenio total foi determinado por espectrometria de fluorescencia atomica com geracao de hidreto (HG AFS). Para determinacao dos metais traco (Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, V e Zn) foi utilizada a espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). Os valores de limite de quantificacao (LQ) variaram entre 0,07 Êg.L-1 (Cd e V) e 22 Êg.L-1 (Fe). A precisao foi expressa como desvio padrao relativo (RSD), variando entre 0,03% (Na+) e 7,39% (F-). Os valores de recuperacoes ficaram entre 85 } 3 % (Zn) e 112 } 1% (Li). Os resultados obtidos foram comparados aos valores estabelecidos pela Resolucao 430/2011 do Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA). Para avaliar os dados, utilizou-se a analise de componente principal (PCA) e analise de agrupamento hierarquico (HCA). Os valores das concentracoes de DBO, TOG, Ba, Mn e Fe foram maiores do que os permitidos pela legislacao, para algumas amostras. Os valores de pH e constituintes inorganicos (As, Pb, Cr, Cu e Ni) para todas as amostras foram concordantes com os valores estabelecidos. A condutividade, turbidez, solidos suspensos, concentracao de anions, cations, Li e V ainda nao sao previstos por lei. Os valores de concentracao de Cd e Zn ficaram abaixo do LQ do metodo. No geral, todas as amostras possuem perfis bem semelhantes, com valores encontrados relativamente proximos para todos os parametros. Foi constatado que as amostras possuem caracteristicas e constituintes inorganicos, que podem causar danos ao meio ambiente ou gerar empecilhos quando utilizadas para fins de reinjecao. Portanto, o monitoramento e caracterizacao das aguas produzidas provenientes de campos petroliferos onshore sao de grande importancia para o tratamento adequado deste efluente.

The oil industry, in all its segments has the potential to cause environmental impacts. One major impact on the physical environment, generated by the oil industry, is associated with the drilling of oil wells due to the waste generation, among which are the drilling fluid and cuttings resulting from oil well drilling. It is estimated that in Brazil's Northeast region currently exists a waste quantity in the order of 100,000 m³ coming from land drilled wells for oil production and also due to the increasing well numbers, it is presumed a generating of 50 m³ by year. Due to the drill cuttings amount and its organic and inorganic contaminants generated, as well as the treatment, transportation, disposal and associated costs, there is usually a backset in the solid waste management, such as the adequacy of the drill cuttings produced volume over a period of time versus the evaluation and release times of the destined area to the industrial landfill, by the State's control and inspection, aiming at the reception and maintenance safe of these wastes. The present study aims to analyze the technical feasibility of the drill cuttings wastes adding (DCW) in the cement slurry, used in oil wells. The cement slurry physicochemical properties with drill cuttings depicted in this study are the lab test results carried out to adapt them to the technical parameters established by the oil company. The cement slurry lab tests done were: density, rheology, filtrate, free water, thickening time, stability and compressive strength. Some relevant results are described below. Some relevant results are described below, with the focus on the raise of 8% in the yield of the examined cement slurries with drill cuttings, compared to the conventional cement slurries, for a given density. The compressive strength of these cement slurries, under the investigated well conditions, reaches, at least, 2600 psi in up to 29 hours. The technological innovation presented in this study, according to the technical framework required by oil company for cement slurry used in primary cementing for producer intervals, proves to be feasible economically, since the introduction of 10% of drilling cuttings into the cement slurry composition provides a cement slurry cost reduction by produced volume, as a result of the cement content and related chemicals decreases, as well as the reduction of over 80% in the drill cuttings processing cost to the oil drilling contractors, due to the lower waste volume destined for controlled landfills. In addition, such an initiative can be considered fair socially because it creates an investment opportunity for the drill cuttings processing by society, through partnerships or cooperatives, enabling the employment and income generation; And sustainable environmentally, by reducing the drill cuttings disposal to the environment, whether by industrial landfill disposal or underground injection. / A indústria de petróleo, em todos os seus segmentos, tem potencial para causar impactos ao meio ambiente. Um dos principais impactos sobre o meio físico, gerado pela indústria de petróleo, está associado à perfuração de poços de petróleo em virtude da geração de diversos resíduos, entre os quais estão os fluidos de perfuração e os cascalhos resultantes da perfuração de poços de petróleo. Estima-se que na região Nordeste do Brasil exista atualmente uma quantidade de resíduos da ordem de 100 mil m³ oriundos do processo de perfuração de poços terrestres para a produção de petróleo e, ainda, em função do crescente número de poços, presume-se uma geração anual de 50 mil m³. Devido à quantidade gerada de cascalhos e seus contaminantes orgânicos e inorgânicos, como também o tratamento, o transporte, o descarte, e os expressivos custos associados, geralmente há contratempo no gerenciamento destes resíduos sólidos, como por exemplo, a adequação do volume de cascalhos produzidos por um período de tempo versus o tempo necessário para a avaliação e liberação de área destinada ao aterro industrial, pelos órgãos de controle e fiscalização do estado, visando o acolhimento e manutenção, em segurança, destes resíduos. O presente estudo tem por objetivo analisar a viabilidade técnica da adição dos resíduos de cascalhos de perfuração (RCP) na pasta de cimento, utilizada em poços de petróleo. As propriedades físico-químicas das pastas de cimento com cascalhos retratadas neste estudo são derivadas de testes laboratoriais efetuados para a adequação das mesmas aos parâmetros técnicos estabelecidos por operadora. Os testes executados em laboratório foram: massa específica, reologia, filtrado, água livre, tempo de espessamento, estabilidade e resistência compressiva da pasta. Alguns resultados relevantes são descritos a seguir, destacando-se o aumento de 8% no rendimento das pastas de cimento com cascalhos examinadas, com relação às pastas de cimento convencionais, para uma dada massa específica. A resistência compressiva destas pastas, nas condições de poço investigadas, atinge, no mínimo, 2600 psi em até 29 horas. A inovação tecnológica apresentada neste estudo, conforme o enquadramento técnico requerido pela operadora para pasta de cimento utilizada em cimentações primárias de intervalos produtores, demonstra ser economicamente viável, uma vez que a introdução de 10% de cascalhos de perfuração na composição de pastas de cimento proporciona uma redução no custo específico da pasta de cimento, em decorrência da redução do teor de cimento e produtos químicos relacionados a este, na pasta produzida, assim como a redução de mais de 80% no custo do beneficiamento dos cascalhos, bem como a diminuição do custo de logística e outros custos correlatos para a operadora, devido a menor volume de resíduos destinados a aterros controlados. Ademais, tal iniciativa pode ser considerada socialmente justa, em virtude de conceber uma oportunidade de investimento para a realização do beneficiamento dos cascalhos pela sociedade, por meio de associações ou cooperativas, viabilizando a geração de emprego e renda; e ambientalmente sustentável, em razão da redução do descarte de cascalhos para o ambiente, quer seja pela disposição em aterros industriais ou injeção no subsolo. / São Cristóvão, SE

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.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.

A exploração offshore tem crescido muito nos últimos anos e grandes estruturas e equipamentos têm sido projetados e construídos para remover o óleo que se encontra abaixo da superfície do mar. Para plataformas offshore fixas tipo jaqueta é necessário analisar os problemas decorrentes da exposição dessas instalações ao ambiente hostil do oceano. Estas perturbações induzem vibrações excessivas nas estruturas, afetando o conforto e a estabilidade da instalação, e para combater essas vibrações uma ferramenta matemática foi utilizada para monitorar o estado da integridade da estrutura, a Transformada de Hilbert-Huang (HHT). O HHT foi utilizada com sucesso para a identificação de parâmetros modais, como frequência fundamental e fator de amortecimento da plataforma. Finalmente, uma técnica de controle de vibração ativa baseada no Controle Linear Quadrático (LQ) é implementada com o objetivo de reduzir os efeitos de perturbações oscilatórias indesejáveis causados por ondas e correntes marinhas. / The offshore exploration has grown tremendously in recent years, and large structures and equipment has been designed and built to remove the oil that lies beneath the sea surface. For fixed jacket type offshore platforms is necessary to consider the problems arising from exposure of these facilities to the hostile ocean environment. These perturbations induce excessive vibrations in the structures affecting the comfort and stability of the facility, and for to combat these vibrations a mathematical tool was used to monitor the integrity health of the structure, namely the Hilbert-Huang Transform (HHT). The HHT was used for the successfully identification of modal parameters, as fundamental frequency and damping factor of the platform. Finally, an active vibration control technique based on the Control Linear Quadratic (LQ) is implemented aiming to reduce the effects of undesirable oscillatory perturbations caused by waves and marine current.