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[pt] DESLOCAMENTO DE LÍQUIDOS EM ESPAÇOS ANULARES / [en] DISPLACEMENT OF LIQUIDS IN ANNULAR SPACESJANE CELNIK 02 March 2009 (has links)
[pt] Durante a perfuração e cimentação de poços de petróleo e
gás, diversos fluidos circulam no espaço anular formado
entre a coluna de revestimento e a formação rochosa. A
boa
aderência do cimento à formação e à coluna
de revestimento depende de quão bem o fluido de
perfuração
É deslocado para fora do espaço anular pelos fluidos
lavadores e espaçadores e de quão bem a pasta de cimento
desloca esses últimos. Falhas na cimentação podem
comprometer a vedação hidráulica do poço causando sérios
danos ambientais e perdas na produção. Portanto, é
importante estudar o processo de deslocamento de fluidos
em
espaços anulares e determinar as condições que
garantam a eficiência de deslocamento. Neste trabalho foi
investigado experimentalmente o deslocamento de fluidos
para regimes laminares em um espaço anular formado por
cilindros concêntricos. A eficiência de deslocamento
foi associada à configuração da interface formada entre
os
fluidos. Foram realizados testes de visualização na
planta
experimental existente no laboratório e foi construída
uma
nova planta experimental em menor escala.
Na nova planta experimental, foi verificada a
possibilidade
da adição, ao fluido deslocador, de micropartículas que
refletem a luz incidida por feixes de laser formando um
plano de vizualização. A maior dificuldade observada
para a utilização desta técnica foi encontrar fluidos com
índices de refração parecidos. Foram estudados o caso de
um
fluido newtoniano mais viscoso deslocando um menos
viscoso
e vice-versa para trás diferentes vazões.Foi observado
que
quanto menor a vazão, mais plano é o formato da interface
entre os fluidos, o que indica um deslocamento mais
eficiente. / [en] While drilling and cementing oil and gas wells, a number of
fluids
circulate in the annular space between the casing and the
rock formation.
Good cement bonding to the formation or the casing depends
on how well
the drilling mud can be washed out of the annular space by
spacer and
washer fluids, and on how well the cement slurry displace
the last ones.
Failure in cementing can compromise the hydraulic sealing
of the well
causing serious environmental damages and production
losses. Therefore,
it is important to study the displacement process of fluids
in annular
spaces and determine the conditions that guarantee
displacement efficiency.
In this work fluids displacement in laminar flows were
investigated in an
annular space formed by concentric cylinders. The
displacement efficiency
was related to the interface shape between the fluids.
Visualization tests
were performed in the experimental apparatus existent in
the laboratory
and a new experimental apparatus was built in a smaller
scale. On the new
experimental apparatus, the possibility creating a
visualization plane by
adding tracer particles that reflect the light coming from
laser beams to the
displacing fluid was verified. The greater difficulty for
using this technique
is to find fluids with similar refraction indices. The
cases of a more viscous
Newtonian fluid displacing a less viscous one and vice
versa were studied
for three different flow rates. Was observed that for lower
flowrates, the
interface shape is flatter and that indicates a better
displacement efficiency.
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[en] MODELLING OF THE EVOLUTION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE CEMENT PASTE IN PRE SALT WELLS / [pt] MODELAGEM DA EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DA PASTA DE CIMENTO EM POÇOS DO PRÉ SALNUNO BANDARRINHA BRANDAO 05 September 2017 (has links)
[pt] Este estudo tem como objetivo avaliar a influência do desenvolvimento das propriedades mecânicas da pasta de cimento na integridade do poço de petróleo. Um modelo numérico foi desenvolvido para simular as diferentes fases de construção de poços, tais como perfuração, ação da fluência, reconstrução do revestimento e a hidratação do cimento. O comportamento da fluência do sal foi modelado através uma metodologia que combina o Duplo Mecanismo e a Lei da Potência. Duas fases foram consideradas para a pasta de cimento. Em primeiro lugar, a pasta de cimento foi idealizada como um fluido com um campo de tensão hidrostática. Durante as primeiras cinco horas após a cimentação, uma diminuição do campo de tensão hidrostática foi utilizada a fim de simular a retração autógena e a perda de água no processo. Quando a pasta de cimento foi considerada como elástico com um módulo de rigidez crescente ao longo do tempo quando solidificada. Na mudança de fase do fluido para sólido, um cuidado especial foi dado aos elementos que representam a pasta de cimento hidratada a fim de evitar a sobreposição de malhas. A nova lei de fluência do sal apresentou resultados precisos quando comparado aos valores obtidos em campo e a outros dados encontrados na literatura. No processo de hidratação, a redução das dimensões anulares foi observada. A taxa de deformação diminuiu com o aumento do módulo de rigidez da pasta de cimento. Mais importante ainda, esta deformação foi insignificante quando comparada com as dimensões do poço. Assim, a solidificação do cimento pode ser desconsiderada em simulações expeditas. / [en] The quality of the cement sheath plays a crucial role in the integrity of the oil well. This study aims at assessing the influence of cement hardening on deformations and stresses to which the sheath is submitted. A numerical model was developed to simulate the different stages of well construction such as drilling, creep action, casing reconstruction and - the focus herein - cement hardening. The salt creep behavior was modeled through a new methodology that combines the Double Mechanism with the Power Law. Two stages were considered for the cement. First, the cement was idealized as a fluid with a hydrostatic stress field. During the first five hours after cementation, a decrease in the hydrostatic stress field was employed in order to simulate the chemical shrinkage and loss of water in the hardening process. When hardened, the cement was considered to behave elastically with an increasing stiffness modulus over time. In the phase change from fluid to solid, special care was given to fitting the cement finite element mesh to the annulus, avoiding mesh overlapping. The new salt creep law showed accurate results when compared to field and other creep data. In the hardening process, the annular dimension reduction was expected and noticed. The deformation rate decreased with the increasing cement stiffness modulus. Most importantly, this deformation was negligible when compared with the dimensions of the well. Moreover, for practical and quick simulations, the hardening step can be avoided.
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[en] AN IRREVERSIBLE PHENOMENOLOGICAL CONSTITUIVE MODEL FOR RHEOLOGICAL DESCRIPTION OF CEMENT PASTES / [pt] UM MODELO CONSTITUTIVO FENOMENOLÓGICO IRREVERSÍVEL PARA DESCRIÇÃO REOLÓGICA DE PASTAS DE CIMENTOELIAS DA CONCEICAO RODRIGUES 20 June 2018 (has links)
[pt] A performance de protocolos geralmente empregados na caracterização reológica de pastas de cimento é investigada. Para este fim duas pastas de cimento foram utilizadas, Pasta A e Pasta B, com a mesma densidade e razão água-cimento, diferindo quanto aos aditivos empregados. O procedimento
API (American Petroleum Institute), tal qual, sua modificação é estudada. Curvas de escoamento são determinadas com o auxílio de um reômetro rotacional através de três diferentes métodos (ramp up/ramp down, ramp down e viscosidade mínima). O procedimento API gerou curvas de escoamento que superestimaram (Pasta A) ou subestimaram (Pasta B) a viscosidade dentro da faixa de cisalhamento estudada. Os desvios tornam-se particulamente maiores em baixas taxas, e para Pasta B,
por causa de efeitos tixotrópicos, o regime permanente não é atingido. A modificação do protocolo API investigada resultou em curvas de escoamento similares ao método de viscosidade mínima. Um novo modelo constitutivo fenomenológico irreversível é proposto para descrição reológica de pastas de cimento (voltadas para poços de petróleo) sob escoamento de cisalhamento simples. Para esse objetivo uma série de experimentos foram realizados, como taxa de deformação constante, construção e destruição
da microestrutura. O modelo proposto utiliza a própria fluidez, recíproca da viscosidade, para descrever a evolução da estrutura da pasta. O efeito macroscópico do fenômeno de hidratação na reologia é introduzido por meio de uma função exponencial para tensão limite de escoamento. Todos os dez parâmetros necessários no modelo são experimentalmente obtíveis. Os resultados mostraram boa concordância entre os dados experimentais e a modelagem, embora pequenas diferenças tenham sido observadas para taxas
de deformação abaixo de 7,1 s(−1). / [en] The performance of reological protocols usually employed for the rheological characterization of oil well cement slurries is investigated. To this end two cement slurries were employed, namely Paste A and Paste B. The API procedure is addressed and a modification to it is investigated. Flow curves are determined with the aid of a rotational rheometer using three different methods (ramp up/down, ramp down, and minimum-viscosity). The API procedure yielded flow curves that significantly overestimate (Paste A) or underestimate (Paste B) the viscosity throughout the whole range of shear rate. The deviations become particularly dramatic in the low end of this range and for Paste B, clearly because the steady state is not attained due to a thixotropic behavior. The investigated modification to the API procedure resulted in flow curves similar to the ones based on the minimum-viscosity method. A novel irrevesible phenomenological constitutive model is proposed to describe oil well cement slurry rheology under simple shear flow. To this end several rheological experiments were conducted, namely constant shear rate, construction and microstructural destruction experiment. The proposed model employ the fluidity itself, reciprocal of viscosity, to describe the paste s structure evolution. The macroscopical rheological effect of hydration phenomena is introduced in the model by means of a yield stress exponential function. All ten parameters needed in the model are experimentally obtainable. The present results have shown a good agreement between experimental data and modeling, albeit minor differences were observed for low shear rates below 7.1 s(−1).
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Desenvolvimento de pastas cimentantes utilizando cimentos portland compostos para cimenta??o de po?os petrol?ferosBel?m, Francisco Ademir Teles 11 October 2010 (has links)
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Previous issue date: 2010-10-11 / The Compound Portland cements are commonly used in construction, among them
stand out the CPII-Z, CPII-F and CPIV. These types of cement have limited application
on oil well cementing, having its compositional characteristics focused specifically to
construction, as cement for use in oil wells has greater complexity and properties
covering the specific needs for each well to be coated. For operations of oil wells
cementing are used Portland cements designed specifically for this purpose. The
American Petroleum Institute (API) classifies cements into classes designated by letters
A to J. In the petroleum industry, often it is used Class G cement, which is cement that
meets all requirements needed for cement from classes A to E. According to the
scenario described above, this paper aims to present a credible alternative to apply the
compound cements in the oil industry due to the large availability of this cement in
relation to oil well cements. The cements were micro structurally characterized by
XRF, XRD and SEM tests, both in its anhydrous and hydrated state. Later technological
tests were conducted to determine the limits set by the NBR 9831. Among the
compound cements studied, the CPII-Z showed satisfactory properties for use in
primary and secondary operations of oil wells up to 1200 meters cementing / Os cimentos Portland Compostos s?o comumente utilizados na constru??o civil, dentre
eles destacam-se os CPII-Z, CPII-F e o CPIV. Estes tipos de cimento t?m sua aplica??o
limitada para cimenta??o de po?os de petr?leo, tendo em vista suas caracter?sticas
composicionais direcionadas especificamente para a constru??o civil. Cimentos para uso
em po?os de petr?leo possuem uma maior complexidade e propriedades que d?o suporte
?s necessidades especificas para cada po?o a ser revestido. Para as opera??es de
cimenta??o de po?os petrol?feros, s?o usados cimentos Portland desenvolvidos
especialmente para tal finalidade de acordo com as normas API (American Petroleum
Institute), os quais s?o classificados por classes, designadas pelas letras de A a J. Na
ind?stria do petr?leo, comumente se utiliza o cimento da classe G, por ser um cimento
que atende praticamente todas as condi??es previstas para os cimentos das classes A at?
E. De acordo com o cen?rio descrito acima, esse trabalho teve como objetivo apresentar
uma alternativa confi?vel para aplica??o de cimentos compostos na ind?stria do
petr?leo em fun??o da grande disponibilidade destes cimentos em rela??o aos cimentos
petrol?feros. Os cimentos foram caracterizados microestruturalmente atrav?s de ensaios
de FRX, DRX e MEV, tanto em seu estado anidro quanto hidratado. Posteriormente,
foram realizados ensaios tecnol?gicos para determinar os limites estabelecidos pela
norma NBR 9831. Dentre os cimentos compostos estudados, o cimento CPII-Z
apresentou propriedades satisfat?rias para aplica??o em opera??es de cimenta??o
prim?ria e secund?ria de po?os petrol?feros at? 1200 metros
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Adi??o de poliuretana em pastas de cimento para po?os de petr?leo como agente de corre??o do filtradoFreitas, J?lio Cezar de Oliveira 16 July 2008 (has links)
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Previous issue date: 2008-07-16 / Chemical admixtures, when properly selected and quantified, play an important role in obtaining adequate slurry systems for quality primary cementing operations. They assure the
proper operation of a well and reduce costs attributed to corrective cementing jobs. Controlling the amount lost by filtering through the slurry to permeable areas is one of the most important requirements in an operation, commonly controlled by chemical admixtures, such as carboxymethylcellulose (CMC). However, problems related to temperature, salttolerance and the secundary retarding effect are commonly reported in the literature. According to the scenario described above, the use of an aqueous dispersion of non-ionic poliurethane was proposed to control the filter loss, given its low ionic interaction with the free ions present in the slurries in humid state. Therefore, this study aims at assessing the efficiency of poliurethane to reduce filter loss in different temperature and pressure conditions as well as the synergistic effect with other admixtures. The temperatures and pressures used in laboratory tests simulate the same conditions of oil wells with depths of 500 to 1200 m. The poliurethane showed resistance to thermal degradation and stability in the presence of salts. With the increase in the concentration of the polymer there was a considerable decrease in the volume lost by filtration, and this has been effective even with the increase in temperature / Os aditivos qu?micos, quando devidamente selecionados e quantificados, s?o importantes aliados na obten??o de sistemas adequados de pastas para cimenta??es prim?rias de qualidade, fundamentais para o ciclo de vida ?til de um po?o, visto que opera??es de cimenta??o corretiva geram custos adicionais. Controlar a quantidade perdida por filtra??o pela pasta de cimento para as zonas perme?veis ? um dos requisitos mais importantes em uma opera??o, comumente controlado por aditivos qu?micos, como a carboximetilcelulose (CMC).
Entretanto, problemas associados ? temperatura, toler?ncia a sais e o efeito secund?rio como retardador de pega, s?o comumente reportados na literatura. De acordo com o cen?rio descrito acima foi proposta a utiliza??o de uma dispers?o aquosa n?o i?nica de poliuretana para controle de filtrado, dada sua baixa intera??o i?nica com os ?ons livres presentes na pasta no estado fresco. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar a efici?ncia da poliuretana como redutor de filtrado em diferentes condi??es de temperatura e press?o, bem como o efeito sin?rgico com outros aditivos. As temperaturas e press?es utilizadas nos ensaios em laborat?rio simulam as mesmas condi??es de po?os de petr?leo com profundidades de 500 a 1200 m. A poliuretana apresentou resist?ncia ? degrada??o t?rmica e estabilidade na presen?a de sais. Com o aumento da concentra??o do pol?mero observou-se uma consider?vel diminui??o do volume perdido por filtra??o, mantendo-se eficiente mesmo com o incremento da temperatura
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Desenvolvimento de sistemas de aditivos qu?micos para aplica??o em cimenta??es de po?os de petr?leoFreitas, J?lio Cezar de Oliveira 18 June 2010 (has links)
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Previous issue date: 2010-06-18 / The primary cementing is an important step in the oilwell drilling process, ensuring the mechanical stability of the well and the hydraulic isolation between casing and formation. For slurries to meet the requirements for application in a certain well, some care in the project should be taken into account to obtain a cement paste with the proper composition. In most cases, it is necessary to add chemicals to the cement to modify its properties, according to the operation conditions and thus obtain slurries that can move inside the jacket providing a good displacement to the interest area. New technologies of preparation and use of chemicals and modernization of technological standards in the construction industry have resulted in the development of new chemical additives for optimizing the properties of building materials. Products such as polycarboxylate superplasticizers provide improved fluidity and cohesion of the cement grains, in addition to improving the dispersion with respect to slurries without additives. This study aimed at adapting chemical additives used in civil construction to be used use in oilwell cement slurries systems, using Portland cement CPP-Special Class as the hydraulic binder. The chemical additives classified as defoamer, dispersant, fluid loss controller and retarder were characterized by infrared absorption spectroscopy, thermogravimetric analyses and technological tests set by the API (American Petroleum Institute). These additives showed satisfactory results for its application in cement slurries systems for oil wells. The silicone-based defoamer promoted the reduction of air bubbles incorporated during the stirring of the slurries. The dispersant significantly reduced the rheological parameters of the systems studied. The tests performed with the fluid loss controller and the retarder also resulted in suitable properties for application as chemical additives in cement slurries / A cimenta??o prim?ria ? uma etapa importante durante o processo de perfura??o de po?os petrol?feros, garantindo a estabilidade mec?nica do po?o e o isolamento hidr?ulico entre o tubo de revestimento e a forma??o. Para que a pasta de cimento atenda aos requisitos estabelecidos para sua aplica??o em um determinado po?o, alguns cuidados no seu projeto de execu??o devem ser levados em considera??o para a obten??o de uma pasta de cimento com composi??o adequada. Na grande maioria dos casos, ? necess?ria a adi??o de produtos qu?micos ao cimento para modificar suas propriedades, conforme as condi??es do po?o ou opera??o e, assim, obter pastas que possam se deslocar no interior do revestimento promovendo um bom deslocamento at? a zona de interesse. Novas tecnologias de prepara??o e uso de produtos qu?micos e a moderniza??o dos padr?es tecnol?gicos no setor da constru??o civil t?m resultado no desenvolvimento de novos aditivos qu?micos para a otimiza??o das propriedades dos materiais construtivos. Produtos como superplastificantes a base de policarboxilato proporcionam maior fluidez e coes?o dos gr?os de cimento, al?m de melhorar a dispers?o em rela??o ?s pastas sem aditivos. Este trabalho tem como objetivo adequar aditivos qu?micos utilizados na constru??o civil para aplica??o em sistemas de pastas de cimento de po?os petrol?feros, utilizando como aglomerante hidr?ulico o cimento Portland CPP-Classe Especial. Os aditivos qu?micos classificados como antiespumantes, dispersantes, controladores de filtrado e retardadores de pega foram caracterizados por espectroscopia de absor??o na regi?o do infravermelho, an?lise termogravim?trica e ensaios tecnol?gicos estabelecidos pelo API (American Petroleum Institute). Estes aditivos apresentaram resultados satisfat?rios para sua aplica??o em sistemas de pasta de cimento para po?os de petr?leo. O antiespumante, a base de silicone, promoveu redu??o do aprisionamento de ar durante o processo de agita??o das pastas. O aditivo dispersante reduziu consideravelmente os par?metros reol?gicos dos sistemas estudados. Os testes realizados com o controlador de filtrado e o retardador de pega tamb?m apresentaram propriedades adequadas para aplica??o como aditivos qu?micos em pastas para cimenta??o
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[pt] A INFLUÊNCIA DE MICRO E NANOFIBRAS DE CELULOSE EM PROPRIEDADES QUÍMICAS, FÍSICAS E MECÂNICAS DE PASTAS DE CIMENTO / [en] THE EFFECT OF MICRO AND NANO CELLULOSE FIBERS ON THE CHEMICAL, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT PASTESLETICIA OLIVEIRA DE SOUZA 06 February 2023 (has links)
[pt] A busca por materiais que não impactem negativamente o meio
ambiente tem sido uma das prioridades de engenheiros que trabalham com
materiais de construção. A emissão expressiva de CO2 na produção de
cimento contribui para tal preocupação. Dentro deste cenário, soluções com
emprego de nanotecnologia vêm chamando a atenção em diversas áreas por
proporcionar novas soluções. O principal objetivo da presente tese é
associar um material proveniente de uma fonte natural com benefícios
provenientes da nanotecnologia a fim de modificar propriedades de pastas
de cimento considerando seus aspectos químicos, físicos e mecânicos. A
nanocelulose se apresenta como material proveniente de fonte renovável que
apresenta propriedades atraentes aos materiais cimentícios, sendo assim uma
opção a ser utilizada em conjunto com o cimento. Dentre os diversos tipos
disponíveis, a celulose nanofibrilada (CNF) foi elencada para ser
investigada neste trabalho. A celulose microcristalina (CMM) foi incluída
nas investigações para possibilitar uma comparação direta entre as fibrilas
da CNF e as partículas de CMM. O uso desses materiais celulósicos pode
ser considerado recente e, com isso, existem ainda lacunas no que tange o
entendimento dos seus efeitos em materiais cimentícios. Assim, a
viabilidade da CNF e da CMM enquanto reforços em pastas de cimento foi
avaliada por meio de ensaios de compressão e flexão. Os possíveis
mecanismos responsáveis pelo efeito de ambas CMM e CNF foram
estudados por meio de análises químicas e físicas. Por fim, foi realizada a
caracterização das pastas reforçadas quanto à retração, total e autógena, e à
reologia, nos regimes estático e dinâmico. Por conta dos impactos na trabalhabilidade promovidos pela inclusão de CNF, a mistura delas nas
pastas de cimento foi facilitada com a adição de superplastificante,
especialmente em porcentagens maiores que 0.050 por cento, em peso. A CMM e a
CNF se mostraram eficazes em reforçar as pastas de cimento quanto a
esforços de flexão e tração, levando ao aumento das respectivas resistências
e módulos. Os resultados obtidos mostraram que a água presente no gel da
CNF não está totalmente disponível como água de mistura por conta da
morfologia e hidroficilidade das fibrilas. Observada uma certa combinação
de porcentagem e fator água-cimento, a inclusão de CNF diminuiu a
retração autógena das pastas. A inclusão de 0,040 por cento de NFC levou a
resultados semelhantes aos da adição de CMM referente ao aumento da
tensão de escoamento e da viscosidade. / [en] The seek for low environmental impact materials has become one of
the priorities of construction building materials engineers. One of the
reasons is the massive growing contribution of cement production industry
in worldwide CO2 emissions. In this scenario, the dissemination of
nanotechnology into varied areas is drawing attention for enabling new
possibilities. The idea of the present thesis is to associate a material
provided from a natural source with the potential benefits of
nanotechnology to modify conventional cement pastes regarding their
chemical, physical and mechanical aspects. Nanocellulose arises as an
alternative that meets an eco-friendly source with remarkably properties
expected from nanomaterials. There are different types of nano cellulosic
materials that may be tailored to achieve desired compatibilities with varied
cementitious materials. In this work, nanofibrillated cellulose (NFC) in the
form of gel, and microcrystalline cellulose (MCC) particles were
investigated, so a comparison could be traced between them. The use of
both NFC and MCC in cementitious materials is recent and there are
important gaps regarding their effect. For that reason, the feasibility of MCC
and NFC to act as reinforcement on cement pastes was evaluated through
compressive and flexural tests. Then, the possible mechanisms behind the
effect of MCC and NFC on the microstructure of cement pastes were
investigated through distinct chemical and physical analyses. Moreover, the
total and autogenous shrinkage were characterized, as well as the dynamic
and static rheological behaviors. Due to rheological modifications, the
mixture of cement pastes with NFC was facilitated by a superplasticizer, especially for percentages higher than 0.050 percent wt. The MCC and NFC
promoted the reinforcement of the cement pastes, regarding flexural and
tensile stresses, increasing the composite strength and modulus. It was
observed that he water present in the NFC gel is not totally available as
mixing water due to the morphology and hydrophilicity of the fibrils. If
associating certain levels of inclusions and water ratio, the NFC inclusion
led to a decrease in autogenous shrinkage. The addition of 0.040 percent of NFC
resulted in similar outcomes to 1.000 percent of MCC regarding their ability to
increase yield stress and viscosity.
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[en] AXISYMMETRIC DISPLACEMENT OF MISCIBLE FLUIDS IN ANNULARS WITH ABRUPT EXPANSION / [pt] DESLOCAMENTO AXISSIMÉTRICO DE FLUIDOS MISCÍVEIS EM ANULARES COM EXPANSÃO ABRUPTAFREDERICO RESENDE DE CARVALHO 05 September 2023 (has links)
[pt] Umas das etapas mais complexas e críticas durante a construção de poços
de petróleo é o processo de cimentação primária, definido como: O processo de
instalação de cimento no anular entre o revestimento e a formação exposta ao
poço [1]. Ela fornece isolamento zonal permanente para evitar contaminação
ou migração de fluidos indesejáveis no anular, protege o revestimento da
ocorrência de corrosão e fornece estabilidade hidráulica e mecânica para o
revestimento ao longo da vida produtiva do poço de petróleo. Neste processo,
ainda na etapa de perfuração, irregularidades na seção transversal (washouts)
podem ser geradas como resultado de diversos colapsos parciais da seção do
poço aberto em decorrência da presença de rochas pouco consolidadas da
formação. Uma operação de cimentação primária bem sucedida dependerá
se o sistema de fluidos espaçadores e a pasta de cimento deslocam de forma
adequada e completa o fluido de perfuração do anular e washouts.
Motivados por esse problema industrial, a presente dissertação usa um
simulador numérico DNS (Direct Numerical Simulation) com o objetivo de
analisar sistematicamente o comportamento hidrodinâmico e calcular a eficiência do deslocamento entre dois fluidos newtonianos miscíveis através de
um anular contendo uma expansão seguida de uma contração abrupta. Investigamos como diferentes viscosidades e densidades dos fluidos, um injetado e
outro deslocado, a miscibilidade entre eles, a taxa de injeção e a dimensão do
washout retangular afetam o escoamento bifásico. Consideramos uma geometria axissimétrica durante processos de deslocamentos verticais, e as equações
governantes são resolvidas em coordenadas cilíndricas, permitindo investigar
diferentes aberturas anulares. Devido à miscibilidade entre os fluidos, nossos
resultados preveem eficiências de deslocamento altíssimas, próximas a 100
Fluidos não-newtonianos são usualmente utilizados durante o processo
industrial de cimentação primária de poços de petróleo. Contudo, as altas eficiências de deslocamentos encontradas em nossos resultados motivam estudos
futuros sobre a influência da miscibilidade em deslocamentos de fluidos complexos. Estes resultados também motivam o uso de fluidos espaçadores para
tentar controlar as propriedades de interface. Desta forma, é possível que a utilização de sistemas que se aproximem das condições reológicas e hidrodinâmicas de deslocamento entre fluidos newtonianos miscíveis poderá contribuir para
um aumento da eficiência de deslocamento e, consequentemente, otimizar o
processo de deslocamento de sistemas de fluidos, tendo em vista melhorias na
integridade da cimentação de poços de petróleo. / [en] One of the most complex and critical stages during the construction ofoil wells is the primary cementing process, defined as the process of installingcement in the annulus between the casing and the exposed formation to thewell [1]. Primary cementing provides permanent zonal isolation to preventcontamination or migration of unwanted fluids in the annulus, protects thecasing from corrosion, and provides hydraulic and mechanical stability forthe casing throughout the productive life of the oil well. In this process,during the drilling stage, irregularities in the cross-section (washouts) can begenerated because of various partial collapses of the open wellbore section dueto the presence of poorly consolidated rocks in the formation. A successfulprimary cementing operation will depend on whether the spacer fluid systemand cement slurry adequately and completely displace the drilling fluid fromthe annulus and washouts.Motivated by this industrial problem, the present dissertation uses aDirect Numerical Simulation (DNS) numerical simulator to systematically analyze the hydrodynamic behavior and calculate the displacement efficiency between two miscible newtonian fluids through an annulus containing an expansion followed by an abrupt contraction. We investigate how different viscositiesand densities of the injected and displaced fluids, their miscibility, injectionrate, and the dimension of the rectangular washout affect the two-phase flow.We consider an axisymmetric geometry during vertical displacement processes,and the governing equations are solved in cylindrical coordinates, allowing theinvestigation of different annular clearances. Due to the miscibility betweenthe fluids, our results predict very high displacement efficiencies, close to 100Non-newtonian fluids are commonly used during the industrial processof primary cementing of oil wells. However, the high displacement efficienciesfound in our results motivate further studies on the influence of miscibilityin displacements of complex fluids. These results also encourage the use ofspacer fluids attempting to control the interfacial properties. Therefore, the useof systems that approximate the rheological and hydrodynamic conditions ofdisplacement between miscible newtonian fluids may contribute to an increasein displacement efficiency and, consequently, optimize the displacement processof fluid systems, aiming at improvements in the integrity of well cementing.
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