This work describes the development of an axisymmetric finite element for the simulation of the viscous behavior of rock salt during vertical well drilling. Based on the displacement formulation of the Finite Element Method, functions on the format of the simplified elastic solution are used for the interpolation inside the element, thereby it is possible to describe the behavior of the system with a few degrees of freedom. The numerical modeling using the proposed element provides faster and more precise answers, therefore it can be used to assist both the design and making of wells, risk analysis and the calibration of the rock viscoelastic parameters in real scale situations. A model with few degrees of freedom representing the studied problem is useful for the low time required to provide results. To verify the proposed element efficiency, results and comparisons with classical finite elements are presented. / FUNDEPES - Fundação Universitária de Desenvolvimento de Extensão e Pesquisa / PRH-ANP - Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um elemento finito axissimétrico para a simulação do comportamento viscoso de rochas salinas durante a perfuração de poços verticais. Baseado na formulação em deslocamento do Método dos Elementos Finitos e utilizando funções de interpolação no formato da solução do problema elástico simplificado, o uso do elemento permite representar com poucos graus de liberdade os fenômenos envolvidos no sistema em questão. A utilização do elemento proposto na modelagem numérica do problema fornece respostas mais precisas e em menos tempo, auxiliando tanto na elaboração de projetos de poços como no acompanhamento de sua execução, em análises de risco e na calibração dos parâmetros viscosos das rochas em situações de escala real. A vantagem de se ter disponível um modelo com poucos graus de liberdade representativo do problema posto é a rapidez com que resultados podem ser obtidos. Para verificação da eficiência do elemento finito proposto são apresentados resultados e comparações com o elemento clássico, com funções de interpolação exclusivamente polinomiais, usualmente utilizado para discretizar esse problema.

This work provides a parametric study to evaluate the effect of temperature in salt rock well drilling problems. These rocks show a slow and continuous strain when subjected to constant stress, a phenomenon known as creep. With recent oil discoveries in deep water, for example, in the pre-salt, where temperatures are high, the study of the influence of temperature becomes relevant, since it contributes to the increase of the creep phenomenon. The aim of this study is to perform numerical simulations by Finite Element Method, using non-linear viscoelastic models and weak thermo-mechanical coupling to evaluate, through parametric analysis, the effect of temperature during salt rock well drilling. Numerical examples are performed to validate the studies. More specifically, it is considered the problem of well drilling for oil exploration below these salt layers. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo paramétrico para avaliar o efeito da temperatura em problemas de perfuração em rochas salinas. Essas rochas possuem deformação lenta e contínua quando submetidas a tensões constantes, fenômeno conhecido como fluência. Com as recentes descobertas de petróleo em grandes profundidades como, por exemplo, no pré-sal, onde as temperaturas são elevadas, o estudo da influência da temperatura se torna relevante, uma vez que contribui para o aumento do fenômeno de fluência. O objetivo desse estudo é a realização de simulações numéricas, através do Método dos Elementos Finitos, utilizando modelos viscoelásticos não lineares e um fraco acoplamento termomecânico para avaliar, através de análises paramétricas, o efeito da temperatura durante a perfuração das rochas salinas. Exemplos numéricos são realizados para validação dos estudos. Mais especificamente, considera-se o problema de escavação de poços para exploração de petróleo abaixo dessas camadas salinas.

[pt] Ao longo dos anos, a produção de energia tem dependido de recursos não sustentáveis, como os combustíveis fosséis. No entanto, com o aquecimento global e a crise energética urge-se investir em recursos de energia renovável, como o hidrogênio. O gás deve ser armazenado em um ambiente seguro para evitar vazamentos. Portanto, este trabalho foca no armazenamento de hidrogênio em cavernas de sal, uma vez que essas rochas possuem propriedades relevantes, como a baixa permeabilidade. Um fluxo de trabalho para análise de integridade de cavernas desde a construção até a operação é proposto, implementado e aplicado para o estudo de casos sintéticos e reais. O armazenamento de hidrogênio provoca variações de temperatura e pressões dentro da caverna. A termodinâmica do gás segue uma solução diabática, atualizando a pressão e a temperatura do gás a cada instante para representar cenários de campo. A formulação termomecânica é implementada no simulador GeMA, que acopla diferentes físicas. Casos sintéticos consideram modelos homogêneos e diferentes geometrias de caverna. Os resultados demonstraram a importância dos efeitos térmicos, pois as amplitudes térmicas podem comprometer a integridade da rocha, por exemplo, induzindo tensões de tração e afetando a permeabilidade. Um estudo hidráulico demonstrou risco mínimo de migração de gás para o exterior. Por último, dois casos reais foram investigados, litologia heterogênea e uma caverna irregular baseada em dados de sonar. Os resultados evidenciaram alguns desafios na operação de cavernas. / [en] Over the years, energy has been highly dependent on non-sustainable resources. However, global warming and the energy crisis urge for investments in renewable energy resources, such as hydrogen. The gas must be stored in a secure medium to avoid migration to the external environment. Thus, this work focuses on hydrogen storage in salt caverns, as these rocks present relevant properties for a storage site, such as low permeability. A workflow for cavern analysis from construction to operation is proposed, implemented, and applied to synthetic and actual field cases. Hydrogen storage provokes variations in temperature and pressure inside the cavern. The gas thermodynamics follows a diabatic solution, which updates gas pressure and temperature to represent the field conditions. The thermomechanical formulation is implemented into an in-house framework GeMA, which couples different physics. Synthetic case studies include homogeneous deposits and different cavern geometries. The results demonstrate the importance of thermal effects, as temperature amplitudes may compromise rock integrity, inducing tensile stresses and affecting its permeability. A hydraulic study demonstrated minimal hydrogen migration risk. Finally, two real field conditions were investigated, considering heterogeneous salt stratifications and a sonar-based cavern geometry. The results highlight some integrity challenges to be faced during cavern operation.