[pt] Atualmente, os lasers de alta potência estão sendo testados pela indústria de petróleo como ferramentas de perfuração. Isto ocorre visando dois objetivos fundamentais: (i) aumentar a eficiência na perfuração de poços (maior taxa de penetração) e (ii) melhorar o controle da geometria do corte de revestimento no processo de canhoneio de poço. Este trabalho tem como objetivo contribuir para a tecnologia de canhoneio a laser em rochas carbonáticas através do desenvolvimento de técnicas para aumentar o volume de rocha removida por unidade de tempo. Estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas quando um laser é utilizado como ferramenta de perfuração no processo de canhoneio. Este conhecimento, obtido através de experimentos e simulações, forneceu dados para a otimização dos parâmetros de perfuração. Foram investigadas as condições de perfuração estática (não há movimentação do feixe do laser) e dinâmica (o feixe do laser percorre uma trajetória espiral). Além disso, foram investigados os resultados da perfuração sob pressão atmosférica e também utilizando uma câmara de pressão projetada para emular a pressão confinante do reservatório. Foram realizados testes experimentais de perfuração a laser com corpos de prova feitos a partir da rocha Bege Bahia. O Bege Bahia é um afloramento utilizado para simular as rochas encontradas nos reservatórios do Pré-sal. A análise destes corpos de prova foi feita através de inspeção e da caracterização por microtomografia, permitindo observar e caracterizar as propriedades da rocha, além da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Estes resultados foram comparados com resultados obtidos através de simulações. Na modelagem numérica, o processo de canhoneio foi simulado pelo método de elementos finitos através de um modelo termomecânico elástico transiente axissimétrico que verificou as condições de perfuração. O modelo numérico permitiu observar o comportamento das tensões e temperaturas nos testes que envolvem altas temperaturas e altas pressões. Estas grandezas são usualmente difíceis de serem medidas em ensaios experimentais e, portanto, não foram observadas nos ensaios experimentais discutidos nesta tese. Também foram obtidos através da modelagem numérica valores para propriedades da rocha e da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados dos ensaios experimentais. Os resultados obtidos mostraram que a condição de perfuração dinâmica consegue remover uma quantidade maior de material e produzir uma ZTA maior em Comparação com o teste estático, gerando uma melhor relação tempo x potência. Os testes estáticos e dinâmicos permitiram se chegar às condições de canhoneio mais eficientes para a perfuração da rocha. A análise de tensões do modelo mostrou uma correlação compatível com o perfil do dano encontrado nos ensaios experimentais. / [en] Currently, the petroleum industry is testing high power lasers as drilling tools. The use of these lasers for this application has two main reasons: (i) to increase the efficiency of well drilling (higher penetration rate) and (ii) to improve the control of the geometry of the hole in the casing during the perforation process of the well. The present thesis has the purpose of contributing to the laser perforation technology in carbonate rocks by developing techniques to increase the volume of rock removed by unit of time. The thermo-mechanical behavior of the carbonate rocks was studied when a laser is used as the drilling tool in the perforation process. This knowledge, obtained through experiments and simulations, supplied data for the optimization of the drilling parameters. Both static (the laser beam does not move) and dynamic (the laser beam moves in a spiral trajectory) drilling conditions were investigated. Also investigated were drilling conditions under atmospheric pressure and under high pressure, where a pressure chamber designed to emulate pressure conditions of reservoirs was used. Experimental tests were performed by laser drilling samples made of Bege Bahia rock. This rock is used to simulate rocks found in pre-salt reservoirs. The analysis of these samples was performed through inspection and microtomography characterization, allowing the observation of properties of the rocks and of the heat affected zone (HAZ), geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. These results were compared to the results obtained by simulations. In the numerical modeling, the perforation process was simulated with the finite element method through a transient axisymmetric thermo-mechanical elastic model that verified the drilling conditions. The numerical model allowed the observation of the behavior of the tensions and temperatures in tests involving high temperatures and pressures. These properties are usually difficult to measure in experimental tests and, therefore, were not measured during the experimental tests discussed in this thesis. Also obtained by numeric modeling were: properties of the rock and of the HAZ, geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. The numeric results obtained were compared to the experimental results. The results obtained showed that the dynamic drilling condition is able to remove a larger amount of material and produce a larger HAZ, compared to the static condition, thus generating a better time x power relation. The static and dynamic tests allowed reaching more efficient conditions for rock drilling. The analysis of the tension of the model showed a compatible correlation with the damage profile found in the experimental tests.

[pt] Esta dissertação apresenta os resultados de um estudo visando à avaliação do uso de lasers de alta potência para operações de canhoneio em poços revestidos e cimentados em reservatórios carbonáticos, cujo objetivo é introduzir furos laterais nas paredes do poço para permitir o escoamento do fluido do reservatório para o poço. Numa revisão bibliográfica de patentes internacionais publicadas na última década, levantou-se o atual estado da arte do uso de lasers para perfuração de rochas. Foram publicados 226 documentos de patentes desde o ano de 2008, indicando a grande relevância tecnológica do tema desta dissertação. São apresentados os resultados de testes de Resistência a Compressão e análises de microtomografia, realizados em amostras de pastas de cimento com formulações usadas nos poços do Pré-sal e de rochas carbonáticas com características próximas às encontradas nesses reservatórios. O laser a fibra utilizado apresentava potência de até 1,5 kW e comprimento de onda de 1.064 micrômetros. Para a caracterização destes materiais, antes e após a produção de canhoneios, foram realizados ensaios de Difração de Raios X e de Espectrometria de Fluorescência de Raios X. Na avaliação da estrutura das amostras, foram utilizados um tomógrafo de raios-X e um microtomógrafo. Energia específica estimada em 243 J/mm(3) para carbonato. Testes em corpos de prova compostos de revestimento/cimento/carbonato. Com laser de potência de 1,5 Kw por 80 segundos, produziram furos de 5 mm de diâmetro e 50 mm de profundidade. Os resultados obtidos demostram, ainda que preliminarmente, o potencial do uso dessa tecnologia em operações de canhoneio. / [en] This thesis presents the results of a study evaluating the application of highpowered lasers when perforating cement-lined wells in carbonate rock reservoirs. The focus is on the creation of lateral channels in the walls of the well to allow the flow of the oil into the well. Through an intensive literature review of the international patents published in the last decade, the current state-of-the-art use of lasers in the perforation of rocks was evaluated. Specifically, 226 patent documents were found to have been published since 2008, showing the great importance of laser technology in this field. The results of the Resistance to Compression tests and the microtomography analysis are presented, showing samples of the cement slurry formulation used in pre-salt wells and carbonate rocks with characteristics close to the ones found in these types of reservoirs. The fiber laser utilized presented an output of up to 1.5kW and a wavelength of 1,064 micrometers. The characterization of this material, before and after the production of perforations, was analyzed using X-ray Diffraction and X-ray Fluorescence Spectroscopy. To evaluate the structure of the samples, X-ray tomography and microtomography were employed. The specific energy was estimated at 243 J/mm(3) for the carbonate rocks. The final tests to represent the well architecture were realized with samples of liner/cement/carbonate. By means of lasers with the power of 1.5kW for 80 seconds, channels with 5mm diameters and 50mm depths were produced. The results obtained show, although only preliminarily, the potential of using this technology in perforation operations.

[pt] Esta dissertação faz parte de um projeto mais abrangente que visa caracterizar os parâmetros ideais para perfuração e corte a laser em rochas, metais e cimentos tipicamente utilizados na indústria do petróleo. Este trabalho teve por objetivo de caracterizar cortes a laser em placas de aço. Procurou-se correlacionar a morfologia do corte e a formação de rebarbas com parâmetros operacionais, tais como densidade de potência e posição do ponto focal. O estudo foi desenvolvido para o aço SAE 1020 com e sem anteparo rochoso (Travertino). Foram avaliadas também as mudanças na microestrutura de regiões adjacentes do aço duplex 2205 para diferentes faixas de densidade de potência. Finalmente, avaliou-se também o uso do laser no corte do aço inox submerso em água. Conclui-se que existe uma formação de rebarba, que aumenta conforme a densidade de potência diminui. Por outro lado, quanto maior a densidade de potência, maior é a extensão da mudança na microestrutura do aço. O corte de aço com anteparo rochoso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de uma ferramenta baseada em laser de alta potência para completação de poços na indústria do petróleo. / [en] This work is part of a larger project that aims to characterize the optimal parameters for laser cutting and drilling into rocks, metals and cement typically used in the oil industry. This study had as objective to characterize laser cuts in steel plates. An attempt to establish a correlation between the morphology of the cut and the burrs with operating parameters such as power density and position of the focal point. The study was developed for the SAE 1020 steel with and without rocky bulkhead (Travertine). Also, the changes in the microstructure of adjacent regions of duplex steel in 2205 for different ranges of power density were assessed and finally it was evaluated the use of laser cutting of stainless steel submerged in water. It follows that there is a burr formation, which increases as the power density decreases. On the other hand, the higher the power density, the greater is the extent of change in the steel microstructure. Cutting steel with rocky bulkhead opens new perspectives for the tool development with high power laser for well completion in the oil industry tool.