Durante a perfuração de poços de petróleo, a determinação do perfil de temperaturas no poço é importante para tomada de decisões relativas ao processo de cimentação, para a seleção de revestimento do poço e equipamentos e, sobretudo, na identificação de zonas de influxo e perda de circulação. Neste trabalho é proposto um modelo matemático da transferência de calor em regime transitório do escoamento de fluido de perfuração em poços fraturados com perda de circulação. O poço é representado de maneira simplificada através de um cilindro anular concêntrico, cuja parede externa (interface poço-formação) apresenta uma ou mais fraturas discretas. Para a obtenção do modelo térmico é realizado um balanço de energia com foco nas trocas de calor entre a coluna de perfuração, região anular e formação rochosa. A característica principal do modelo proposto é a possibilidade de detecção da posição e número de fraturas a partir do perfil do gradiente térmico da região anular ao longo poço. Para tanto, com o código numérico, obtido via método dos volumes finitos, investiga-se a influência de parâmetros: da fratura (profundidade relativa, perda de circulação, número e distância entre fraturas), físicos (tempo de circulação) e do regime de escoamento (número de Reynolds e viscosidade dos fluidos de perfuração). As variáveis-resposta principais analisadas são a temperatura da região anular e o gradiente térmico. Como variáveis-resposta secundárias são utilizadas as evoluções térmicas da temperatura no fundo do poço e na saída da região anular. É constatado que o aumento da profundidade relativa ou número de fraturas diminui a temperatura do fundo do poço, sem causar variação significativa na temperatura de saída do anular. Para a variação da perda de circulação, o efeito na temperatura do fundo do poço é similar ao da variação do aumento da profundidade relativa da fratura, no entanto são observadas diferenças na temperatura de saída. Além disso, é verificado que, conforme se aumenta o número de fraturas distribuídas ao longo da profundidade do poço, a temperatura do poço tende ao caso de poço não fraturado. De maneira similar é evidenciada a tendência de que a diminuição na distância entre fraturas se aproxima dos resultados para um poço com uma única fratura. Finalmente, o aumento da perda de circulação facilita a detecção de fraturas devido a respectiva mudança na descontinuidade do perfil do gradiente térmico da região anular. / During oil drilling operations, the wellbore temperature profile is used when selecting well casing materials, making cementation related decisions, and, most importantly, to identify loss zones. In this work, a transient heat transfer mathematical model for a fractured wellbore is proposed. The well has its geometry simplified to a concentric annular cylinder which has one or more discrete fracture in its external wall (wellformation interface). In order to obtain the thermal model an energy balance is used, focusing the heat transfer between the pipe, the annular region and the formation. The key characteristic of the model is the fracture detection through thermal gradient graphical analysis. The thermal gradient is an output of the solution of the discretized energy equation in the domains, obtained through the finite volume method. The following parameters are investigated: fracture depth, fracture number, fracture interference, loss circulation, circulation time, Reynolds number and drilling fluid viscosity. The analysis is done through the analysis of the annular region temperature profile and its gradient, along with the thermal evolution of both the bottomhole and outlet temperatures. It is verified that increasing the fracture relative depth or number decreases the bottomhole temperature, while having no significant impact in the outlet temperature. The same bottomhole temperature effect is noted when increasing loss rate, however outlet temperature changes are observed. In a similar way, when decreasing the distance between fractures, the temperature profile in the annular region trends to a wellbore with a single fracture. Finally, increasing loss rate favors fracture detection, since the discontinuity in the annular region thermal gradient profile is intensified.

Durante a perfuração de poços de petróleo, a determinação do perfil de temperaturas no poço é importante para tomada de decisões relativas ao processo de cimentação, para a seleção de revestimento do poço e equipamentos e, sobretudo, na identificação de zonas de influxo e perda de circulação. Neste trabalho é proposto um modelo matemático da transferência de calor em regime transitório do escoamento de fluido de perfuração em poços fraturados com perda de circulação. O poço é representado de maneira simplificada através de um cilindro anular concêntrico, cuja parede externa (interface poço-formação) apresenta uma ou mais fraturas discretas. Para a obtenção do modelo térmico é realizado um balanço de energia com foco nas trocas de calor entre a coluna de perfuração, região anular e formação rochosa. A característica principal do modelo proposto é a possibilidade de detecção da posição e número de fraturas a partir do perfil do gradiente térmico da região anular ao longo poço. Para tanto, com o código numérico, obtido via método dos volumes finitos, investiga-se a influência de parâmetros: da fratura (profundidade relativa, perda de circulação, número e distância entre fraturas), físicos (tempo de circulação) e do regime de escoamento (número de Reynolds e viscosidade dos fluidos de perfuração). As variáveis-resposta principais analisadas são a temperatura da região anular e o gradiente térmico. Como variáveis-resposta secundárias são utilizadas as evoluções térmicas da temperatura no fundo do poço e na saída da região anular. É constatado que o aumento da profundidade relativa ou número de fraturas diminui a temperatura do fundo do poço, sem causar variação significativa na temperatura de saída do anular. Para a variação da perda de circulação, o efeito na temperatura do fundo do poço é similar ao da variação do aumento da profundidade relativa da fratura, no entanto são observadas diferenças na temperatura de saída. Além disso, é verificado que, conforme se aumenta o número de fraturas distribuídas ao longo da profundidade do poço, a temperatura do poço tende ao caso de poço não fraturado. De maneira similar é evidenciada a tendência de que a diminuição na distância entre fraturas se aproxima dos resultados para um poço com uma única fratura. Finalmente, o aumento da perda de circulação facilita a detecção de fraturas devido a respectiva mudança na descontinuidade do perfil do gradiente térmico da região anular. / During oil drilling operations, the wellbore temperature profile is used when selecting well casing materials, making cementation related decisions, and, most importantly, to identify loss zones. In this work, a transient heat transfer mathematical model for a fractured wellbore is proposed. The well has its geometry simplified to a concentric annular cylinder which has one or more discrete fracture in its external wall (wellformation interface). In order to obtain the thermal model an energy balance is used, focusing the heat transfer between the pipe, the annular region and the formation. The key characteristic of the model is the fracture detection through thermal gradient graphical analysis. The thermal gradient is an output of the solution of the discretized energy equation in the domains, obtained through the finite volume method. The following parameters are investigated: fracture depth, fracture number, fracture interference, loss circulation, circulation time, Reynolds number and drilling fluid viscosity. The analysis is done through the analysis of the annular region temperature profile and its gradient, along with the thermal evolution of both the bottomhole and outlet temperatures. It is verified that increasing the fracture relative depth or number decreases the bottomhole temperature, while having no significant impact in the outlet temperature. The same bottomhole temperature effect is noted when increasing loss rate, however outlet temperature changes are observed. In a similar way, when decreasing the distance between fractures, the temperature profile in the annular region trends to a wellbore with a single fracture. Finally, increasing loss rate favors fracture detection, since the discontinuity in the annular region thermal gradient profile is intensified.

Para aplicações de extração de petróleo de poços em terra foi desenvolvido pelo Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (LMAG) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo um protótipo de motor de indução linear tubular (MILT), onde o movimento axial do secundário do motor aciona diretamente a bomba de extração situada no fundo do poço. Numa segunda etapa, foi prevista a substituição dos mancais mecânicos por dois mancais magnéticos ativos (AMBs), que permitem melhor movimentação e praticamente nenhum atrito, reduzindo o desgaste causado por impurezas contidas no petróleo extraído, e consequentemente os esforços de manutenção. Todavia, o protótipo atual possui apenas um mancal magnético, e o outro é mecânico. O presente trabalho apresenta a instalação do segundo mancal magnético ao protótipo do MILT, e propõe realizar o controle do sistema de mancais magnéticos para o MILT, tendo em vista um problema multivariável, onde as posições do secundário do motor em relação aos dois mancais são correlacionadas, bem como as ações de controle sobre os mesmos. O trabalho faz uma revisão do sistema atual com um AMB, abordando sua concepção física, modelagem e o controlador, e tal controlador é replicado para o segundo AMB. Um novo modelo é apresentado, considerando o comportamento multivariável dos dois AMBs, e um sistema de controle robusto multivariável é projetado, através da técnica LQG/LTR. Resultados de simulação do novo controlador são analisados e comparados com os resultados experimentais do controlador atual aplicado aos dois AMBs, e apresentam-se as conclusões. / For onshore oil extraction applications, a tubular linear induction motor (TLIM) prototype was developed by Applied Electromagnetism Laboratory (LMAG) of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, on which the axial movement of the motor secondary drives the suction pump, placed in the down hole of the oil well. In a second step, it was planned to replace the mechanical bearings by two Active Magnetic Bearings (AMB), in order to have better movement and practically no friction, reducing damages caused by impurities in the oil, thus reducing maintenance effort. Nevertheless, the actual prototype has only one AMB, being the other one a mechanical bearing. This paper presents the installation of the second AMB onto TLIM prototype, and a proposal to implement the control algorithm for the TLIM magnetic bearing system, considering now a multivariable problem, where the position of the motor secondary for both AMB are related, as well as control efforts. The present work review the actual system with only one AMB, approaching its physical construction, mathematical model and applied control system; and this control system is applied to the second AMB. A new model is presented, considering the AMB system multivariable behavior, and a multivariable robust control system is then designed, using LQG/LTR approach. Simulation results for the new controller are analyzed and compared to experimental results from the actual controller applied to both AMB, and some conclusions are presented.

This work aims to evaluate the reliability levels associated to a probabilistic approach of mechanical strength models of casing tubes on oil and gas wells. A comparative study between different reliability evaluation methods commonly applied is also carried out. On the oil and gas well design, casing tubes must bear the mechanical loadings in the subsurface, such as the ones from formations, from drilling and completion fluids, from production fluid over the well lifetime, from the self-weight of casing column and from weight of other components. Reliability-based analysis applied to a structural design allows the assessment of the probability of violation for a given limit state of the structure, so that it can be predicted with adequate value since the design stage. This kind of analysis is useful to obtain adequate safety levels in design and to discuss the quality control level in the manufacturer production process. In this work, the failure probability is evaluated by the following reliability methods: failure domain numericintegration,MonteCarlosimulationandthetransformationmethods:FirstOrder eliabilityMethod(FORM)andSecondOrderReliabilityMethod(SORM).Thelimitstatesv rified are established by using casing strength models found in the literature, based on mechanics of materials theory and rupture test data.Statistical data are based on technical reports from casing manufacturers found in open-access literature. The achieved results contributes to well casing structural assessment taking into account the influence of design uncertainties, motivating the adoption of reliability-based analysis in decision-making process on OCTG design. / FUNDEPES - Fundação Universitária de Desenvolvimento de Extensão e Pesquisa / Estetrabalho visa avaliar os níveis de confiabilidade associados a uma abordagem probabilística das resistências mecânicas de tubos de revestimento em poços de petróleo. Além disso, durante as análises realizadas, objetiva-se comparar os diferentes métodos de confiabilidade comumente encontrados na literatura com a finalidade de identificar o método mais vantajoso para a aplicação proposta. Em projetos de poços de petróleo e gás natural, os revestimentos exercem o papel de resistir mecanicamente aos esforços existentes na subsuperfície, como as solicitações impostas pela formação, pelo fluido de perfuração, pelos fluidos produzidos ao longo da vida útil do poço e pelos pesos da própria coluna de revestimento e de outros equipamentos. Já a análise de confiabilidade, aplicada a um projeto estrutural, permite a avaliação da probabilidade de violação de um determinado estado limite da estrutura, de forma que esta pode ser prevista, com valor adequado, ainda na fase de projeto.Esse tipo de análise é útil não obtenção da margem de segurança adequada do projeto e na discussão do nível de controle no processo de produção de elementos estruturais. Neste trabalho, o cálculo da probabilidade de falha é realizado através dos seguintes métodos: integração numérica sobre o domínio de falha, simulação de Monte Carlo e dos métodos de transformação: First Order Reliability Method (FORM) e Second Order Reliability Method (SORM). Os estados limites dos tubos são estimados por modelos de resistência encontrados na literatura, baseados em teorias da mecânica dos materiais e em dados de ensaios de ruptura. Os dados estatísticos utilizados são baseados em relatórios técnicos de produção disponíveis na literatura sob domínio público. Os resultados obtidos contribuem para a avaliação estrutural de revestimentos de poços de petróleo sob a influência de incertezas de projeto, motivando a incorporação da análise de confiabilidade no processo de tomada de decisão do projetista.

[pt] Este trabalho apresenta procedimentos para análise dos esforços em colunas de revestimento instaladas em um poço de petróleo, sob a ação do fenômeno de fluência do sal, sendo também abordado os principais aspectos da estabilidade e deformabilidade das rochas salinas durante a fase de perfuração. Para a discretização e solução das equações diferenciais de equilíbrio do contínuo, utiliza-se no presente trabalho o método dos elementos finitos, através do programa ANVEC(1) . O comportamento tensão-deformação do sal foi descrito através de leis constitutivas obtidas a partir de dados sobre mineração subterrânea de evaporitos. O comportamento dos revestimentos é analisado segundo o enfoque adotado pela indústria do petróleo, no qual o carregamento salino é considerado independente do tempo e de intensidade igual a coluna litostática, na parede externa do revestimento. Os resultados obtidos comprovam que, para a solução do problema de se revestir uma seção salina é fundamental um trabalho eficiente de cimentação primária dos revestimentos, concêntricos, frente ao sal. Ao final, examina-se o comportamento de fluência de uma seção evaporítica típica de um poço de perfurado da Bacia de Campos, comparando-se as simulações numéricas com medições in-situ. / [en] This thesis presents an approach for analysis of casing stresses in oil wells due to the fenomena of creep of rock salt. The main aspects of wellbore stability and deformability while drilling salt formations are also discussed. In order to obtain the solutions for the differential equations of continous salt media, the finite element method has been used through the application of the ANVEC program for underground excavation analysis, utilizing constitutive laws obtained from salt mining projects. The mechanical behavior of casings are also analized according with the procedures considered in the petroleum literature, in which the salt loads are considered as time-independent. The results are in agreement with the observations of several autors that a sucessfull primary cement job is the main concern for keep the integrity of casing strings set acoss salt formations for long time. At the end of this work, the salt creep behaviour of a section of one well drilled in Campos basin are simulated and compared with field data. / [es] Este trabajo presenta procedimientos para análisis de los refuerzos en colunas de revestimiento instaladas en un pozo de petróleo, bajo la acción del fenómeno de fluencia de sal, abordando también los principales aspectos de estabilidad y deformabilidad de las rocas salinas durante la fase de perforación. Para la discretización y solución de las equaciones diferenciales de equilibrio del contínuo, se utiliza en el presente trabajo el método de los elementos finitos, a través del programa ANVEC. El comportamiento tensión-deformación de la sal fue descrito a través de las leyes constitutivas, obtenidas a partir de datos sobre mineración subterránea de evaporitos. Se analiza el comportamiento de los revestimientos según el enfoque adoptado por la industria del petróleo, en el cual, la concentración salina se considera independiente del tiempo y de intensidad igual a la columna litostática, en la pared externa del revestimiento. Los resultados obtenidos comprueban que, para la solución del problema de revestir uma sección salina, es fundamental un trabajo eficiente de cimentación primaria de los revestimientos, concéntricos, frente a la sal. Al final, se examina el comportamiento de fluencia de una sección evaporítica típica de um pozo de perforación de la Bacia de Campos, comparando las simulaciones numéricas con mediciones in situ.

Erdöl und Erdgas liegen als flüssige Kohlenwasserstoffe in porösen Sedimentgesteinen im geologischen Untergrund vor. Um diese Kohlenwasserstoffe zu gewinnen, wird der Untergrund durch Tiefbohrungen zur Förderung erschlossen. Anschließend erfolgt die Förderung des Erdöls in drei Phasen: der Primär-, Sekundär- und Tertiärförderung. In der primären Phase wird Erdöl durch den Druck in der Lagerstätte gewonnen, in der sekundären Phase durch künstliche Aufrechterhaltung des Drucks und in der tertiären Phase durch technische Beeinflussung der strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Erdöls. Dennoch verbleibt insbesondere bei Schweröllagerstätten ein Anteil von 45 bis 90 % des ursprünglich in der Lagerstätte vorhandenen Erdöls in der Lagerstätte. Aufgrund strömungsmechanischer und thermodynamischer Einschränkungen ist eine Gewinnung dieses Anteils technisch und/oder wirtschaftlich nicht möglich. Meist wird die Lagerstätte nach Abschluss der Förderung verfüllt und die übertägigen Anlagen zurückgebaut. Zugleich steigt weltweit der Bedarf an Energiequellen, insbesondere an solchen, die für die Dekarbonisierung und Umstellung auf umweltschonende Energien benötigt werden. Wasserstoff wird voraussichtlich als chemischer Energieträger der zukünftige Schlüsselrohstoff für die Energiewende sein. Diese Forschungsarbeit untersucht die Weiternutzung bzw. Erschließung ausgeförderter Erdöllagerstätten zur Wasserstoffgewinnungmittels thermischer Verfahren. Diese Verfahren orientieren sich an bereits etablierten Methoden für die übertägige Verfahrenstechnik. Durch das Verfahren wird die Lagerstätte mithilfe der Verbrennung des in dieser vorhandenen Restöls erhitzt und das entstehende Koks durch eine Wasserinjektion in Synthesegas umzuwandeln. Durch die hohen Temperaturen entsteht in der Lagerstätte eine Atmosphäre aus Wasserdampf, die zur Vergasung des Kokses führt. Das Gas wird durch die Wasserfront aus der Lagerstätte in die Produktionsbohrungen verdrängt und kann anschließend an der Oberfläche aufbereitet werden. Im Kontext der Lagerstättenprozesse entsteht nicht nur Wasserstoff, sondern auch weitere Verbrennungsprodukte wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Sauergase und Kohlenwasserstoffgase. Diese werden verfahrenstechnisch aufbereitet und dampfreformiert in den obertägigen Anlagen. Zur Erfüllung der Anforderungen an blauen Wasserstoff ist die Reinjektion von Kohlenstoffdioxid erforderlich. In der Dissertation wird ein numerisches Berechnungsschema eingeführt und ausführlich getestet, um die lagerstättentechnische Simulation der thermischen Wasserstoffgewinnung durchzuführen. Anhand von Modelllagerstätten werden mithilfe dieses Schemas relevante Prozessparameter ermittelt und für die Übertragung auf die konkrete Lagerstättensimulation aufbereitet. Das Verfahren zur Wasserstoffförderung wird an einer antiklinalen Lagerstätte mit geostatistischer Heterogenität simuliert. Die Ergebnisse werden zur weiteren Auswertung bezüglich Integritätsfragen, Übertageanlagen sowie wirtschaftlicher und strategischer Aspekte herangezogen.