[pt] Durante a perfuração de poços em seqüências argilosas, tais como os folhelhos, tem-se registrados sérios problemas operacionais e de estabilidade de poço. Estes problemas estão relacionados com as propriedades do fluido de perfuração, as condições de contorno e principalmente, com as propriedades da rocha perfurada. No estudo do comportamento da rocha a determinação das propriedades de resistência e deformabilidade tem caráter prioritário. Porém para folhelhos, características tais como mineralogia, conteúdo de minerais de argila, teor de umidade e porosidade, têm igual relevância. Entre os materiais disponíveis para a avaliação das características do folhelho, têm-se as amostras de calha, testemunhos preservados e perfis de poços. O presente trabalho avalia as metodologias existentes no estudo do sistema folhelho para a determinação das características que são relevantes no processo de instabilidade do poço. Nestas metodologias, incluem-se aquelas aplicadas a estudo das amostras de calha e testemunhos preservados, assim como os modelos de interpretação dos perfis de poço. Ao final são apresentadas recomendações a respeito das possíveis correlações dos resultados obtidos nas duas metodologias. / [en] While drilling shale, it is common to face serious operational and wellbore stability problems. These problems are related to drilling fluid properties, in- situ stresses and mainly rock properties. To achieve a good understanding of rock behaviour, highest priority must be given to strength and strain determination. However, when dealing with shales, we need also to take into account properties as mineralogy, clay content, water content and porosity. The available materials to conduct a shale property study are drilling cuttings, preserved cores and well logs. The scope of this work includes a review of the existent methods for a complete shale stability study. Finally, some recommendations regarding possible correlation between the appraised methods are presented. / [es] Durante la perforación de pozos en secuencias arcillosas, tales como los folhelhos, se han registrado serios problemas operacionales y de estabilidad del pozo. Estos problemas están relacionados con las propriedades del fluido de perforación, las condiciones de contorno y principalmente, con las propriedades de la roca perforada. En el estudio del comportamiento de la roca, la determinación de las propriedades de resistencia y deformabilidad tiene caráter prioritario. No obstante, para folhelhos, características tales como mineralogía, contenido de minerales de arcilla, teor de humedad y porosidad tienen igual relevancia. Entre los materiales disponibles para la evaluación de las características del folhelhos, se tienen las muestras de canal, testimonios preservados y perfiles de pozos. El presente trabajo evalúa las metodologías existentes en el estudio del sistema folhelhos para la determinación de las características que son relevantes en el proceso de inestabilidad del pozo. En estas metodologías, se incluyen aquellas aplicadas al estudio de las muestras de canal y testigos preservados, así como los modelos de interpretación de los perfiles de pozo. Al final se presentan recomendaciones con respecto a las posibles correlaciones de los resultados obtenidos en las dos metodologías.

[pt] Nas Forças Armadas do Brasil existe uma forte demanda pelo desenvolvimento de detectores de infravermelho nacionais para uso em diversas aplicações sujeitas a rígidas restrições de importação, como sistemas de imageamento infravermelho para visão noturna, guiamento de mísseis, sistemas de mira, etc. O objetivo deste trabalho foi desenvolver fotodetectores para o infravermelho distante em 10µm, baseados em estruturas semicondutoras de poços quânticos múltiplos de GaAs/AlGaAs utilizando transições intrabanda. Os materiais foram crescidos pela técnica de epitaxia de fase vapor de metalorgânicos (MOVPE). A calibração dos parâmetros de crescimento foi realizada por meio de medidas de difração de raios x, efeito Hall, e fotoluminescência. Devido à regra de seleção de que não é possível haver absorção intrabanda da luz sob incidência normal, foram aplicadas duas técnicas de acoplamento: geometria de guia de onda com incidência a 45º pela borda, e utilização de grades de difração metalizadas. Os detectores produzidos foram caracterizados quanto à corrente de escuro e quanto aos espectros de absorção óptica e de fotocorrente, ambos obtidos por espectroscopia FTIR. Ao final dos trabalhos, foi obtido um fotodetector de GaAs/AlGaAs do qual foi possível medir a fotocorrente através dos contatos elétricos do dispositivo, com pico em 9µm. Os resultados obtidos são promissores no sentido de que apontam para a possibilidade de se produzir detectores de infravermelho nacionais para diversas aplicações (defesa, medicina, astronomia, telecomunicações, etc). / [en] In the Brazilian Army there is a strong demand for the development of national infrared detectors for use in many applications subjected to severe trade restrictions, like infrared imaging systems for night vision, missile guidance, sight systems, etc. The aim of this work was to develop far- infrared photodetectors for 10µm, based on semiconductor structures of GaAs/AlGaAs multi-quantum wells using intraband transitions. The materials were grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). The calibration of the growing parameters was done by x ray diffraction, Hall effect, and photoluminescence measurements. Since intraband transition of light is not possible to normal incidence, due to selection rules, two coupling techniques were applied: waveguide geometry with 45o incidence on the edge, and metalized diffraction gratings. The produced detectors were characterized in terms of dark current, optical absorption and spectral response. Infrared measurements were made using FTIR spectroscopy. A GaAs/AlGaAs photodetector was obtained. The photocurrent through the electrical contacts of the device showed a peak at 9µm. The results are promising in the sense of revealing the possibility of producing national infrared photodetectors for many applications (defense, medicine, astronomy, telecommunications, etc).

[pt] Frente às dificuldades de perfurar poços em reservatórios caracterizados por carbonatos fraturados e depletados, com frequente ocorrência de massivas perdas de fluido para formação e impossibilidade de manter o retorno de fluido para superfície, foi desenvolvida a técnica FMCD- Floating Mud Cap Drilling. A técnica consiste na perfuração com bombeio contínuo de fluido pela coluna de perfuração e também pelo anular do poço, injetando todo fluido e formação cortada pela broca para o reservatório. Na técnica convencional de perfuração, o fluido é bombeado pela coluna e retorna pelo anular, sendo possível monitorar continuamente a ocorrência de kicks - influxos acidentais de hidrocarbonetos no poço No entanto, na técnica FMCD, devido à ausência de retorno de fluido no anular, torna-se necessário adotar métodos não convencionais de monitoramento e prevenção de kicks, sendo o principal método, a injeção continua de fluido pelo anular, a uma vazão determinada, que evite influxos do reservatório e migração de hidrocarbonetos para superfície, denominada vazão de segurança. Inicialmente é apresentada uma contextualização da perfuração de poços offshore com técnica convencional e técnica FMCD, associada a uma ampla revisão bibliográfica sobre a técnica, e também de modelos e experimentos de fluxo óleo-água. Por fim, como objetivo principal da dissertação, é realizado a discussão de premissas, análise da vazão de segurança e métodos de monitoramento de influxos. Contudo, é esperado que a revisão bibliográfica e análises desenvolvidas, auxiliem em futuros projetos de perfuração com a técnica FMCD- Floating Mud Cap. Drilling. / [en] With the oil carbonate reservoirs exploration and exploitation around the world and the Brazilian coast, new challenges for well drilling are found which requires new techniques to be developed. The carbonate reservoirs can present fractures with high conductivity along its structure, often accompanied by geological faults. When associate with scenarios where the reservoirs are depleted, due to the ongoing production of these oil fields, may lead to fluid severe losses into the formation during the news well construction. For decades, in case of total loss at offshore wells drilling, the proposed solution has been to pump sealing material into the formation and, persisting the losses, to end it with a cement plug in open hole and make another attempt to drill the interval. When these procedures were not effective, the wells were often abandoned. On one side, it should be emphasized, that pumping sealant material and cement into the producing reservoir is undesirable, due to the possibility of damaging the intervals of greater permeability and production potential which may bring reduction in productivity (or injectivity) of the well. On the other side, continuing the drilling with fluid total loss may be intolerable from the operational safety point of view, as it is not possible to use conventional kick detection methods, that are mainly based on drilling fluid mass control. Facing these difficulties of drilling wells in reservoirs characterized by fractured and depleted carbonates, the FMCD (Floating Mud Cap Drilling) technique was developed. The technique consists of drilling with continuous pumping of fluid both through the drilling column and the well annulus, injecting all fluid and formation cuts into the reservoir.

[pt] Sistemas de escoamento multifásico se formam ao longo de um poço de produção de petróleo. A análise do comportamento do escoamento através da coluna de produção é realizada com o apoio de ferramentas computacionais e é essencial para o projeto e operação de um sistema de produção de petróleo. Os simuladores comerciais disponíveis para esse tipo de análise exigem aquisição de licença, cujo custo é elevado, restringindo seu uso às grandes companhias petrolíferas e aos renomados institutos de pesquisa. Além disso, esses programas não permitem a visualização da metodologia utilizada para o tratamento do problema físico e para a solução numérica empregada, e nem a alteração de parâmetros internos, tornando seu uso restrito a certas classes de problemas. Apesar da grande demanda e utilidade desse tipo de software ainda há poucos trabalhos desenvolvidos nessa área. Esta pesquisa tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um simulador de escoamento multifásico simplificado e aberto, com aplicação na otimização da produção de óleo e gás. Dentre as aplicações do programa podemos citar a obtenção das curvas de gradiente de pressão e a otimização de gás-lift. Um estudo paramétrico foi conduzido, mostrando a influência de parâmetros como, por exemplo, o diâmetro da tubulação. Os resultados obtidos foram comparados com a literatura e são fisicamente coerentes. Sendo assim, o programa desenvolvido mostra-se promissor. / [en] Multiphase flow systems are formed along an oil production well. The analysis of the flow behavior through the production column is performed with the aid of computational tools, and is very important to the design and optimization of the oil well production operation. In general, the commercial softwares available to analyze this process are very expensive, which restrict its use to some particular companies. In addition, the methodology used to analyze the physical problem, and the numerical solution are fixed and closed, which restrict its use to certain classes of problems, since it is not possible to change or improve the numerical solution. Despite the great demand and use of this kind of software, there are few researches in this area. This research aims to present the development of a simplified multiphase flow simulator open to public, with application to the optimization of oil and gas production wells. Among the applications are the plot of pressure-distribution curves and the optimization of gas-lift. A parametric study is performed, showing the influence of some governing parameters, such as tubing diameter, in the production flow rate. The results obtained were compared with pertinent literature and are physically reasonable, showing that the software developed is promising.

[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.

[pt] Análise da propagação eletromagnética através de poços de petróleo com auxílio de técnicas de apoio a decisão estuda a viabilidade de telemetria sem fio de fundo de poço a quilômetros de profundidade. A maior dificuldade são as perdas por propagação, definindo, assim, a direção de pesquisa deste trabalho. Essa dificuldade surge devido a grande diversidade de fluidos utilizados no interior do poço, com características condutoras, tornando extremamente difícil a previsão do comportamento de propagação. O trabalho foca, então, no problema de atenuação do sinal eletromagnético através do fluido, analisando suas causas com uso de modelagem eletromagnética e simulação Monte Carlo. Primeiramente, são definidos modelos de propagação analíticos. É mostrado que o sistema apresenta frequências em que ocorre propagação em modo TEM e desenvolve-se, então, um modelo análogo ao de uma linha de transmissão, permitindo, assim, a utilização de toda teoria de circuitos elétricos. Com este modelo, estima-se a impedância de entrada do sistema, revelando que esta varia, principalmente, entre 10 ohms e 10k ohms com parte reativa considerável, a uma profundidade igual a lambda sobre quatro de comprimento de onda. Estima-se, também, a melhor posição para colocar os sensores, introduzindo uma tática que maximiza as chances de se ter um sensor sempre perto de um máximo de potência. Além disso, com o auxílio de simulações Monte-Carlo, estuda-se a influência da permissividade elétrica e da condutividade do meio na atenuação de propagação e na impedância de entrada do sistema, concluindo que existe uma probabilidade de 95% de que a constante de atenuação seja inferior a 0,8 10(-4) Np/m em 1MHz. Posteriormente, utiliza-se algoritmo genético clássico para propor um problema de design bem simplificado para o posicionamento de um gerador no topo do poço, atingindo o ótimo em torno de 25m de profundidade, para uma frequência ligeiramente inferior a 1MHz. Por fim, fora analisada a possibilidade de alimentação remota, revelando que fluidos com condutividade da ordem de 1,0 10(-6) S/m permitem alimentação em profundidades elevadas. / [en] Analysis of electromagnetic propagation through oil wells with the aid of decision support techniques studies the viability of wireless downhole telemetry. The difficulty is the propagation losses, thereby defining the direction of this research work. This difficulty arises because of the wide variety of fluids used in the well, with conductive features, making it extremely difficult to predict the behavior of propagation. The paper focuses then on the problem of signal attenuation in the fluid, analyzing their causes with the use of electromagnetism and Monte Carlo. First, propagation models are defined analytically. It is shown that the presence of frequencies in TEM mode propagation occurs and develops, then a model analogous to a transmission line, thus allowing the use of electrical circuit theory. With this model, we estimate the input impedance of the system, revealing which ranges from 10 ohms and 1.0kohms to a depth equal to lambda over four. Furthermore, with the aid of Monte-Carlo simulations, we study the influence of permittivity and conductivity of the medium in the attenuation and input impedance of the system, concluding that there is a probability of 95% of the attenuation constant is less than 0.8·10(−4) Np/m at 1MHz. Later, we use classical genetic algorithm to propose a design problem for the positioning of a generator at the well, with excellent about 29, 7m deep and 1MHz. Finally, the possibility was considered remote power, revealing that fluids with a conductivity of 1.0 · 10(−6) S / m at depths allow high power.

[pt] A produção de petróleo em alta vazão a partir de reservatórios formados por arenitos friáveis requer a instalação de sistemas de contenção de sólidos para preservar equipamentos de superfície e subsuperfície. Os projetos de explotação para campos constituídos por estes reservatórios têm na completação uma etapa fundamental na construção do poço. Dentre as diversas operações de completação, a instalação de sistemas de contenção de sólidos é uma das mais complexas e envolve uma ampla gama de recursos humanos e financeiros. A alteração no estado de tensões atuante sobre a formação é uma das principais fontes de carregamento dos sistemas de contenção mecânica de sólidos instalados em poços horizontais. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo para avaliação do desempenho de sistemas de contenção de sólidos do tipo gravel pack quando submetidos aos esforços relacionados ao comportamento geomecânico das formações produtoras e a variação de pressões durante a vida produtiva de um poço de petróleo, permitindo a otimização de projetos destes sistemas sob a ótica da resistência ao colapso das telas. O carregamento imposto sobre estes sistemas é avaliado através da implementação do modelo de Mohr Coulomb solucionado numericamente através do método de elementos finitos (MEF). O programa comercial ABAQUS™ é utilizado em função da sua flexibilidade para solução de modelos não-lineares. Foram analisados sistemas de contenção de areia com os conjuntos de telas tipicamente utilizados na indústria de petróleo. Em nenhum cenário analisado foram verificados indícios de colapso dos tubos indicando a possibilidade de redução da sua resistência mecânica. / [en] Global increase in energy demand and the lack of opportunities on shore or in shallow waters are driving production of hydrocarbons towards deep and ultra deepwater basins, where reservoirs are usually formed by weak and unconsolidated sandstones that require sand control methods to prevent damage in surface and subsurface equipments. Guidelines to select sand control systems are primarily based on sand exclusion, seeking to optimize balance between oil rate and fines production. Another aspect, often overlooked, is collapse strength of the system formed by the sand control equipment and the formation itself, subjected to mechanical loadings that change during life of the well. This contribution presents a method to evaluate collapse strength of sand control systems taking into account mechanical interaction between the formation and sand control screens. Elastoplastic models are used to represent granular materials. Three sand control systems were studied: gravel pack with premium screens, stand alone premium screens and pre-packed screens. A model to describe contact between granular materials (gravel and formation) and soil-pipe interaction is proposed. Results demonstrate that perforated base pipes used in premium screens may be oversized for applications under regular operating conditions.

[pt] A completação inteligente é uma tecnologia inovadora que permite uma maior eficiência na produção dos campos do pré-sal, a principal fronteira de produção do Brasil atualmenente. Além disso, uma técnica comumente utilizada nos projetos de petróleo é a conversão de poços produtores em injetores quando há um declínio na vazão de produção. Saber valorar um projeto de petróleo que possua a opção de conversão para poços injetores no futuro, de forma a decidir qual tipo de completação é a que maior valor agrega, é um dos objetivos de um tomador de decisão na área petrolífera. Esta dissertação aborda o uso da teoria de opções reais, através da técnica de diferenças finitas, com o objetivo de analisar se é vantajoso adotar a tecnologia de completação inteligente frente à completação convencional baseado no valor agregado por cada uma em um projeto de petróleo com conversão de poço. Como contribuição final, o projeto propõe a aplicação de um modelo de opções reais, com uma janela de exercício temporal, para a decisão de qual tecnologia de completação um projeto da indústria petrolífera deve considerar. / [en] Smart well is a new technology that allows greater efficiency in pre-salt production, which is currently the largest production frontier in Brazil. Another technique used in oil projects is the conversion of production wells in injector wells when there is a decline in production. Valuing an oil project that has the option to allow conversion to injector wells in the future and decide what kind of completion adds more value is one of the objectives of the decision maker in the oil industry. This dissertation addresses the use of real option theory, by using finite differences, with the objective of analyzing whether it is advantageous to adopt smart completion compared to conventional completion based on the value added by each one in an oil project with a well conversion. As final contribution, this project proposes the application of real option model, with a limited exercise interval, to decide what completion technology an oil company may consider.

[pt] Esta pesquisa apresenta uma comparação entre duas estratégias de construção de poços marítimos, sequencial e seriada, de forma a entender suas características e ressaltar suas diferenças, impactos e desafios. Além disso, para inserir o contexto de incerteza nessas operações, foi acrescentada uma análise de risco para cada uma das estratégias de perfuração e completação de poços. Um estudo de caso com dados reais de um campo de petróleo foi desenvolvido de forma a analisar os resultados e comparar questões sobre duração da campanha dos poços, entrada dos poços em produção, troca de fluidos e ajustes da sonda. Essas mesmas questões foram analisadas após acrescentar distribuições de probabilidade aos cronogramas das estratégias sequencial e seriada e aplicar a simulação de Monte Carlo. Os resultados mostraram a relevância de se avaliar novas formas de sequenciamento das atividades de poços a fim de reduzir o tempo total levado para construção de poços marítimos. / [en] This research presents a comparison between two different strategies of offshore well construction, one sequential and another in batch. This analysis aims to understand the characteristics of these two strategies, their impacts on some results and challenges. Besides, to understand how uncertainties affect these operations, a risk analysis was incorporated to each one of the strategies. A case study with real data from an oil field was developed in order to analyze the results and to compare issues, as total well campaign duration, production ramp up, fluid exchange and drilling rig adjustments. These same issues were analyzed after adding probability distribution in each strategy s schedules and realizing a Monte Carlo simulation. The results showed the importance of evaluating different types of sequencing well activities seeking to reduce total well construction duration.

[pt] Este trabalho desenvolve uma metodologia para obter experimentalmente a pressão capilar de diferentes fluidos em contato com folhelhos, comparando-a com valores obtidos analiticamente a partir da caracterização dos fluidos e dos folhelhos individualmente. Foram realizados ensaios numa célula de difusão a qual permite simular as condições de pressão aplicadas no campo, avaliar a interação físico- química entre fluidos e rochas, além de determinar os parâmetros de transporte de massa devido a gradientes químicos e hidráulicos. Verifica-se que os valores de pressão capilar obtidos diretamente na célula de difusão são inferiores aos obtidos a partir da equação de pressão capilar utilizando a tensão interfacial, o ângulo de contato e o raio de poros do folhelho. Desta forma, conclui-se que caso seja realizada uma análise de estabilidade considerando a pressão capilar do fluido, este parâmetro deve ser determinado experimentalmente na célula de difusão. Caso contrário, valores superestimados poderão ser encontrados. / [en] A methodology was developed to experimentally obtain the capillary pressure of different fluids in contact with shales and compare these values with analytical results from individual characterization of fluids and shales. Tests were carried out in a diffusion cell, which allows the simulation of in-situ pressure conditions, the evaluation of physical-chemical interactions between fluids and rocks and the determination of mass transport parameters due to hydraulic and chemical gradients. It is observed that the values of capillary pressure directly obtained in the diffusion cell are inferior to the ones obtained from the capillary pressure equation using the interfacial tension, the contact angle and the pore radius of shales. Thus, it can be concluded that, if a stability analysis considering the capillary pressure of the fluid is carried out, this parameter should be experimentally determined in the diffusion cell. Otherwise, overestimated values can be found.