[pt] Prospecção de petróleo usa um equipamento chamado coluna de perfuração
para escavar o solo até o nível do reservatório. Este equipamento é uma
longa coluna, sob rotação, composto por uma sequência de tubos de perfura
ção e equipamentos auxiliares conectados. A dinâmica desta coluna é
muito complexa, porque sob condições normais de operação, ela está sujeita
à vibrações longitudinais, laterais e torcionais, que apresentam um
acoplamento não-linear. Além disso, a estrutura está submetida a efeitos de
atrito e choque devido a contatos mecânicos entre os pares broca/rocha e
tubos de perfuração/parede do poço. Este trabalho apresenta um modelo
mecânico-matemático para analisar uma coluna de perfuração em configuração horizontal. Este modelo usa uma teoria de viga com inércia de rotação,
deformação cisalhante e acoplamento não-linear entre os três mecanismos
de vibração. As equações do modelo são discretizadas utilizando o método
dos elementos finitos. As incertezas dos parâmetros do modelo de interação
broca-rocha são levandas em conta através de uma abordagem probabilística
paramétrica, e as distribuições de probabilidades dos parâmetros aleatórios
são construídas por meio do princípio da entropia máxima. Simulações numéricas são conduzidas de forma a caracterizar o comportamento dinâmico
não-linear da estrutura, especialmente, da broca. Fenômenos dinâmicos inerentemente
não-lineares, como stick-slip e bit-bounce, são observados nas
simulações, bem como choques. Uma análise espectral mostra que, surpreendentemente,
os fenômenos de stick-slip e bit-bounce são resultado do mecanismo
de vibração lateral, e que os fenômenos de choque decorrem da
vibração torcional. Visando aumentar a eficiência do processo de perfuração, um problema de otimização que tem como objetivo maximizar a taxa
de penetração da coluna no solo, respeitando os seus limites estruturais, é
proposto e resolvido. / [en] Oil prospecting uses an equipment called drillstring to drill the soil until the
reservoir level. This equipment is a long column under rotation, composed by
a sequence of connected drill-pipes and auxiliary equipment. The dynamics
of this column is very complex because, under normal operational conditions,
it is subjected to longitudinal, lateral, and torsional vibrations, which
presents a nonlinear coupling. Also, this structure is subjected to friction and
shocks effects due to the mechanical contacts between the pairs drill-bit/soil
and drill-pipes/borehole. This work presents a mechanical-mathematical
model to analyze a drillstring in horizontal configuration. This model uses
a beam theory which accounts rotatory inertia, shear deformation, and the
nonlinear coupling between three mechanisms of vibration. The model equations
are discretized using the finite element method. The uncertainties in
bit-rock interaction model parameters are taken into account through a
parametric probabilistic approach, and the random parameters probability
distributions are constructed by means of maximum entropy principle. Numerical
simulations are conducted in order to characterize the nonlinear
dynamic behavior of the structure, specially, the drill-bit. Dynamical phenomena
inherently nonlinear, such as slick-slip and bit-bounce, are observed
in the simulations, as well as shocks. A spectral analysis shows, surprisingly,
that slick-slip and bit-bounce phenomena result from the lateral vibration
mechanism, and that shock phenomena comes from the torsional vibration.
Seeking to increase the efficiency of the drilling process, an optimization
problem that aims to maximize the rate of penetration of the column into
the soil, respecting its structural limits, is proposed and solved. / [fr] La prospection de pétrole utilise un équipement appelé tube de forage pour
forer le sol jusqu au niveau du réservoir. Cet équipement est une longue
colonne rotative, composée d une série de tiges de forage interconnectées et
d équipements auxiliaires. La dynamique de cette colonne est très complexe
car dans des conditions opérationnelles normales, elle est soumise à des vibrations
longitudinales, latérales et de torsion, qui présentent un couplage
non linéaire. En outre, cette structure est soumise à des effets de frottement
et à des chocs dûs aux contacts mécaniques entre les paires tête de
forage/sol et tube de forage/sol. Ce travail présente un modèle mécaniquemathématique pour analyser un tube de forage en configuration horizontale.
Ce modèle utilise la théorie des poutres qui utilise l inertie de rotation,
la déformation de cisaillement et le couplage non linéaire entre les trois
mécanismes de vibration. Les équations du modèle sont discrétisées par la
méthode des éléments finis. Les incertitudes des paramètres du modèle d interaction
tête de forage/sol sont prises en compte par l approche probabiliste
paramétrique, et les distributions de probabilité des paramètres aléatoires
sont construites par le principe du maximum d entropie. Des simulations
numériques sont réalisées afin de caractériser le comportement dynamique
non lináaire de la structure, et en particulier, de l outil de forage. Des phénom
ènes dynamiques non linéaires par nature, comme le slick-slip et le bit-
bounce, sont observés dans les simulations, ainsi que les chocs. Une analyse
spectrale montre étonnamment que les phénomènes slick-slip et bit-bounce
résultent du mécanisme de vibration latérale, et ce phénomène de choc vient
de la vibration de torsion. Cherchant à améliorer l efficacité de l opération
de forage, un problème d optimisation, qui cherche à maximiser la vitesse
de pénétration de la colonne dans le sol, sur ses limites structurelles, est
proposé et résolu.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:26637 |
| Date | 17 June 2016 |
| Creators | AMERICO BARBOSA DA CUNHA JUNIOR |
| Contributors | RUBENS SAMPAIO FILHO |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | TEXTO |
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