[pt] Nesta tese, a teoria das hastes de Cosserat é revisitada e aplicada à
dinâmica de coluna de perfuração. O objetivo é estudar o comportamento
dessas estruturas dentro de poços de petróleo curvos. Para atingir este objetivo,
um modelo estrutural determinístico é construído onde as tubos de perfuração
(drill-pipes) e o conjunto de fundo (bottom hole assembly) são considerados
como uma estrutura unidimensional de Cosserat. Em seguida, é desenvolvida
uma estratégia para tratar o contato lateral em poços com configuração
curvilínea. Depois disso, o problema de contorno livre é tratado mediante
uma estratégia que considera como a condição de borda evolui à medida que
a estrutura de perfuração avança. Isto é feito mediante uma formulação de
interação broca-rocha que deve considerar a dinâmica de corte. Para isso, uma
equação extra, de advecção, é resolvida junto com as equações de movimento
de Cosserat. Em seguida, alguns casos de aplicação são apresentados. Numa
primeira instancia, alguns elementos do problema são avaliados separadamente.
Seguidamente, eles são integrados e analisados de forma conjunta. Por exemplo,
primeiramente uma coluna de perfuração sem contato de fundo (off-bottom)
é simulada, ou seja, sem contato broca-rocha, para estudar o comportamento
e a implementação da estratégia para o contato lateral. Aqui também são
calibrados alguns dos parâmetros do modelo de atrito. Em seguida, a estratégia
para contabilizar o corte na rocha é implementada em um modelo 2-DOF de
baixa dimensão e em um semi-discreto onde a dinâmica de torção é modelada
como uma equação de onda. Os resultados mostram que o uso de abordagens
contínuas resulta mais apropriade que aquelas onde se utilizam modelos de
baixa dimensãom, particularmente quando são consideradas colunas longas,
e quando há interesse em analisar não apenas o comportamento da broca,
mas também o comportamento do sistema mecânico ao longo dos tubos de
perfuração. Isso é reforçado por outro exemplo onde a dinâmica de corte
é combinada com a formulação de Cosserat. Observações semelhantes do
ponto de vista qualitativo são encontradas. Resumindo os resultados obtidos,
as diferenças nas previsões dadas pelos modelos de baixa dimensão e o
de unidimensional de Cosserat justificam o desenvolvimento e aplicação da
abordagem com esta formulação em estruturas de perfuração. Finalmente, a
modo de introduzir outro aspecto importante em colunas de perfuração e que
pode ser uma linha de pesquisa para continuar o trabalho, a variabilidades
presente em elementos como rocha, inclui-se um caso de aplicação considerando
um poço horizontal e um campo estocástico de atrito. / [en] In this thesis, the theory of Cosserat rods is applied to the dynamics of
drill-strings. The main objective is to evaluate the behaviour of these strings
when they move within curved wells. To achieve this goal, a deterministic
structural model is constructed, where the drill-pipes and the bottom hole
assembly are taken as a Cosserat rod. Next, a strategy to deal with the
lateral contact in curved well configurations is developed. After that, the free
boundary problem is assessed: while drilling, the boundary changes due to
cutting, modifying the position of the soil and, consequently, changing the bit-rock interaction forces. For this reason, a bit-rock model that can account for
the cutting dynamics is adopted, in which an extra advection equation is solved
together with the equations of motion of the Cosserat rod. Next, application
cases are provided. First, some effects included in the model are tested in
isolation, such as the lateral friction, the lateral contact, and the cutting.
After that, they are all combined. In the first analysis, an off-bottom string is
simulated, i.e. without contact at the bit. This allows testing the formulation
associated with the lateral contact. Also, the calibration of the lateral friction
parameters is made. Following that, the strategy to account for the cutting
at the bit is implemented in a low-dimensional 2-DOF model, and in a semi-discrete model with a continuous wave equation for the torsional dynamics.
The results show that the use of continuous approaches is more appropriate
than low-dimensional models. Especially when long columns are considered,
and when there is interest in understanding not only the behaviour at the bit
but also along drill-pipes. This finding is reinforced by another application
where the cutting dynamics are combined with the Cosserat rod formulation.
Again, similar observations from a qualitative point of view are found. Overall,
the differences in the results between the lumped low-dimensional models and
the continuous Cosserat rod justify the development and application of the
Cosserat approach to drilling structures. Finally, an introductory stochastic
analysis concerning the variability of the rock is presented as an introduction
to a future line of research, where stochasticity is included. / [es] En esta tesis, la teoria de Cosserat para elementos unidimensionales es
revisitada y aplicada a la simulación de columnas de perforación. El objetivo
es estudiar el comportamiento de estas estructuras en pozos de geometría
curva. Para alcanzar este objetivo se construye un modelo determinístico.
En este modelo, los caños de perforación (drill-pipes) y el conjunto de fondo
(bottom hole assembly) son modelados como una estructura unidimensional de
Cosserat. Seguidamente, una estrategia para tratar con el contacto lateral en
pozos curvos es desarrollada. Luego, el problema de frontera libre es estudiado:
durante la perforación, la condición de borde cambia debido al cambio del perfil
altimétrico del terreno, alterando su posición y consecuentemente las fuerzas
asociadas a la interacción broca-roca. Por esta razón, se decide utilizar un
modelo de interacción broca-roca que tiene en cuenta la dinámica del corte.
En este abordaje una ecuación extra, la ecuación de advección, es resuelta en
forma acoplada con las ecuaciones del movimiento de la estructura de Cosserat.
Algunos ejemplos de aplicación son presentados. En una primera instancia,
algunos de los elementos del problema son estudiados en forma aislada. Luego
combinados en un modelo completo. Por ejemplo, el caso de una columna sin
contacto de fondo (off-bottom) es tratado para evaluar el comportamiento y la
implementación de la estrategia mencionada para detectar el contacto lateral.
Además, se efectúa la calibración de alguno de los parámetros relacionados
con la fricción lateral. Luego, la estrategia para considerar el corte en la punta
es implementada en un modelo de 2-DOF, y en otro semi-discreto donde se
considera un modelo de ecuación de onda para la dinámica torsional. Los
resultados muestran que el uso de formulaciones continuas es más apropiado
que aquellas formulaciones donde se utilizan modelos de dimensiones reducidas,
particularmente cuando se estudia columnas largas donde el interés se centra
en entender no solo el comportamiento de la broca sino también a lo largo de
la tubería. Este resultado es reforzado por otro caso de aplicación en donde
se combina la dinámica de corte con un modelo de Cosserat. Observaciones
similares son vistas en el comportamiento cualitativo de la solución. En
resumen, las diferencias observadas en los diferentes ejemplos de aplicación
entre los modelos de dimensiones reducidas y el modelo continuo de Cosserat
justifican el desarrollo y la aplicación de la teoría de Cosserat a estructuras de
perforación. Finalmente, dado que uno de los objetivos planteados también es
considerar la variabilidad en algunos elementos como ser las propiedades de la
roca, un caso de aplicación considerando un pozo horizontal es mostrado.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:62826 |
| Date | 13 June 2023 |
| Creators | HECTOR EDUARDO GOICOECHEA MANUEL |
| Contributors | ROBERTA DE QUEIROZ LIMA, ROBERTA DE QUEIROZ LIMA, ROBERTA DE QUEIROZ LIMA, ROBERTA DE QUEIROZ LIMA |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | TEXTO |
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