The increasing activity of oil and gas extraction in deep water has stimulated several
studies to solve problems encountered in drilling wells. During the drilling operation, a fluid
(drilling mud) is pumped through the column to the bottom, carrying to the surface the drill
cuttings generated, through the annular space formed between the column and the borehole
wall. In this type of flow may appear a kind of hydrodynamic instability characterized by the
appearance of toroidal vortices. This type of instability (Taylor-Couette) may profoundly alter
the pressure drop of the flow, the shear stress at the borehole wall and the ability of carrying
the solids. Moreover, during the process of drilling a well it is necessary promotes the well
cementing and coating to provide a mechanical support, as well as, to isolate it from different
rock formations traversed. For this step to be successful, the drilling mud must be completely
removed from the annular space, and this removal may be impaired in wells which have
varying eccentricity along the tube. Due to high costs of correction transactions and loss of
drilling time, it is crucial to predict the mud flow around the annular. The effects of this
variation of the eccentricity have not been much discussed in the literature, and they may have
great influence on the displacement of the mud in the annular space. As an initial phase of
work, numerical simulations were performed to study the flow and the emergence of Taylor-
Couette instabilities in a concentric annular section, in order to compare them with literature
data. Numerical simulations were developed in annular periodic sections, concentric and
eccentric (E = 0.5) in order to obtain average profiles of axial and tangential velocities using
different turbulence models, aiming at a comparison of simulated results with experimental
data from literature. Later, it was made an experimental study and simulation to assess the
effect of internal axis rotation on the pressure drop in the flow of non-Newtonian fluids
(aqueous solutions of xanthan gum and carboxymethyl cellulose with 0.2% by weight) in a
section annular concentric and the other with fixed eccentricity (E = 0.75). Finally, it was
elaborated an experimental design (3k) with four variables, such as, xanthan gum
concentration (0.05%, 0.10% and 0.15% by weight), eccentricity (0.0, 0.23 and 0.46), fluid
flow rate (5, 7 and 9 m3/h) and internal rotation axis (0, 100 and 200 rpm). Following this
planning, experimental data of pressure drop were collected, as well as, numerical simulations
(CFD) in periodic annular sections to get results of axial velocity, in order to evaluate the
effect of variable eccentric rotation on the fluid dynamics of non-Newtonian flows in annular
spaces. / A crescente atividade de extração de petróleo e gás em águas cada vez mais profundas
tem impulsionando diversos estudos para solucionar problemas encontrados na perfuração de
poços. Durante a operação de perfuração, um fluido (lama de perfuração) é bombeado através
da coluna até o fundo do poço, retornando à superfície carreando os cascalhos gerados pela
broca, passando pelo espaço anular formado entre a coluna e a parede do poço. Neste tipo de
escoamento pode ocorrer um tipo de instabilidade hidrodinâmica caracterizada pelo
aparecimento de vórtices toroidais. Este tipo de instabilidade (Taylor-Couette), pode alterar
profundamente a perda de carga do escoamento, a tensão cisalhante na parede do poço e a
capacidade de carreamento de cascalho. Além disto, durante o processo de perfuração de um
poço é necessário promover o revestimento e a cimentação do poço para fornecer a sua
sustentação mecânica, bem como, para isolá-lo das diferentes formações rochosas
atravessadas. Para esta etapa ser bem sucedida, a lama de perfuração deve ser completamente
removida do anular, sendo que, esta remoção pode ser prejudicada em poços que apresentem
excentricidade variando ao longo do tubo. Devido aos altos custos das operações de correção
e a perda de tempo de perfuração, é fundamental prever este deslocamento da lama ao redor
do anular. Os efeitos desta variação da excentricidade ainda não foram muito abordados na
literatura e podem apresentar grande influência no deslocamento da lama no espaço anular.
Como etapa inicial do trabalho, foram realizadas simulações numéricas para estudar o
escoamento com surgimento de instabilidades do tipo Taylor-Couette em uma seção anular
concêntrica, com intuito de compará-las com trabalhos da literatura. Depois foram
desenvolvidas simulações numéricas em seções anulares periódicas, concêntrica e excêntrica
(E = 0,5), a fim de obter perfis médios de velocidades axial e tangencial usando diferentes
modelos de turbulência, visando uma comparação dos resultados simulados com os dados
experimentais da literatura. Posteriormente, foi feito um estudo experimental e de simulação
para avaliar o efeito da rotação do eixo interno sobre a queda de pressão no escoamento de
fluidos não-Newtonianos (soluções aquosas de Goma Xantana e de Carboximetilcelulose a
0,2% em peso) numa seção anular concêntrica e outra com excentricidade fixa (E = 0,75).
Finalmente, elaborou-se um planejamento fatorial de experimentos do tipo 3k com quatro
variáveis, tais como, concentração de Goma Xantana (0,05%, 0,10% e 0,15%), excentricidade
(0,0; 0,23 e 0,46), vazão volumétrica (5, 7 e 9 m3/h) e rotação do eixo interno (0, 100 e 200
rpm). Seguindo este planejamento foram levantados dados experimentais de queda de pressão,
bem como, simulações numéricas (CFD) em seções periódicas para obtenção de resultados de
velocidade axial, com intuito de avaliar efeito do movimento de rotação excêntrica variável
sobre a dinâmica do escoamento de fluidos não-Newtonianos em espaços anulares. / Doutor em Engenharia Química
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:RI_UFU:oai:repositorio.ufu.br:123456789/15056 |
| Date | 31 May 2011 |
| Creators | Vieira Neto, José Luiz |
| Contributors | Ataide, Carlos Henrique, Barrozo, Marcos Antonio de Souza, Duarte, Claudio Roberto, Vieira, Luiz Gustavo Martins, Taranto, Osvaldir Pereira, Martins, André Leibsohn |
| Publisher | Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFU, BR, Engenharias |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFU, instname:Universidade Federal de Uberlândia, instacron:UFU |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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