[pt] O estudo de escoamentos em espaço anular é de fundamental
importância
para o entendimento e otimização do processo de perfuração
de poços. A lama de
perfuração deve possuir propriedades reológicas e
termofísicas tais que garantam
um bom desempenho no carreamento de cascalho, na
lubrificação e refrigeração
das brocas, na limpeza do poço, manutenção da pressão da
coluna de líquido para
equilibrar a pressão das formações atravessadas e
estabilizar as paredes do poço.
Uma análise completa desta situação é extremamente
complexa; o cilindro interno
(coluna) pode estar girando, a geometria da parede do poço
não é um cilindro
perfeito, o espaço anular é excêntrico e a excentricidade
varia ao longo do poço.
Além disto, lamas de perfuração possuem um comportamento
pseudoplástico, isto
é a viscosidade é função decrescente da taxa de
deformação. Os modelos que
levam em conta todos esses fatores são extremamente
complexos e caros
computacionalmente. Os modelos disponíveis na literatura
utilizam hipóteses
simplificadoras para tornar a análise menos complexa.
Muitos trabalhos
consideram a rotação do cilindro interno e o comportamento
não Newtoniano,
mas desprezam a variação da excentricidade ao longo do
poço. Mesmo com esta
simplificação, os modelos apresentados, que consistem na
solução da equação bidimensional
para determinar o campo de velocidade axial e tangencial do
escoamento desenvolvido em um espaço anular, possuem alto
custo
computacional. O modelo apresentado neste trabalho leva em
conta a variação da
excentricidade ao longo do poço, bem como o comportamento
pseudoplástico da
lama e a rotação do cilindro interno. As equações que
governam o problema
foram simplificadas utilizando a teoria de lubrificação.
As equações diferenciais parciais que descrevem o perfil
de velocidade e a pressão ao longo do poço foram
resolvidas pelo método de diferenças finitas (diferenças
centrais) e linearizadas
pelo método de Newton. O modelo de lubrificação foi
validado através da
comparação dos resultados obtidos com trabalhos na
literatura para escoamentos
com excentricidade constante. Os resultados mostram o
efeito da variação da
excentricidade ao longo do poço, da rotação na coluna, das
propriedades não
Newtonianas no padrão do escoamento e no fator de atrito. / [en] Helical flow in annular space occurs in drilling operation
of oil and gas
wells. The correct prediction of the flow of the drilling
mud in the annular space
between the wellbore wall the the drill pipe is essential
to determine the variation
in the mud pressure within the wellbore, the frictional
pressure drop and the
efficiency of the transport of the rock drill cuttings. A
complete analysis of this
situation is extremely complex; the inner cylinder is
usualy rotating, the wellbore
wall will depart significantly from cylindrical, during
driling operation the drill
pipe is eccentric, and the eccentricity varies with
position along the well.
Moreover, drilling muds present pseudoplastic behavior,
the viscosity is a strong
function of the deformation rate. A complete analysis of
this situation would
require the solution of the three-dimensional momentum
equation and would be
computationally expensive and complex. Models available in
the literature to
study this situation do consider the rotation of the inner
cylinder and the non
Newtonian behavior of the liquid, but assume the position
of the inner and outer
cilinders fixed, i.e. they neglect the variation of the
eccentricity along the length
of the well, and assume the flow to be well developed.
This approximation leads
to a two-dimensional model to determine the three
components of the velocity
field in a cross-section of the annulus. The resulting
differential equations have
to be solved by some numerical method. The model presented
in this work takes
into account the variation of the eccentricity along the
well; a more appropriate
description of the geometric configuration of directional
wells. As a consequence,
the velocity field varies along the well length and the
resulting flow model is
three-dimensional. Lubrication theory is used to simplify
the governing equations into a non-linear, two-dimensional
Poisson Equation that describes the pressure
field. Lubrication model was validated by comparing the
predictions to reported
results on fully developed flow on eccentric annular
space. The results show the
effect of varying eccentricity, non Newtonian behavior and
inner cylinder rotation
on the flow field and on the friction factor.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:8743 |
| Date | 28 July 2006 |
| Creators | VICTOR MANUEL CARDENAS TARAZONA |
| Contributors | MARCIO DA SILVEIRA CARVALHO |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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