[pt] Esta dissertação investiga escoamentos multifásicos de deslocamento de
fluidos em geometrias anulares envolvidas em operações de cimentação de
poços com fluidos espumados. A cimentação desempenha um papel relevante
na integridade de poços e algumas aplicações requerem pastas leves com alta
resistência à compressão, e o cimento espumado atende a este propósito. Para
modelar adequadamente a complexidade do escoamento - que compreende
comportamento não-newtoniano e elevada compressibilidade - um modelo
tridimensional de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foi desenvolvido a
partir do código aberto OpenFOAM. As equações de conservação da massa,
momento e fases são solucionadas em uma geometria anular, considerando o
efeito da pressão na densidade e na reologia dos fluidos, e o método Volume of
Fluid (VoF) foi usado para capturar a interface entre fluidos. Os modelos foram
validados com soluções exatas para escoamento monofásico axissimétrico com
fluidos incompressíveis e compressíveis, e com modelos constitutivos
newtonianos e não-newtonianos. Além disso, simulações multifásicas
estimaram a eficiência de deslocamento do fluido de perfuração pela pasta de
cimento em diferentes condições – constraste de densidade e de viscosidade,
ecentricidade e vazões de bombeio – e com diferentes correlações para a
reologia dos fluidos espumados. Finalmente, simulações de deslocamento com
fluidos com densidade e reologia constante (não-espumados) foram utilizadas
para comparação. Os resultados indicam que a eficiência no deslocamento com
a técnica de cimentação espumada é superior em condições similares e ilustra
que as pastas espumadas são menos suceptíveis a gerarem falhas quanto
condições desafiadoras estão presentes. / [en] This master dissertation investigates multiphase displacement flow in
annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement
slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and
some applications require combining a low-density cement slurry with high
compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the
displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature
dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational
fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM
toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an
annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology,
and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between
the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric
single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and
non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were
performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed
cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast,
eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement
rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density
and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare
the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the
displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant
density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less
sensitive to impairment when challenging conditions are present.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:65821 |
| Date | 04 January 2024 |
| Creators | RAFAEL PERALTA MUNIZ MOREIRA |
| Contributors | MONICA FEIJO NACCACHE |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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