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CPGEI (Mestrado): Juliano Scholz Slongo - 06/04/18

Defesa Pública de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 06/04/2018
das 08h30 até 11h30
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Flávio Neves Junior
Participantes Prof. Flávio Neves Junior , Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Guilherme Alceu Schneider, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Flávio Neves Junior, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Lucia Valéria Ramos de Arruda, Dr. - UTFPR
Prof. Gustavo Henrique da Costa Oliveira, Dr. - UFPR
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Modelagem e otimização de manobras em processos de perfuração de poços de petróleo e gás

Resumo: O controle dos gradientes de pressão resultantes da movimentação axial da coluna de perfuração durante a execução de manobras em procedimentos de perfuração são um grande desafio a ser superado. Altas velocidades axiais impostas à coluna de perfuração podem gerar gradientes de pressão de magnitudes suficientemente grandes a ponto de levar a pressão no interior do poço para além dos limites seguros definidos pelas pressões de poro e de fratura da formação, resultando em perdas de recursos, danos ao reservatório poroso e riscos de acidentes. Por outro lado, a adoção de políticas conservadores com relação à velocidade axial da coluna de perfuração resultam em subutilização da infraestrutura instalada, grandes períodos de operação e aumento do tempo não produtivo, significando desperdício de recursos operacionais e financeiros. O presente trabalho apresenta um modelo de otimização da movimentação axial da coluna de perfuração baseado em um modelo matemático para o escoamento compressível e transitório resultante da realização de uma manobra. O modelo representativo do processo é baseado nas equações de conservação de massa e quantidade de movimento que são solucionadas através do método das características. O poço e a coluna de perfuração são modelados por duas tubulações de diâmetros distintos, concentricamente posicionadas. Os escoamentos no interior da coluna de perfuração e no espaço anular são também modelados. Contudo não se considera a existência de broca ou equipamentos instalados ao longo da coluna. As extremidades superiores da coluna de perfuração e do espaço anular são consideradas abertas para a atmosfera e o nível de fluido no interior do poço é dito constante. O fluido é considerado newtoniano de alta viscosidade, sendo que as características de compressibilidade, viscosidade e tensão limite de escoamento são tomadas como constantes. O escoamento é modelado como unidimensional, laminar e isotérmico em que os efeitos viscosos são avaliados através do conceito de fator de atrito. A existência de cascalhos ou influxos de hidrocarbonetos é desconsiderada. Simulações são realizadas a fim de verificar os efeitos da velocidade e da aceleração nos gradientes de pressão experimentados. Os efeitos da geometria do poço e das propriedades reológicas do fluido de perfuração são também analisados. Os resultados demonstram que aceleração da coluna de perfuração está diretamente relacionada à taxa de variação da pressão ao longo do poço, enquanto a velocidade relaciona-se especialmente à magnitude do pico de pressão. Os aumentos da profundidade do poço, da viscosidade do fluido de perfuração e o estreitamento do espaço anular fazem com que os gradientes de pressão sejam maiores e que a dissipação da energia da onda de pressão aconteça mais rapidamente. O modelo de otimização se mostrou efetivo na redução do tempo de operação e no respeito às restrições implementadas.
Palavras-chave: Perfuração, Manobras, Modelagem, Otimização.

Modeling and optimization of tripping operations in drilling processes

Abstract: The control of pressure gradients generated by drilling string's movements during tripping operations is a great challenge to be overcome. High axial velocities imposed on the drill string can generate sufficiently large pressure gradients to bring well inside pressure overtake the safe limits defined by the formation's pore and fracture pressures, resulting in loss of resources, damage to the porous reservoir and risk of accidents. On the other hand, the adoption of conservative policies concerning the axial velocity of the drill string results in underutilization of the installed infrastructure, large periods of operation and increase in non-productive time, meaning a waste of operational and financial resources. This work presents an optimization model based on a mathematical formulation for the compressible and transitory flow resulting from the tripping operations. The process modeling is based on the conservation equations of mass and momentum that are solved through the method of the characteristics. The domain of the problem is represented by two pipes of different diameters, representing the well and the drill pipe, concentrically positioned. Both flows inside the drilling column and into the annular space are represented. Nevertheless, the use of a drill bit or any other installed equipment along the column is not considered. The upper ends of the drill string and the annular space are considered open to the atmosphere and the level of fluid within the well is constant. The fluid is considered as a high viscosity Newtonian ones. It's mean that fluid's properties such as compressibility, viscosity and yield stress characteristics are taken as constants. The flow is modeled as one-dimensional, laminar and isothermal, in which the viscous effects are evaluated through the concept of friction factor. The existence of gravel or hydrocarbon inflow is disregarded. Simulations are performed to verify the effects of velocity and acceleration on the pressure gradients experienced. The effects of well geometry and rheological properties of the drilling fluid are also analyzed. The results show that acceleration of the drill string is directly related to the rate of variation of the pressure along the well, whereas the velocity is related to the magnitude of the pressure peak. Increases in the depth of the well, the viscosity of the drilling fluid and the narrowing of the annular space make the pressure gradients larger and the energy dissipation from pressure wave happens so much faster. The optimization model was effective in reducing the operating time and in compliance with the restrictions implemented.
Keywords: Drilling Operations, Tripping Operations, Modeling, Optimization.

Lista de publicações:

SLONGO, J. S.; SCHNEIDER, G. A.; NEVES-JR, F.; ARRUDA, L. V. R.; OLIVEIRA, G. M.; NEGRAO, C. O. R.. Planta Experimental de Perfuração de Poços de Petróleo - Modelagem e Análise do Sistema de Controle de Pressão, 2016 (12th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications)