Publicação: Estudo experimental e de simulação por CFD de escoamentos em
seções anulares com excentricidade variável e obstrução parcial da
coluna
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
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Orientador
Coorientador
Duarte, Claudio Roberto
Resumo
Nesta tese são apresentadas medidas experimentais de queda de pressão bem como perfis de
velocidade e gradientes de pressão simulados via CFD de fluidos não-Newtonianos em dutos
anulares concêntricos/excêntricos, com/sem rotação do tubo interno, para casos com/sem
obstrução parcial da região anular. Escoamento em dutos anulares é um assunto relevante para
diversas aplicações industriais, especialmente para a indústria petrolífera. É de grande
interesse conhecer a fluidodinâmica do fluido de perfuração, como se dará a limpeza do poço
e reduzir os custos envolvidos na operação. Na perfuração direcional geralmente o anular é
excêntrico em função do peso da coluna, e devido às oscilações da broca, a excentricidade
pode variar ao longo comprimento do poço. Além disso, existe pelo efeito da gravidade uma
forte tendência de acúmulo de sólidos na parte inferior do poço, formando um leito de
cascalhos sedimentado que obstrui parcialmente o escoamento, o que pode dificultar ou até
mesmo impedir a operação de perfuração. Por esta razão é importante estudar o efeito da
sobreposição desses dois fatores (excentricidade e obstrução) no escoamento, o que ainda não
foi abordado na literatura. Assim, foi formada uma parceria entre a PETROBRAS e o grupo
de pesquisa da FEQUI/UFU que viabilizou o desenvolvimento deste trabalho. Através de um
planejamento experimental foi feita a aquisição de dados referentes às perdas hidrodinâmicas
em seções horizontais com obstrução parcial de 6 mm em função da excentricidade (0, 0,23 e
0,46), vazão de escoamento (3, 6 e 9 m3/h), concentração de goma Xantana (0,1, 0,3 e 0,5%) e
rotação do eixo interno (0, 200 e 400 rpm). Simulações numéricas usando o software
FLUENT® 14.0 para seções periódicas com diferentes excentricidades (0, 0,23 e 0,46) e
alturas de obstrução (0, 6 e 12 mm) permitiram avaliar a influência de variáveis operacionais
(vazões de 3 e 9 m3/h e rotações de 0 e 400 rpm) e reologia do fluido (0,1 e 0,5%) sobre o
escoamento (perfis de velocidades axial e tangencial e dados de queda de pressão). A injeção
de partículas permitiu a visualização e dimensionamento da trajetória helicoidal das mesmas
no anular, que foram comparadas com linhas de corrente simuladas via FLUENT®.
Comparações entre os resultados numéricos e dados da literatura indicaram, em geral, uma
concordância muito boa. Os resultados apresentados sobre escoamento helicoidal em anulares
parcialmente obstruídos são uma novidade na literatura e permitem um melhor entendimento
dos fenômenos complexos que podem ocorrer na perfuração de poços horizontais e
inclinados.
Abstract
In this thesis are presented experimental measurements of pressure drop and profiles of
velocity and pressure gradient simulated via CFD of non-Newtonian fluids in annular ducts
concentric/eccentric, with/without rotation of the inner tube, for cases with/without partial
obstruction of the annular region. Annular fluid flow is a relevant subject for many industrial
applications, especially for the oil and gas industry. It is very important to know the fluid
dynamics of the drilling fluid, to assure a proper cleaning of the well and to reduce the
effective costs of the operation.In directional drilling often the annulus is eccentric as a result
of the column weight, and due to drill bit fluctuations, the eccentricity may vary along the
length of the well. Furthermore, by the gravity effect there will be a strong tendency for the
solids to accumulate in the bottom of the well, forming a bed of settled cuttings that partially
obstructs the flow, which can hinders and even interrupt the drilling operation. For this reason
it is important to study the effect of the overlap of these two factors (eccentricity and
obstruction) in the flow, which has not been addressed in the literature. Thus, a partnership
formed between PETROBRAS and FEQUI/UFU research group allowed the development of
this work. A experimental design was used to the acquisition of data regarding hydrodynamic
losses in horizontal sections with partial obstruction of 6 mm considering the eccentricity (0,
0.23 and 0.46), flow rate (3, 6 and 9 m3/h), Xanthan Gum concentration (0.1, 0.3 and 0.5%)
and rotation of the inner cylinder (0, 200 and 400 rpm). Numerical simulations conducted by
using the software FLUENT® 14.0 for periodic sections with different eccentricities (0, 0.23
and 0.46) and obstruction heights (0, 6 and 12 mm) allowed evaluating the influence of
operating variables (flow rate of 3 and 9 m3/h and rotations of 0 and 400 rpm) and rheology of
the fluid (0.1 and 0.5%) on the flow (axial and tangential velocities profiles and pressure drop
data). The injection of particles allowed visualization and dimensioning of the helical path of
the same in the annular, which were compared with streamlines simulated by FLUENT®.
Comparisons between numerical calculations and literature data indicated, in general, a very
good agreement. The results reported on helical flow in annular partially obstructed are a
novelty in literature and allow a better understanding of the complex phenomena that may
occur in drilling of horizontal and inclined wells.
Palavras-chave
Perfuração, Anular, Excentricidade, Obstrução parcial, Planejamento de
experimentos, CFD, Drilling, Anular, Eccentricity, Partial obstruction, Experimental design, Poços de petróleo - Fluidos de
perfuração, Escoamento turbulento
Citação
BICALHO, Isabele Cristina. Estudo experimental e de simulação por CFD de escoamentos em
seções anulares com excentricidade variável e obstrução parcial da
coluna. 2015. 238 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2015. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.te.2015.45