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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Estudo experimental e de simulação por CFD de escoamentos em seções anulares com excentricidade variável e obstrução parcial da coluna
metadata.dc.creator: Bicalho, Isabele Cristina
metadata.dc.contributor.advisor1: Ataide, Carlos Henrique
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Duarte, Claudio Roberto
metadata.dc.contributor.referee1: Gedraite, Rubens
metadata.dc.contributor.referee2: Souza, Francisco José de
metadata.dc.contributor.referee3: Pereira, Fábio de Assis Ressel
metadata.dc.contributor.referee4: Vieira Neto, José Luiz
metadata.dc.description.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.
Keywords: Perfuração
Anular
Excentricidade
Obstrução parcial
Planejamento de experimentos
CFD
Drilling
Anular
Eccentricity
Partial obstruction
Experimental design
Poços de petróleo - Fluidos de perfuração
Escoamento turbulento
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Citation: 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.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15087
Issue Date: 23-Mar-2015
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