Publicação: Aplicação do método de fronteira imersa no estudo de escoamentos no fundo de poço, considerando brocas simplificadas.
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Orientador
Coorientador
Padilla, Elie Luis
Resumo
O presente trabalho trata sobre problemas presentes em processos de perfuração,
especificamente na região do fundo de poço. O fluido de perfuração é bombeado através da
coluna de perfuração e ejetada pelos bocais da broca, os jatos impactam o fundo de poço
ajudando na dispersão do material particulado produto do corte, finalmente o escoamento
continua sua trajetória pela parte anular. Para representar o processo foi utilizado um sistema
simplificado composto pelo poço e coluna de perfuração. Considerando o fluido como
newtoniano, sem partículas e o escoamento incompressível. O sistema poço-coluna foi
considerado rígido e sem mudança de seção, também foi excluída qualquer força externa que
possa interagir com o sistema. Como ferramenta de estudo foi utilizado um código numérico
paralelizado baseado na solução das equações de Navier-Stokes com segunda ordem de
aproximação espacial e temporal, para a discretização foi utilizado o método dos volumes
finitos e metodologia de simulação de grandes escalas para o tratamento do fenômeno de
turbulência. O Método de fronteira imersa foi usado para representar o sistema poço-coluna,
por meio do campo da força. São propostas três brocas simplificadas, duas do tipo PDC e
uma tricônica. Os resultados foram satisfatórios, já que as variáveis fluidodinâmicas foram
influenciadas de forma proporcional com a rotação da coluna de perfuração, o trajeto do
escoamento e o tipo de broca. Maior intensidade turbulenta foi encontrada entre a broca e a
superfície do fundo como consequência da ação dos jatos, da geometria e rotação das brocas.
A força de impacto, parâmetro fundamental no processo de perfuração, apresenta importante
dependência com a velocidade de rotação e a distância entre o bocal e o fundo de poço. Outra
Importante contribuição do presente trabalho está associada ao potencial da ferramenta
numérica em desenvolvimento, para tratar problemas complexos de engenharia.
Abstract
The present work deals with problems present in drilling processes, specifically in the
bottom hole region. The drilling mud is pumped through the drilling column and ejected through
the drill nozzles, the jets impact the bottom hole surface helping the dispersion of the
particulate material result of curt, finally the flow continues its trajectory through the annular
part. To represent this process, a simplified system composed by the well and drilling column
was used, considering a Newtonian, incompressible fluid and without particles. The wellcolumn
system
was
considered
rigid
and
with
no
section
change,
any
external
force
that
could
interact
with
the
system
was
excluded.
As
a
study
tool
we
used
a
parallelized
numerical
code
based
on the solution of Navier-Stokes equations with second order spatial and temporal
approximation, discretization using the finite volume method and large eddy simulation
methodology for the treatment of the turbulence phenomenon. The immersed boundary
method was used to represent the well-column system by means of a force field. Three
simplified drill bits were proposed, two of PDC type and one of Triconic type. The results were
satisfactory, since the fluid dynamics variables were proportionally influenced with the rotation
of the drilling column, the flow path and the type of drill bit. Higher turbulent intensity was found
between the drill and the bottom hole surface as a consequence of the jet action, the geometry
and drill bits rotation. The impact force, which is a fundamental parameter in the drilling
process, is highly dependent on the speed of rotation and the distance between the nozzle
and the bottom hole. Another important contribution of the present work is associated with the
potential of the numerical tool, in development, to deal with complex engineering problems.
Palavras-chave
Broca de perfuração, Drill bit, Método de Fronteira Imersa, Immersed Boundary Method, Escoamento Turbulento, Turbulent flow
Citação
PUELLES, Sammy Cristopher Paredes. Aplicação do método de fronteira imersa no estudo de escoamento no fundo de poço, considerando brocas simplificadas. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.2299.
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