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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-9888-1904
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2025-02-23
Title: Estudo das características de empacotamento, fluidização e transporte pneumático de cascalhos da perfuração de poços de petróleo e gás
Alternate title (s): Study of packing, fluidization and pneumatic conveying characteristics of cuttings from oil and gas well drilling
Author: Altino, Heitor Otacílio Nogueira
First Advisor: Duarte, Claudio Roberto
First member of the Committee: Malagoni, Ricardo Amâncio
Second member of the Committee: Ferreira, Maria do Carmo
Third member of the Committee: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Fourth member of the Committee: Martins, Andre Leibsohn
Summary: O processo de transporte pneumático dos cascalhos gerados durante a perfuração de poços de petróleo e gás sofre influência de diversos fatores associados às características do material e condições operacionais. O objetivo principal dessa tese foi aprofundar os estudos do transporte pneumático de cascalhos, além de investigar as condições ideais de operação, considerando o efeito da umidade nas propriedades de manejo do material, regime de transporte mais adequado e condições operacionais relacionadas ao processo. Para tal propósito, inicialmente foi desenvolvido um dispositivo preciso de determinação das propriedades bulk de leitos fixos de materiais granulares. Utilizando-se esse dispositivo, buscou-se avaliar o efeito do número, frequência e amplitude das batidas de leitos fixos empacotados com materiais granulares nos resultados de densidade bulk compactada. Em um segundo momento, buscou-se verificar a influência da umidade dos cascalhos na dinâmica de agregação/desagregação das partículas, propriedades bulk de leitos fixos (mensuradas com o dispositivo desenvolvido), escoabilidade, características de fluidização e comportamento de desaeração. As propriedades obtidas nessas análises foram denominadas propriedades de manejo. Com base nos dados obtidos, procurou-se estabelecer uma classificação dos diferentes comportamentos de manejo dos cascalhos conforme a umidade e realizar previsões da influência da umidade no regime de transporte pneumático mais adequado. Os resultados obtidos mostraram que o dispositivo desenvolvido permitiu a determinação das densidades bulk aerada e compactada com alta precisão (0,002 g.cm-3) e exatidão (0,001 g.cm-3). Além disso, a densidade bulk compactada foi mais influenciada pela frequência e amplitude das batidas. Quanto à influência do conteúdo de umidade nas propriedades de manejo dos cascalhos, os resultados permitiram a identificação de quatro estados característicos, denominados: seco (1,3-7,7%), agregado (7,7-15,2%), desagregado (15,2-27,6%) e de lama (27,6-44,0%). De forma geral, o incremento da umidade até 15,2% promoveu a formação de estruturas interparticulares mais aeradas, que apresentaram menor resistência ao escoamento de ar. No entanto, essas estruturas se mostraram mais estáveis, apresentando maior dificuldade para escoar, bem como para fluidizar e reter ar. O incremento da umidade além de 15,2% propiciou estruturas interparticulares mais densas e resistentes ao escoamento de ar. O material pôde fluir mais facilmente, retendo mais ar e sendo relativamente mais fácil de fluidizar. As previsões do regime de transporte indicaram que os cascalhos nos estados seco e de lama podem ser transportados apenas em fase diluída, enquanto aqueles no estado agregado/desagregado podem ser transportados em fase densa por plugues. Em geral, os cascalhos no estado seco apresentaram propriedades de manejo boas e estáveis em comparação aos outros estados, sendo desejáveis para operações de manejo de cascalhos. Por fim, buscou-se apresentar o processo de dimensionamento, construção, instrumentação e controle de um sistema de transporte pneumático em fase densa e diluída de escala industrial de cascalhos no estado seco. Em seguida, utilizou-se a técnica de regressão múltipla vinculada a experimentos planejados para quantificar os efeitos das vazões de ar utilizadas para a pressurização do vaso, fluidização do material e aeração do material descarregado, bem como da massa de material carregado no vaso, nas variáveis: vazão de descarga, pressão média de descarga e queda de pressão na linha de transporte. Os resultados desse estudo permitiram mapear uma ampla faixa operacional de transporte em fase densa dos cascalhos de perfuração no estado seco, bem como identificar os pontos ótimos de operação nos quais as vazões de descarga eram elevadas e as quedas de pressão na linha não eram excessivas. Além disso, o estabelecimento do diagrama de estado em conjunto com a análise do sinal de pressão na linha de transporte em função do tempo, permitiram inferir sobre os regimes de transporte mais prováveis nos quais o material estava sendo transportado.
Abstract: The pneumatic conveying process of cuttings generated during the drilling of oil and gas wells is influenced by several factors associated with the characteristics of the material and operating conditions. The main objective of this thesis was to study the pneumatic conveying of drilling cuttings, in addition to investigating the ideal operating conditions, considering the effect of moisture on the material handling properties, the most adequate pneumatic conveying flow regime, and operational conditions for conveying. For this purpose, it was initially necessary to develop an accurate device to determine the bulk properties of fixed beds of granular materials. In addition, using this device, it was sought to evaluate the effect of the number, frequency, and amplitude of the taps of fixed beds packed with granular materials on the tapped bulk density results obtained. In a second moment, it was verified the influence of cuttings moisture content on the dynamics of aggregation/disaggregation of particles, bulk properties of fixed beds (measured with the developed device), flowability, fluidization characteristics, and de-aeration behavior. The properties obtained in these analyzes were called handling properties. Based on the data obtained, it was pursued to establish a classification of the different handling behaviors of cuttings according to the moisture content and to make predictions of the influence of moisture in the most suitable conveying flow regime. The results obtained showed that the developed device allowed the determination of loose and tapped bulk densities with high precision (0.002 g.cm-3) and accuracy (0.001 g.cm-3). In addition, the tapped bulk density was more influenced by the frequency and amplitude of the taps. Regarding the influence of moisture content on the drilling cuttings handling properties, the results allowed the identification of four characteristic states, named: dry (1.3-7.7%), aggregate (7.7-15.2%), disaggregate (15.2-27.6%), and slurry (27.6-44.0%). It is possible to notice that the increment of moisture up to 15.2% promoted the formation of looser interparticle structures, which showed less resistance to airflow. However, these structures were steadier, showing greater difficulty to flow, as well as, fluidizing and retaining air. The continuous increment of moisture beyond 15.2%, propitiated denser and more resistant to airflow interparticle structures. The material could flow more easily, retaining more air and being relatively easier to fluidize. The conveying flow regime predictions indicated that cuttings in dry and slurry states can be conveyed only in the lean phase, while those in aggregate/disaggregated state can be conveyed in the dense phase plug flow. In general, cuttings in the dry state showed good and stable handling properties as compared to other states, being desirable for cuttings handling operations. Finally, it was presented the process of design, construction, instrumentation, and control of a pneumatic conveying system in the dense and lean phase of industrial-scale for cuttings in the dry state. Then, the multiple regression technique linked to designed experiments was used to quantify the effects of air flows used for blow tank pressurization, material fluidization, and aeration of the discharged material, as well as the mass of material loaded in the blow tank, in the variables: discharge flow rate, average discharge pressure and pressure drop in the conveying line. The results obtained allowed mapping a wide operational range in which it was possible to pneumatically convey in the dense phase drilling cuttings in the dry state. It was also possible to identify the optimal operating points in which the discharge flow rates were high and the pressure drops in the conveying line were not excessive. In addition, the establishment of the state diagram, together with the analysis of the pressure signal in the conveying line as a function of time, allowed to infer about the most probable conveying regimes that took place during the experiments.
Keywords: cascalhos
drilling cuttings
transporte pneumático
pneumatic conveying
conteúdo de umidade
moisture content
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia química
Transporte pneumático
Poços de petróleo - Perfuração
Poços de petróleo - Gas-lift
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: ALTINO, Heitor Otacílio Nogueira. Estudo das características de empacotamento, fluidização e transporte pneumático de cascalhos da perfuração de poços de petróleo e gás. 2023. 259 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.47
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.47
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37390
Date of defense: 13-Feb-2023
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