PROPAGAÇÃO DE PRESSÃO DURANTE O REINICIO DA CIRCULAÇÃO DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO EM AMBIENTES DE ÁGUAS PROFUNDAS

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1 PROPAGAÇÃO DE PRESSÃO DURANTE O REINICIO DA CIRCULAÇÃO DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO EM AMBIENTES DE ÁGUAS PROFUNDAS PRESSURE PROPAGATION DURING THE RESTART OF DRILLING FLUIDS CIRCULATION IN DEEP WATER ENVIRONMENTS Gabriel Merhy de Oliveira (ex bolsista PRH) Leandro Lourenço Vieira da Rocha (ex-bolsista PRH) Admilson Teixeira Franco Cezar Otaviano Ribeiro Negrão Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais Programa de Recursos Humanos da ANP - PRH 10 Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165 CEP Curitiba-PR

2 Resumo Perfuração em águas profundas está normalmente associada a janelas operacionais estreitas. Os fluidos de perfuração são projetados para gelificarem quando não submetidos a uma tensão de cisalhamento. Isto é necessário para evitar que o cascalho se deposite sobre a broca quando a circulação do fluido cessa. Quando o escoamento é reiniciado, a pressão da bomba aumenta acima da pressão normal de operação de maneira a superar a tensão do ge. Devido a efeitos tixotrópicos, a tensão do fluido permanece elevada por um certo tempo após o reinício da circulação. A gelificação pode ter uma importância significativa, especialmente, em águas profundas onde ocorrem altas pressões e baixas temperaturas. Os efeitos do gel podem gerar pressões excessivas (induzindo perdas de fluido) e podem causar atrasos da transmissão da pressão que podem afetar os dispositivos de detecção de ganho. O presente trabalho apresenta um modelo transitório compressível do renício da circulação de fluidos de perfuração, de maneira a predizer as pressões no fundo do poço. O modelo é composta pelas equações de conservação da massa e da quantidade de movimento, as quais são resolvidas pelo método do volumes finitos. Uma equação constitutiva é empregada para modelar a reologia dependente do tempo da quebra do gel. Estudos de casos são conduzidos para avaliar os efeitos das propriedades do fluido, da geometria do poço e da pressão de bombeio nas pressões no fundo do poço. Maiores efeitos do atraso da propagação da pressão na perfuração em águas profundas são enfatizados.

3 Abstract Deep water drilling is normally associated with narrow operational windows. Drilling fluids are designed to gel when it is not submitted to shear stress. This is necessary to avoid cuttings to settle during circulation stops. When fluid flow is resumed, the pump pressure rises above the circulation pressure in order to overcome the gel strength. Due to its thyxotropic effect, the gel viscosity remains high for a while after the circulation restart. The gelation may have significant importance, specially, in deep waters where high pressures and low temperatures take place. Gel effects can both generate excessive pressures (inducing losses) and cause delays in pressure transmission which can directly affect gain detection devices. The current work presents a compressible transient flow model of the restart of drilling fluid circulation, in order to predict pressures at the borehole. The model comprises the conservation equations of mass and momentum which are solved by the finite volume method. A constitutive equation is employed to model the time dependent rheology of gel breaking. Case studies are conducted to evaluate the effect of fluid properties, well geometry and pumping pressure on the bottomhole pressures. Major effects on pressure propagations delay in deepwater drilling are highlighted.

4 INTRODUÇÃO DO PROBLEMA Escoamento pelo interior da coluna e pela região anular Deslocamento de um fluido gelificado por um fluido não gelificado. Fluido Não-Gelificado Fluido Gelificado

5 Descrição do Problema t = t 1 t = t 2 Fluido de entrada (escoamento viscoso) Escoamento viscoso Frente de Escoamento visco-plástico Comportamento elástico Escoamento t = t 3 Frente de Escoamento Consolidação t = t 2 Pressão t = t 1 t = t 2 t = t 3 Tempo

6 Objetivos Modelar o início do escoamento em tubulações e anulares com o objetivo de prever pressões, velocidades e tensões de cisalhamento; Inferir pressões no fundo do poço através da medição de pressões na coluna e no anular, utilizando o modelo desenvolvido.

7 Modelagem Matemática Equações: Conservação da massa Conservação da quantidade de movimento Relação tensão deformação Equação de estado Incógnitas: Distribuição de pressão p(x,t) Distribuição de velocidade u=u(r,x,t) Massa específica ρ=ρ(r,x,t) Equação Constitutiva, τ=τ(r)

8 Hipóteses u=u(r,x), τ=τ(r), p=p(x) Modelagem Matemática Conservação da Massa R o r θ r ( r u) + = t x 0 Conservação da Quantidade de Movimento R i ( r u) ( r uu) p 1 ( rt ) + = t x x r r r g cosq

9 Equações Constitutiva e de Estado Fluidos Binghamianos t = t y ( t ) + h ( t ) g & Equação de Estado r = r ( P)

10 RESULTADOS Variação da Pressão Baixa Compressibilidade Re*=0,1; B*=0,1 e X*=0,001 Z*

11 RESULTADOS Variação da Pressão Alta Compressibilidade Re*=0,1; B*=0,1 e X*=0,1 Z*

12 Escoamento Vertical - Anular Fluido de Perfuração: Comprimento L = 6000 m Diâmetro Externo D 2 = 0, 2159 m DiâmetroInterno D 1 = 0,1143 m 3 Massa Específica ρ = 1000 kg m Compressibilidade 1 Compressibilidade 2 α 1 = 1, 0 10 Pa 9 1 α 2 = 5, 0 10 Pa 10 1 Viscosidade µ = 0, 048 Pa. s Tensão limite de τ 9,89 escoamento y = Pa Pressão da Bomba PB = 3,0 10 Número de Reynolds Re* = 0,1616 Número de Bingham B * = 0,5802 Compressibilidade Adimensional X *=0,0030 Compressibilidade X Adimensional 2 2*=0,0015 Pa * Comparação com o Esc. Horizontal Pressão (MPa) Variação da Pressão em 5400 m P (5400 m) = 54, 4 MPa 0 1 P (5400 m) = 53,7 MPa 0 2 X 1 *=0,0030 X 2 *=0,0015 Esc. Horizontal Esc. Vertical Velocidade de Propagação da onda de pressão 1 c = Tempo Caract. 1 L c1 6 Velocidade de Propagação da onda de pressão m / s = s c2 = 1414 m / s Tempo Caract. 2 L c2 = 4, 24 s t (L/c)

13 CONCLUSÕES Aumentando a compressibilidade do fluido, existe a tendência do amortecimento da onda, evitando assim, ou reduzindo as oscilações na pressão e velocidade; Reduzindo o número de Reynolds, ou seja, com as forças viscosas tornando-se maiores, observa-se também esse efeito de amortecimento. Durante as simulações observou-se que Re e X são os parâmetros característicos do problema e a razão de aspecto R/L não influencia no perfil das curvas de velocidade e pressão.

14 AGRADECIMENTOS

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