TAMPONAMENTO DE POÇOS DE PETRÓLEO

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1 TAMPONAMENTO DE POÇOS DE PETRÓLEO Aluna: Fernanda de Azevedo Nascentes Orientadoras: Monica Feijó Naccache Priscilla Ribeiro Varges Introdução O processo de tamponamento consiste no bombeio de pasta de cimento para isolar um determinado trecho do poço. O isolamento é feito através da colocação de um tampão de cimento a fim de vedar a seção transversal do poço em um determinado trecho. A Figura 1 apresenta uma ilustração gráfica da eficiência do processo de tamponamento. A imagem da esquerda ilustra o caso ideal onde o cimento fica posicionado acima do fluido de perfuração. A imagem da direita ilustra o caso onde há migração do tampão de cimento e consequentemente há uma falha na operação. O sucesso da operação relaciona-se com a velocidade de inversão dos fluidos (cimento e fluido de perfuração) ser suficientemente baixa durante o tempo de cura. Essa situação é altamente instável visto que o cimento geralmente é mais denso que o fluido de perfuração e, como consequência, suas posições se invertem. Se a movimentação for significativa, a inversão do posicionamento dos fluidos pode resultar na falha da operação. Objetivos Pretende-se investigar o escorregamento de tampão de pasta de cimento em poços de petróleo. O objetivo do presente estudo é terminar a janela de operação no espaço de parâmetros dentro da qual a velocidade de inversão é suficientemente baixa para assegurar o sucesso da operação. Está sendo desenvolvido paralelamente um estudo capaz de fornecer uma estimativa de velocidade crítica de queda do tampão V c. Sabe-se que V c é função dos seguintes parâmetros governantes do problema: V c = f(d, d, L, ρ 1, ρ, µ 1, µ 2, g), sendo D o diâmetro do, d o diâmetro ou a distância relativa entre o plug e as paredes do, L o comprimento do preenchido pelo fluido 2, ρ 1 a densidade do fluido de baixo, ρ a variação de densidade entre os fluidos, µ 1 a viscosidade do fluido de baixo, µ 2 a viscosidade do fluido de cima e g a aceleração da gravidade. Figura 1. Eficiência do processo de tamponamento

2 Vários trabalhos na literatura estudam esse problema visando obter as melhores condições para as operações de cimentação e, com isso, o preenchimento completo da seção transversal com a pasta de cimento [1-4]. Adimensionalização Com base no teorema dos Pi de Buckingham, uma adimensionalização dos dados experimentais é proposta. A Figura 2 apresenta o desenho esquemático do plug de cimento em queda. O fluido de cima, mais denso e mais viscoso, é representado pelo índice 2 e o fluido de baixo pelo índice 1. Figura 2. Representação esquemática do problema De acordo com a teoria de análise dimensional, os parâmetros governantes identificados são: o diâmetro do D, o diâmetro ou distância relativa entre o fluido em queda e as paredes do d, o comprimento do preenchido pelo fluido de cima L, densidade do fluido de baixo 1, a variação de densidade entre os fluidos (sendo 2-1 ), a viscosidade do fluido de baixo e de cima 1 e 2, a aceleração da gravidade g, a velocidade terminal de queda V e a tensão interfacial ou superficial. Os grupos adimensionais que descrevem o problema são: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

3 sendo 5 o número de Galileo, Ga, que correlaciona as forças gravitacionais com as viscosas, 6 o número de Reynolds, Re, que é representado pela razão entre as forças de inércia e as viscosas e 7 o número de Laplace, La, que é a razão entre as forças devido à tensão superficial e as forças viscosas. Uma vez determinados os grupos adimensionais, pode-se predizer a relação funcional entre eles. Entretanto, como o problema em questão possui 7 grupos adimensionais, considera-se o caso de semelhança incompleta e nos deparamos com problemas intrínsecos da mudança de escala. Uma preocupação no modelo utilizado diz respeito aos efeitos de tensão superficial que são desprezíveis em operações de campo. Materiais e Métodos experimentais Em linhas gerais, o procedimento experimental consiste em posicionar um fluido, mais denso e mais viscoso, acima de outro fluido, menos denso e menos viscoso, e observar o movimento da interface. Caso haja inversão das fases em tempo mensurável, a velocidade terminal de queda do fluido de cima é avaliada. A primeira etapa do procedimento experimental consiste em preencher um de acrílico com um fluido de menor densidade e viscosidade com volume pré-determinado. Esse possui uma tampa vedando a seção transversal inferior e a parte superior mantém-se com superfície livre. Paralelamente, os fluidos de trabalho são mantidos dentro de um reservatório preenchido com água e conectado a um banho de circulação externa, para garantir equilíbrio térmico entre os fluidos. Em seguida, o é cuidadosamente colocado no reservatório através de um furo na tampa. A tampa do reservatório possui um furo passante de diâmetro igual ao de cada e visa evitar a movimentação e inclinação do. A seguir o fluido mais denso é posicionado em cima do fluido menos denso a partir do uso de uma bomba ou pipeta. O método de preenchimento varia em função do volume desejado de fluido. Um filme é realizado para visualizar a interface entre os fluidos e, através de um tratamento de imagens, a velocidade de inversão das fases é mensurada. A planta experimental permite avaliar a velocidade característica de inversão para diferentes pares de fluidos e diferentes geometrias. A Figura 3 ilustra a bancada experimental. Ela é composta por um banho térmico, um reservatório conectado em circuito fechado ao banho, uma tampa com furo de diâmetro equivalente ao para manter a seção de testes na vertical, uma máquina fotográfica Canon EOS70D, um cronômetro e um termopar. Dependendo do diâmetro desejado e/ou volume de fluido do fluido de cima, uma bomba peristáltica ou uma pipeta são utilizados. Figura 3. Bancada experimental

4 Foram feitos testes com dois fluidos newtonianos de modo que o fluido de cima é mais denso e mais viscoso que o fluido de baixo. Todos os testes foram feitos a 24ºC com uma solução aquosa com 60% de etanol ( = 908.9Kg/m 3 e = 2.31mPa.s) e óleo de soja ( = 917.7Kg/m 3 e = 51.67mPa.s). Sendo assim, os resultados apresentados são válidos para um único par de razão de viscosidade e densidade. Para aumentar o contraste na visualização da interface, o óleo de soja amarelo (fluido mais denso e viscoso) foi pintado de preto através do uso de um corante à base de óleo da marca Full Color. O uso do corante não altera as propriedades do óleo de soja. A estimativa de tensão interfacial entre os fluidos é 4mN.m e o ângulo de contato com acrílico é de 25º. Tubos de diâmetros 16, 20, 22, 24, 26, 32, 34 e 44mm foram investigados. A Figura 4 apresenta um exemplo das imagens obtidas com o uso da bomba e a Figura 5 apresenta um exemplo das imagens obtidas com as pipetas. Figura 4. Teste utilizando bomba com solução aquosa com 60% de etanol e óleo de soja a 24ºC e D = 26mm Figura 5. Teste utilizando pipeta com solução aquosa com 60% de etanol e óleo de soja a 24ºC e D = 26mm Soluções analíticas de problemas com semelhança dinâmica A fim de simplificar o problema e avaliar uma proposta de velocidade crítica terminal de queda, algumas simulações de soluções analíticas foram implementadas para comparar os resultados previstos com os experimentais. A escolha dos casos investigados foi baseada na similaridade geométrica de problemas simples de engenharia com o problema de campo. Foram realizadas simulações de esferas em queda no meio infinito, de esfera em queda dentro de um, cilindro em queda dentro de um e escoamento de Hagen-Poiseuille. A escolha de esferas e gotas em queda dentro de um preenchido com um fluido foi motivada pelo fato de não sabermos exatamente como o cimento escoa dentro do durante o processo de tamponamento. Considerando um processo com conservação de massa, se o cimento descer, o fluido do poço deve deslocar-se para cima. Entretanto, não é óbvia a forma como esse escoamento ocorre. O cimento pode descer pelo centro do, por um dos lados ou de forma desordenada. A forma desse escoamento

5 depende de parâmetros geométricos, reológicos e dinâmicos. Dentre os casos investigados, gotas e esferas dentro do representam o caso mais crítico. A equação (8) representa a velocidade terminal de uma esfera rígida em queda em um meio infinito contendo fluido newtoniano. (8) Sendo C D descrito graficamente conforme Eq. (9). (9) A equação (10) representa a velocidade terminal de uma esfera rígida em queda em um preenchido fluido newtoniano. Deve-se aplicar um fator de correção f na velocidade de queda em um meio infinito. (10) O caso de Hagen-Poiseuille simula o escoamento de um único fluido em queda livre dentro de um vazio, ou seja, não há resistência extra devido à ausência de um fluido já preenchendo o. Seria o caso de um escoamento dominado pelos efeitos gravitacionais. A Eq. (11) representa a velocidade terminal de queda para este caso. (11) O caso de um cilindro em queda dentro de um preenchido com um fluido newtoniano é um pouco mais conservador, pois há uma força de arrasto extra atuando no cilindro que representa o tampão em queda. A Equação (12) apresenta a velocidade terminal de queda deste caso. Sendo, d o diâmetro do cilindro e Resultados e discussões A Figura 6 apresenta os resultados experimentais obtidos através de ambos os procedimentos de preenchimento do. Nela há um gráfico da velocidade terminal em função do diâmetro da gota ou do tampão. Existe uma pequena incerteza associada à esses resultados devido a resolução de pixels e número de fotos por segundo da câmera fotográfica. Pode-se observar que há um padrão de comportamento: existe um acréscimo da velocidade terminal com o diâmetro da gota ou do tampão até um ponto máximo, e em seguida uma queda de forma similar à uma parábola. O comportamento torna-se mais compreensível através da adimensionalização dos dados. (12)

6 V T [mm/s] Departamento de Engenharia Mecânica D = 16mm D = 20mm D = 22mm D = 24mm D = 26mm D = 32mm D = 34mm D = 44mm d [mm] Figura 6. Velocidade terminal em função do diâmetro da gota/tampão: resultados experimentais A Figura 7 apresenta os mesmo resultados experimentais da Figura 6, porém a velocidade terminal é apresentada em função da razão entre o diâmetro da gota (ou do tampão) em relação ao diâmetro do. Pode-se observar que o ponto máximo da curva, para qualquer diâmetro de, é em torno de = Os pontos da curva acima de = 0.80 são representados pelos casos de simulação de tampões em queda. Ou seja, nesses casso, a interface é totalmente preenchida com um fluido menos denso no tempo inicial de teste. Figura 7. Velocidade terminal em função do diâmetro da gota/tampão: resultados experimentais em forma adimensional

7 Todos os casos apresentam efeitos de inércia, pois Re(D) > 1. O número de Galileo é da ordem de grandeza de 10 7, logo há predominância dos efeitos gravitacionais aos viscosos. Como o número de Laplace também é muito maior que 1, observa-se que os efeitos interfaciais também são dominantes em relação aos efeitos viscosos. O objetivo principal da análise dos resultados experimentais, em paralelo com as simulações de soluções analíticas, é apresentar uma velocidade crítica que possa representar a velocidade de queda de um tampão de cimento em campo. A proposta é identificar uma velocidade característica adimensional que seja próxima o suficiente dos valores de campo para que sirva de estimativa para determinação do posicionamento do tampão. É importante também que esse valor seja conservador, de modo que essa velocidade característica seja menor que a velocidade real de campo. Com base nessa motivação, algumas comparações foram feitas. Para efeitos práticos de apresentação de resultados, as comparações serão apresentadas para um único diâmetro de, D=32mm, porém os resultados é análogo aos demais casos e a tendência das curvas se mantém para todos os casos. A Figura 8 ilustra diferentes testes feitos com D=32mm entretanto com diferentes valores de d. Observa-se que há repetibilidade entre os resultados experimentais. Figura 8. Velocidade terminal em função da razão entre o diâmetro da gota/tampão e o diâmetro do : resultados experimentais com D = 32mm A Figura 9 apresenta uma comparação das simulações de soluções analíticas descritas anteriormente com os dados experimentais dos testes feitos com D=32mm. A Figura 9 apresenta as velocidades máximas correspondentes a cada caso da Figura 8. O caso experimental apresenta um valor da mesma ordem de grandeza do caso analítico da esfera em queda no (com correlações devido a efeitos de parede). A velocidade do cilindro em queda é em torno de 5 vezes a velocidade do caso experimental e a modelagem pela equação de Hagen-Poiseuille mostrou-se ineficiente por ser ordens de grandeza maior que o caso experimental.

8 Figura 9. Comparação entre os resultados experimentais e as soluções analíticas de escoamentos simples Figura 10. Comparação entre os resultados experimentais e as soluções analíticas de escoamentos simples: velocidade máxima de cada caso Vale ressaltar que o caso experimental, que possui diferentes diâmetros de gota em queda dentro de um, representa um caso mais conservativo que o caso real. Ou seja, a velocidade máxima de uma curva de velocidade terminal em função de é sempre maior que a velocidade máxima do caso de campo. Sendo assim, a queda de uma esfera representa uma boa aproximação de velocidade crítica de queda de um fluido newtoniano mais denso a cima de um fluido menos denso em um.

9 Conclusões Com o objetivo de estudar o tamponamento de poços de petróleo, análises numéricas e experimentais estão sendo realizadas. Foram feitos ajustes na bancada experimental para melhorar a eficiência do procedimento de testes. Testes com um par de fluidos newtonianos, sendo o de cima mais denso e mais viscoso, estão sendo realizados. Utiliza-se, em paralelo, duas metodologias distintas de preenchimento do fluido de cima. Uma delas através do uso de uma bomba e outra através do uso de uma pipeta. Ou seja, diversas razões entre os diâmetros característicos do fluido em queda em relação ao diâmetro do estão sendo avaliadas. Pretende-se investigar o efeito de cada grupo adimensional no problema. Espera-se identificar, através de um equacionamento simples e analítico, uma velocidade crítica de queda através da apresentação de um conjunto de parâmetros capaz de fornecer um tempo de escoamento inferior ao tempo de cura do cimento. Sendo assim, pretende-se fornecer um valor característico de velocidade para melhorar a eficiência das operações de tamponamento de poços. Até o momento, a melhor estimativa é representada pelo escoamento de uma esfera rígida em queda dentro de um. Referências 1 - SMITH, R., Beirute, R.M. and Holman, G., Improved method of setting successful cement plugs. J. Petroleum Tech., Vol. 36, No. 11, pp SUTTON, D., Bour, D. and Creel, P., Development of effective methods for placing competent cement plugs. In Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference. 3 - MUNRO, C., Ferguson, S. and Engel, S., Well plugging operations in west of shetland horizontal wells using coiled tubing techniques. In European Petroleum Conference. 4 - FRIGAARD, I., Stratified exchange flows of two bingham fluids in an inclined slot. J. Non-Newt. Fluid Mech., Vol. 78, pp