00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Dissertação
Título: Contribuição do atrito nos esforços axiais de colunas de produção e injeção em poços de petróleo submetidos a carregamentos operacionais
Autor(es): Rodrigues, Otávio Bruno de Araújo
Primeiro Orientador: Lira, William Wagner Matos
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Santos, João Paulo Lima
metadata.dc.contributor.referee1: Sousa, José Renato Mendes de
metadata.dc.contributor.referee2: Lima Junior, Eduardo Toledo de
metadata.dc.contributor.referee3: Santos, João Paulo Lima
Resumo: Este trabalho propõe a modelagem numérica de colunas de produção e injeção (COP/COI) em po ços de petróleo submetidos a carregamentos operacionais para determinar a contribuição do atrito nos esforços axiais. As colunas de produção e injeção sofrem diferentes combinações de esforços ao longo de sua vida útil, os quais podem estar relacionados a variações térmicas, pressões, peso próprio, flambagem e atrito. A correta previsão desses esforços e dimensionamento da coluna é essencial para a segurança do poço sem a necessidade de intervenções pós-completação e para manter íntegro um dos primeiros elementos do sistema de barreira de poço. As forças de atrito, que impactam os esforços axiais, são geradas quando ocorre a flambagem da COP/COI por causa da formação de regiões de contato entre a coluna e o revestimento. Em poços direcionais, o peso e a trajetória da coluna também geram forças de atrito junto ao revestimento. Devido à variedade de carregamentos operacionais, uma solução geral para o problema de atrito por flambagem requer soluções numéricas. Na literatura, há modelos que avaliam apenas o atrito por flambagem ou por peso e trajetória, enquanto outros até propõem uma análise combinada dessas fontes de atrito, porém apenas para casos específicos e sem avaliar o histórico de carregamento. Nesta direção, um modelo com todos esses critérios permite uma análise mais realista do fenômeno. Para atingir o objetivo proposto, a metodologia adotada é dividida em cinco macroetapas: i) estudos sobre COP/COI e carregamentos operacionais; ii) estudos sobre modelos de atrito e aspectos sobre flambagem em tubulares; iii) modelagem computacional de atrito por flambagem em COP/COI de poços verticais; iv) incorporação de novos efeitos à modelagem de atrito por flambagem; v) realização de estudos de caso. Com base nos estudos de caso realizados, a inclusão do atrito através do efeito capstan resulta em um notável aumento nas forças de atrito, mesmo em poços com uma inclinação mínima. A combinação deste efeito com a flambagem helicoidal em cenários de produção representa a forma mais crítica do atrito, podendo impactar de maneira substancial os esforços axiais em comparação com análises sem o atrito. No caso do poço injetor horizontal, a influência do atrito devido ao peso se torna relevante, e durante a operação de shut-in, nota-se um aumento na compressão a ser suportada pela coluna. A principal contribuição deste trabalho é o aprimoramento de uma modelagem numérica para cálculo de esforços axiais considerando, além da temperatura, do peso próprio e do efeito balão, o atrito e diferentes modos de flambagem em COP/COI de poços direcionais.
Abstract: This work proposes the numerical modeling of tubing strings in oil wells subjected to operational loadings to determine the contribution of friction to axial forces. Tubing strings undergo different combinations of forces throughout their lifespan related to thermal variations, pressures, self weight, buckling, and friction. The accurate prediction of these forces and the sizing of the column are essential to ensure well safety without the need for workover and to maintain the integrity of one of the first elements of the well barrier system. Friction forces, impacting axial forces, are generated when buckling of the tubing occurs due to the formation of contact regions between the string and the casing. In directional wells, the weight and trajectory of the tubing naturally generate friction forces along the casing. Due to the variety of operational loadings, a general solution to the buckling-induced friction problem requires numerical solutions. In the literature, there are models that assess only the friction from buckling or from weight and trajectory, while others even propose a combined analysis of these friction sources, but only for specific cases and without evaluating the loading history. In this direction, a model with all these criteria allows for a more realistic friction analysis. The adopted methodology is divided into five macro steps to achieve the proposed objective: i) studies on tubing strings and operational loadings; ii) studies on friction models and aspects of buckling in tubular structures; iii) computational modeling of buckling-induced friction in the tubing of vertical wells; iv) incorporation of new effects into buckling-induced friction modeling; v) case studies. Based on the conducted case studies, the inclusion of friction through the capstan effect results in a noticeable increase in friction forces, even in wells with minimal inclination. Combining this effect with helical buckling in production scenarios represents the most critical form of friction, potentially substantially impacting axial forces compared to analyses without friction. In the case of the investigated horizontal injection well, the influence of friction due to weight becomes particularly relevant, and during the evaluation of shut-in operation, an increase in compression to be supported by the column is observed. The main contribution of this work is the improvement of numerical modeling for the calculation of axial forces, considering, in addition to temperature, self-weight, and the balloon effect, friction, and different buckling modes in the tubing of directional wells.
Palavras-chave: Poços de petróleo
Colunas de produção e injeção
Flambagem (Mecânica)
Atrito
Esforços axiais e carregamentos operacionais
Tubing strings
buckling
friction
axial forces and operational loads
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Citação: RODRIGUES, Otávio Bruno de Araújo. Contribuição do atrito nos esforços axiais de colunas de produção e injeção em poços de petróleo submetidos a carregamentos operacionais. 2024. 130 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/14413
Data do documento: 26-jan-2024
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