Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (RIUFAL) 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: Análise termo-poroelástica da integridade estrutural de bainhas de cimento em poços de petróleo
Autor(es): Lins, Gleide Karolayne Melo
Primeiro Orientador: Lira, William Wagner Matos
metadata.dc.contributor.referee1: Lima Junior, Eduardo Toledo de
metadata.dc.contributor.referee2: Santos, João Paulo Lima
metadata.dc.contributor.referee3: Gouveia, Lucas Pereira de
metadata.dc.contributor.referee4: Silva, Emílio César Cavalcante Melo da
Resumo: Este trabalho investiga a influência da consideração do comportamento poroso da bainha de cimento e da formação rochosa adjacente na distribuição de tensões no sistema revestimento–cimento–formação, bem como na integridade estrutural da própria bainha de cimento. Responsável por garantir o assentamento do revestimento à formação e a vedação hidráulica entre zonas permeáveis, a bainha de cimento desempenha um papel essencial na manutenção da integridade estrutural de poços de petróleo, atuando como uma das principais barreiras de segurança ao longo do ciclo de vida do poço. Para garantir seu desempenho ao longo do ciclo de vida do poço, é indispensável um dimensionamento mecânico adequado. Tradicionalmente, modelos termoelásticos têm sido amplamente utilizados para o dimensionamento da bainha de cimento. Contudo, estudos recentes indicam que o comportamento poroso do cimento pode afetar de forma significativa sua resposta mecânica, especialmente em condições térmicas variáveis. Para investigar essa influência, este estudo propõe uma metodologia estruturada em cinco etapas: (i) formulação do modelo matemático do problema; (ii) obtenção das soluções analítica termoelástica e termo-poroelástica; (iii) avaliação da integridade estrutural da bainha de cimento por meio de critérios de resistência; (iv) comparação entre os resultados fornecidos por cada abordagem; e (v) modelagem numérica e verificação dos resultados baseada nas soluções analíticas. Os resultados indicam que a abordagem termo-poroelástica representa de forma mais realista o estado de tensões na bainha de cimento. Embora, na maioria dos casos analisados, a abordagem termoelástica apresente tensões efetivas mais elevadas, a análise termo-poroelástica fornece uma avaliação mais conservadora da integridade estrutural da bainha. A comparação entre os resultados numéricos e analíticos apresenta excelente concordância, com erros relativos inferiores a 2% na maior parte dos pontos analisados. Embora simplificada, a modelagem numérica adotada demonstra-se eficaz, permitindo sua extensão para estudos mais sofisticados e de difícil representação analítica. Assim, o trabalho contribui com subsídios técnicos relevantes para o dimensionamento da bainha de cimento, apoiando o aprimoramento das práticas de projeto na indústria de petróleo e gás. Os resultados aqui apresentados fornecem base sólida para investigações futuras envolvendo geometrias irregulares, materiais com comportamentos não lineares e carregamentos não uniformes.
Abstract: This work investigates the influence of considering the porous behavior of the cement sheath and the adjacent rock formation on the stress distribution within the casing–cement–formation system, as well as on the structural integrity of the cement sheath itself. Responsible for anchoring the casing to the formation and ensuring hydraulic isolation between permeable zones, the cement sheath plays a crucial role in maintaining the structural integrity of oil wells, acting as one of the main safety barriers throughout the well’s lifecycle. To ensure its performance, proper mechanical design is essential. Traditionally, thermoelastic models have been widely used for cement sheath design. However, recent studies suggest that the porous nature of cement can significantly affect its mechanical response, especially under varying thermal conditions. To investigate this effect, the present study proposes a methodology structured in five steps: (i) mathematical modeling of the problem; (ii) derivation of analytical thermoelastic and thermo-poroelastic solutions; (iii) assessment of cement sheath integrity based on failure criteria; (iv) comparison of results from each approach; and (v) numerical modeling and validation against the analytical solutions. The results show that the thermoporoelastic approach more realistically captures the stress state within the cement sheath. Although the thermoelastic approach generally results in higher effective stresses, the thermoporoelastic analysis provides a more conservative evaluation of structural integrity. Numerical and analytical results show excellent agreement, with relative errors below 2% in most evaluated points. Despite its simplified configuration, the numerical model proves effective and can be extended to more complex scenarios where analytical solutions are not feasible. Therefore, this study offers relevant technical insights for cement sheath design, supporting the improvement of engineering practices in the oil and gas industry. The findings presented here establish a solid foundation for future research involving irregular geometries, nonlinear material behavior, and non-uniform loading conditions.
Palavras-chave: bainha de cimento;
integridade estrutural
termo-poroelasticidade
modelagem numérica
cement sheath
structural integrity
thermo-poroelasticity
numerical modeling
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: LINS, Gleide Karolayne Melo. Análise termo-poroelástica da integridade estrutural de bainhas de cimento em poços de petróleo. 2026. 129 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://www.repositorio.ufal.br/handle/123456789/18811
Data do documento: 29-abr-2025
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