[en] NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF LASER-BASED PERFORATION IN CARBONATE ROCKS

Autor: DARIO PRADA PARRA
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2018
Předmět:
Druh dokumentu: TEXTO
DOI: 10.17771/PUCRio.acad.33675
Popis: [pt] Atualmente, os lasers de alta potência estão sendo testados pela indústria de petróleo como ferramentas de perfuração. Isto ocorre visando dois objetivos fundamentais: (i) aumentar a eficiência na perfuração de poços (maior taxa de penetração) e (ii) melhorar o controle da geometria do corte de revestimento no processo de canhoneio de poço. Este trabalho tem como objetivo contribuir para a tecnologia de canhoneio a laser em rochas carbonáticas através do desenvolvimento de técnicas para aumentar o volume de rocha removida por unidade de tempo. Estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas quando um laser é utilizado como ferramenta de perfuração no processo de canhoneio. Este conhecimento, obtido através de experimentos e simulações, forneceu dados para a otimização dos parâmetros de perfuração. Foram investigadas as condições de perfuração estática (não há movimentação do feixe do laser) e dinâmica (o feixe do laser percorre uma trajetória espiral). Além disso, foram investigados os resultados da perfuração sob pressão atmosférica e também utilizando uma câmara de pressão projetada para emular a pressão confinante do reservatório. Foram realizados testes experimentais de perfuração a laser com corpos de prova feitos a partir da rocha Bege Bahia. O Bege Bahia é um afloramento utilizado para simular as rochas encontradas nos reservatórios do Pré-sal. A análise destes corpos de prova foi feita através de inspeção e da caracterização por microtomografia, permitindo observar e caracterizar as propriedades da rocha, além da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Estes resultados foram comparados com resultados obtidos através de simulações. Na modelagem numérica, o processo de canhoneio foi simulado pelo método de elementos finitos através de um modelo termomecânico elástico transiente axissimétrico que verificou as condições de perfuração. O modelo numérico permitiu observar o comportamento das tensões e temperaturas nos testes que envolvem altas temperaturas e altas pressões. Estas grandezas são usualmente difíceis de serem medidas em ensaios experimentais e, portanto, não foram observadas nos ensaios experimentais discutidos nesta tese. Também foram obtidos através da modelagem numérica valores para propriedades da rocha e da zona termicamente afetada (ZTA), características geométricas do furo, e valores da energia específica da perfuração. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados dos ensaios experimentais. Os resultados obtidos mostraram que a condição de perfuração dinâmica consegue remover uma quantidade maior de material e produzir uma ZTA maior em Comparação com o teste estático, gerando uma melhor relação tempo x potência. Os testes estáticos e dinâmicos permitiram se chegar às condições de canhoneio mais eficientes para a perfuração da rocha. A análise de tensões do modelo mostrou uma correlação compatível com o perfil do dano encontrado nos ensaios experimentais.
[en] Currently, the petroleum industry is testing high power lasers as drilling tools. The use of these lasers for this application has two main reasons: (i) to increase the efficiency of well drilling (higher penetration rate) and (ii) to improve the control of the geometry of the hole in the casing during the perforation process of the well. The present thesis has the purpose of contributing to the laser perforation technology in carbonate rocks by developing techniques to increase the volume of rock removed by unit of time. The thermo-mechanical behavior of the carbonate rocks was studied when a laser is used as the drilling tool in the perforation process. This knowledge, obtained through experiments and simulations, supplied data for the optimization of the drilling parameters. Both static (the laser beam does not move) and dynamic (the laser beam moves in a spiral trajectory) drilling conditions were investigated. Also investigated were drilling conditions under atmospheric pressure and under high pressure, where a pressure chamber designed to emulate pressure conditions of reservoirs was used. Experimental tests were performed by laser drilling samples made of Bege Bahia rock. This rock is used to simulate rocks found in pre-salt reservoirs. The analysis of these samples was performed through inspection and microtomography characterization, allowing the observation of properties of the rocks and of the heat affected zone (HAZ), geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. These results were compared to the results obtained by simulations. In the numerical modeling, the perforation process was simulated with the finite element method through a transient axisymmetric thermo-mechanical elastic model that verified the drilling conditions. The numerical model allowed the observation of the behavior of the tensions and temperatures in tests involving high temperatures and pressures. These properties are usually difficult to measure in experimental tests and, therefore, were not measured during the experimental tests discussed in this thesis. Also obtained by numeric modeling were: properties of the rock and of the HAZ, geometric characteristics of the hole, and values of the drilling specific energy. The numeric results obtained were compared to the experimental results. The results obtained showed that the dynamic drilling condition is able to remove a larger amount of material and produce a larger HAZ, compared to the static condition, thus generating a better time x power relation. The static and dynamic tests allowed reaching more efficient conditions for rock drilling. The analysis of the tension of the model showed a compatible correlation with the damage profile found in the experimental tests.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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