Título
ANÁLISE TORCIONAL DE UMA COLUNA DE PERFURAÇÃO
Orientador(a)
Orientador: Prof. Dr. Lucas Lisbôa Vignoli
Resumo
A indústria de petróleo e gás precisa superar desafios diários para entregar um produto de alta qualidade, ao mesmo tempo em que a segurança e confiabilidade são chave para todo o processo de exploração e produção. Na perfuração de poços de petróleo, vibrações torcionais indesejáveis estão frequentemente presentes devido à interação entre a formação rochosa e a broca. Stick-slip é um estado severo de vibração torcional, este é uma das principais causas de baixa eficiência de perfuração e falhas de fundo de poço, o que aumentam os custos operacionais e o tempo gasto no processo. Como resultado deste fenômeno, a broca se torna estacionária por um período, causando grandes flutuações na velocidade angular, o que pode causar falha por fadiga na coluna de perfuração. Desta forma, este trabalho apresenta um modelo dinâmico da coluna de perfuração, a fim de avaliar as oscilações causadas pelo stickslip em diferentes condições de operação. Neste modelo, uma longa coluna rotativa representa a coluna de perfuração, que é submetida a uma velocidade angular constante na extremidade superior pelo sistema de rotação. Ao mesmo tempo, uma interação não-linear entre a rocha e a broca é incluída na extremidade inferior. O método de Runge-Kutta de quarta ordem é aplicado para obter a solução numérica da equação diferencial de movimento. Os resultados mostram que a velocidade de rotação e o peso na broca são parâmetros chave para o fenômeno stick-slip. Este é mais provável de acontecer em baixos valores de velocidade angular do sistema de rotação e altos valores de peso na broca. As tensões ao longo do processo são calculadas a fim de determinar o número de ciclos até a falha por fadiga, assim como o tempo de operação. Os resultados apresentados indicam que o peso sobre a broca possui uma maior influência no número de ciclos e tempo de operação até a falha em relação a velocidade angular do sistema de rotação.
Abstract
The oil and gas industry has to overcome daily challenges in order to deliver a highquality product, while providing safety and reliability throughout the whole process of exploration and production. In regards to drilling oil wells, undesirable torsional vibration issues are present in most processes due to the interaction between the rock formation and the bit. Stick-slip is a severe state of torsional vibration, it is one of the main causes of low drilling efficiency and downhole tool failure, increasing the drilling operations costs and time. As a result of this phenomenon, the bit becomes stationary for a period, causing large fluctuations of the angular velocity, which may cause fatigue failure of the drill-string. For this reason, this paper presents a dynamical model of the drill-string, in order to evaluate the stick-slip oscillations under different operating conditions. In this model, a long rotating column represents the drill-string, which is subjected to a constant angular velocity at the top part by the rotary system. At the same time, a nonlinear interaction between the rock and the bit is modeled at the bottom. The forth order Runge-Kutta method is applied in order to obtain the numerical solution of the differential equation of motion. The results show that the rotational speed and the weight on bit are key parameters for the stick-slip phenomenon. Stickslip is most likely to happen for low values of angular velocity of the rotary system and high values of weight on bit. The stresses throughout the process are calculated in order to determine the number of cycles and operating time until failure. The results indicate that the weight on the bit has a greater influence on the number of cycles and operating time until failure compared to the angular velocity of the rotary system.
