Leonardo Ramalho Machado Flambagem helicoidal em poços ... ?· Flambagem helicoidal em poços verticais…

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  • Leonardo Ramalho Machado

    Flambagem helicoidal em poos verticais nos trechos de

    revestimentos de superfcie livre

    Dissertao de Mestrado

    Dissertao apresentada como requisito parcial para obteno do grau de Mestre pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio.

    Orientador: Prof. Arthur Martins Barbosa Braga

    Rio de Janeiro

    Abril de 2016

    DBDPUC-Rio - Certificao Digital N 1321763/CA

  • Leonardo Ramalho Machado

    Flambagem helicoidal em poos verticais nos trechos de

    revestimentos de superfcie livre

    Dissertao apresentada como requisito parcial para obteno do grau de Mestre pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio. Aprovada pela Comisso Examinadora abaixo assinada.

    Prof. Arthur Martins Barbosa Braga Orientador

    Departamento de Engenharia Mecnica - PUC-Rio

    Prof. Joo Carlos Ribeiro Plcido Departamento de Engenharia Mecnica - PUC-Rio

    Dr. Jacques Braile Salis Petrleo Brasileiro

    Dr. Luiz Alberto Santos Rocha Petrleo Brasileiro

    Prof. Mrcio da Silveira Carvalho Coordenador Setorial do Centro Tcnico Cientfico - PUC-Rio

    Rio de Janeiro, 15 de abril de 2016

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  • Todos os direitos reservados. proibida a reproduo total ou parcial do trabalho sem autorizao da universidade, do autor e do orientador.

    Leonardo Ramalho Machado

    Graduado em Engenharia de Metalrgica no Instituto Militar de Engenharia (IME - Rio de Janeiro, Brasil) em 2006. Atualmente trabalha no setor de P&D em Engenharia de Poo - Perfurao e Completao de Poos da Petrobras no Centro de Pesquisas Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Amrico Miguez de Mello - CENPES.

    Ficha Catalogrfica

    Machado, Leonardo Ramalho Flambagem helicoidal em poos verticais nos trechos de revestimentos de superfcie livre / Leonardo Ramalho Machado; orientador: Arthur Martins Barbosa Braga. | Rio de Janeiro : PUCRio, Departamento de Engenharia Mecnica, 2016. v., 158 f: il. ; 30 cm Dissertao (mestrado) Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecnica, 2016. Inclui bibliografia. 1. Engenharia Mecnica Dissertao. 2. poos verticais. 3. flambagem helicoidal. 4. elementos finitos. 5. revestimento de superfcie livre. I. Braga, A.M.B.. II. Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecnica. III. Ttulo.

    CDD: 621

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  • Agradecimentos

    A minha esposa Patricia pelo amor, carinho e pacincia demonstrados nesses anos

    que compartilhamos juntos.

    Aos meus filhos pequeninos que me motivam a lhes servir de bom exemplo.

    Aos meus pais pelo amor e educao.

    Ao meu orientador pela pacincia e partilha de conhecimento.

    Ao meu co-orientador e colega de trabalho pela pacincia e partilha de

    conhecimento.

    A Petrobras pela oportunidade de acumular conhecimento e po-lo em pratica no

    meu dia-a-dia.

    A Maria mae de Deus e minha me pelas oracoes e cuidado para que eu vencesse

    esse desafio.

    A Jesus, meu Deus, que muitas vezes negligenciado, ainda assim me acolhe de

    braos abertos apos mais uma dura jornada.

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  • Resumo

    Machado, Leonardo Ramalho; Braga, Arthur Martins. Flambagem helicoidal em poos verticais nos trechos de revestimentos de superfcie livre. Rio de Janeiro, 2016. 158p. Dissertao de Mestrado - Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

    Com o advento dos campos do Pr-sal brasileiro, a indstria nacional de

    leo e gs se concentra cada vez mais em vencer os desafios impostos na

    explotao desses novos reservatrios. A construo de poos nesse cenrio passa

    por uma srie de dificuldades que tem sido sistematicamente vencidas ao longo do

    tempo, de forma que o tempo de contruo dos poos passa por intenso processo

    de reduo. A estimativa que o tempo atual de construo dos poos foi

    reduzido pela metade desde que foram perfurados os primeiros poos e o prximo

    desafio da Petrobras possibilitar que haja reduo de tempo drstica na mesma

    proporo at o ano de 2020. Isso ser possvel apenas se novas tcnicas forem

    desenvolvidas, pois acredita-se que os poos estejam sendo construdos prximo

    do limite de otimizao das tcnicas existentes at o momento. Os revestimentos

    de superfcie necessitam ser assentados no topo da formao de sal, o que

    demanda comprimentos da ordem de 1000 m ou mais. Infelizmente, por questes

    de volumetria operacional do bombeio de cimento e resistncia fratura das

    camadas de solo iniciais, no h retorno de cimentao na fase de superfcie para

    o leito marinho. Esse fato leva ao aparecimento de comprimentos livres desses

    revestimentos com cerca de 500 m. Como o revestimento condutor perfurado e

    cimentado, as resitncias de fundao do poo so suficientes para suportar as

    cargas axiais oriundas da instalao dos revestimentos e equipamentos submarinos

    instalados no poo, uma vez que essas so descarregadas no sistema condutor-

    solo. O tempo de construo de poos pode ser reduzido sistematicamente em

    cerca de 2 dias caso se utilizem as tcnicas de base-torpedo ou jateamento para

    assentamento do condutor. No entanto, a resistncia do sistema condutor-solo

    insuficiente para suportar as cargas axiais instaladas no poo. Isso significa que o

    revestimento de superfcie passa tambm a suportar as cargas axiais do poo, o

    que pode levar o mesmo a flambar de forma helicoidal com consequente aumento

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  • nos nveis de tenso e deslocamentos indesejveis. A formulao analtica

    disponvel para o clculo desses parmetros deve ser posta prova para que haja

    segurana nos projetos que levem em conta incios de poos alternativos, que

    embora mais econmicos, devem ainda possuir elevada confiana na integridade

    estrutural. O presente trabalho se dedicou a desenvolver de forma clara um

    procedimento numrico robusto utilizando FEA em software comercial, o Abaqus,

    para avaliar os efeitos de elevadas cargas axiais sobre o trecho livre do

    revestimento de superfcie e avaliar as consequncias da sempre inevitvel

    flambagem. O objetivo final alcanado, uma vez que as anlises numricas e

    uma superposio de formulaes analticas de simples utilizao demonstram

    uma boa aderncia entre si. Alm disso, constatada uma ntida tendncia linear

    entre o fator de atrito e o deslocamento do SCPS. Tal tendncia pode ser

    explorada em trabalhos futuros para incorporao nas formulaes analticas deste

    parmetro invariavelmente negligenciado no equacionamento das mesmas.

    Palavras-chave Poos Verticais; Flambagem Helicoidal; Elementos Finitos; Revestimento

    de Superfcie Livres.

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  • Abstract

    Machado, Leonardo Ramalho; Braga, Arthur Martins. (Advisor) Helical Buckling in vertical wells in surface free casings. Rio de Janeiro, 2016. 158p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

    With the advent of the Brazilian Pre-salt oil fields, the national oil and gas

    industry focuses increasingly on winning the challenges in the exploitation of

    these new reservoirs. The well construction in this scenario involves a number of

    difficulties wich have been overcome consistently over time, so that it undergoes

    intense time reduction. The estimate is that the current time of well construction

    has been reduced by half since the first drilled wells and the next challenge

    Petrobras is willing to make is a drastic time reduction at this same rate until the

    year 2020. This will be possible only if new techniques are developed, as it is

    believed that the wells are being constructed near the limits of optimization of the

    current techniques. Surface casings need to be seated on the top of salt formation,

    which requires lengths on the order of 1000 m or more. Unfortunately, due to

    operating volumes related to the cement pumping volume capacity and fracture

    resistance of the initial soil layers, there is no return of cement to the mudline.

    This fact leads to free lengths of these casings with about 500 m. As the conductor

    casing is drilled and cemented, the well foundation resistances are sufficient to

    withstand the axial loads originated from the installation of additional casings and

    subsea equipment, since these are discharged into the conductor-soil system. The

    well construction time can be reduced systematically by about 2 days if using

    torpedo base or jetting techniques to seat the conductor. However, both soil-

    resistance systems are insufficient to withstand axial loads installed in the well.

    This means that the surface casing also starts to bear axial loads of the well, which

    can lead to its helical buckling with a consequent increase in stress levels and

    undesirable displacements. The analytical formulation available for the calculation

    of these parameters should be put tho the test so safety can be taken into account

    for alternative well's foundation designs, which although more economical, should

    still have high reliability in the structural integrity. This work is dedicated to

    develop a robust numerical procedure using FEA in a commercial software,

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  • Abaqus, to evaluate th