Publicação: Dinâmica e controle de vibração e energia mecânica específica em perfuração de poços para acesso a recursos naturais energéticos: uma nova metodologia baseada em mitigação de stick-slip, matrizes de decisão e eficiência operacional
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Data
2025-01-07
Autores
Orientador
Nascimento, Andreas 
Coorientador
Mantegazini, Diunay Zuliani
Pós-graduação
Engenharia - FEG
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso restrito
Resumo
Resumo (português)
A eficiência energética envolve a otimização do uso de energia para alcançar resultados com menor desperdício promovendo a sustentabilidade. Essa prática, garante um uso racional da energia e uma melhor utilização dos recursos naturais. Por isso, a exploração e explotação de recursos naturais energéticos, como geotermia, gás natural, petróleo, hidrogênio natural, entre outros, envolvem atividades de perfuração. Nesse sentido, pesquisas que visam a otimização de parâmetros de perfuração de poços são relevantes e, hoje, na literatura, têm sido abordadas, frequentemente, como estudo de caso em poços de grande profundidade, exemplificando, os reservatórios do Pré-sal no Brasil. Assim, durante o processo de perfuração, os equipamentos estão suscetíveis a choques e vibrações severas, que podem comprometer a vida útil da coluna de perfuração e dos equipamentos de fundo de poço. Sendo assim, esta pesquisa foca na minimização das vibrações torcionais (na forma de stick-slip) e da energia mecânica específica (MSE) durante o processo de perfuração. Como estudo de caso, foram utilizados dados de atividades reais em reservatórios carbonáticos, além de parâmetros mecânicos como vazão (FLOW), rotação da coluna de perfuração (RPM) e peso sobre a broca (WOB), por meio de matrizes de decisão. Nesta pesquisa, dois estudos foram desenvolvidos para obter um melhor entendimento da eficiência energética e do comportamento da vibração torcional (stick-slip). Para isso, foi realizada uma análise comparativa sistemática entre a MSE e a eficiência mecânica, criou-se um modelamento representativo de um sistema dinâmico com 4 graus de liberdade. Também foram realizadas análises de 50 poços do Pré-sal brasileiro (obtidos via ANP/BDEP) e de 24 poços localizados no Campo Volve – Mar do Norte (Noruega), dos quais, alguns específicos foram utilizados para substanciar as matrizes de decisão propostas. Modelos para a STICKRATIO e a MSE foram criados e implementados, sendo que a otimização desses modelos se realizou pelo método do gradiente reduzido generalizado (GRG). Como etapa subsequente, aplicou-se a nova metodologia de minimização da STICKRATIO e MSE via matrizes de decisão, a qual, com a adição do parâmetro FLOW, mostrou-se bastante pertinente e coerente. Verificou-se que as regiões que apresentaram desejabilidade excelente foram aquelas com rotação acima de 120 [rev/min], WOB variando entre 5 e 13 [tf] e FLOW acima de 2.300 [l/min]. Logo, foi constatado que as condições operacionais para minimização tendem a combinar altos valores de RPM e FLOW, resultando em vibração torcional abaixo de 20 [%]. Desta forma, a pesquisa fornece contribuições relevantes através da introdução de uma nova metodologia, além de indicar a importância da verificação cuidadosa de um novo parâmetro mecânico no contexto (vazão), que pode ser utilizado em tempo real durante as atividades de perfuração, garantindo uma operação otimizada e redução de riscos, demonstrando ser uma inovação tecnológica viável nesta área.
Resumo (inglês)
Energy efficiency involves optimizing the use of energy to achieve results with minimal waste, promoting sustainability. This practice ensures the rational use of energy and better utilization of natural resources. As a result, the exploration and exploitation of natural energy resources, such as geothermal energy, natural gas, oil, natural hydrogen, among others, involve drilling activities. In this context, research aimed at optimizing drilling parameters is relevant and is often discussed in the literature today as case studies in deep wells, exemplified by the Pre-salt reservoirs in Brazil. Thus, during the drilling process, equipment is susceptible to severe shocks and vibrations, which can compromise the lifespan of the drill string and bottom hole equipment. Consequently, this research focuses on minimizing torsional vibrations (in the form of stick-slip) and mechanical specific energy (MSE) during the drilling process. As a case study, real activity data from carbonate reservoirs were used, along with mechanical parameters such as flow rate (FLOW), drill string rotation (RPM), and weight on bit (WOB), through decision matrices. In this research, two studies were developed to better understand energy efficiency and torsional vibration behavior (stick-slip). For this purpose, a systematic comparative analysis between MSE and mechanical efficiency was conducted, and a representative modeling of a dynamic system with 4 degrees of freedom was created. Additionally, analyses of 50 wells from the Brazilian Pre-salt (obtained via ANP/BDEP) and 24 wells located in the Volve Field – North Sea (Norway) were carried out, of which some specific ones were used to substantiate the proposed decision matrices. Models for the STICKRATIO and MSE were created and implemented, with the optimization of these models conducted using the generalized reduced gradient (GRG) method. As a subsequent step, the new methodology for minimizing the STICKRATIO and MSE via decision matrices was applied, which, with the addition of the FLOW parameter, proved to be quite pertinent and coherent. It was found that regions with excellent desirability were those with a rotation above 120 [rev/min], WOB ranging between 5 and 13 [tf], and FLOW above 2.300 [l/min]. It was thus observed that the operational conditions for minimization tend to combine high values of RPM and FLOW, resulting in torsional vibration below 20 [%]. In this way, the research provided relevant contributions by introducing a new methodology, as well as highlighting the importance of careful verification of a new mechanical parameter in the context (flow rate), which can be used in real-time during drilling activities, ensuring optimized operation and risk reduction, demonstrating to be a viable technological innovation in this area.
Descrição
Idioma
Português
Como citar
BARBOZA, Thales Rodrigues. Dinâmica e controle de vibração e energia mecânica específica em perfuração de poços para acesso a recursos naturais energéticos: uma nova metodologia baseada em mitigação de stick-slip, matrizes de decisão e eficiência operacional. Orientador: Andreas Nascimento; Diunay Zuliani Mantegazinı. 2025. 188f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia e Ciências, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2025.
