SOLIDS TRANSPORT IN LAMINAR FLOW

• Main Author: TALITA COFFLER BOTTI
• Other Authors: MARCIO DA SILVEIRA CARVALHO
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2014
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24700@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24700@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA === Após a década de 80 tornou-se frequente a utilização de poços direcionais, tanto poços horizontais quanto os de longo alcance, nas operações de desenvolvimentos de campos petrolíferos, os quais permitiram grande avanço na exploração. Este cenário, porém, traz grandes desafios para operações de perfuração relacionadas à limpeza de poços. A limpeza de poços consiste na remoção dos cascalhos de dentro do anular do poço através da circulação do fluido de perfuração. Devido à inclinação do poço, os cascalhos sofrem a ação da gravidade sendo empurrados para o fundo do canal, já que possuem densidade maior que a da fase líquida, assim, transportados a uma velocidade menor que a velocidade do escoamento. Ao se depositarem no fundo do canal, formam um leito estacionário, obstruindo parte do anular e diminuindo a vazão, o que gera problemas, como por exemplo, redução da taxa de penetração, desgaste prematuro da broca, elevação do torque e arraste, aprisionamento da coluna, perda de circulação, dentre outros, podendo gerar a perda do poço. Desta forma, o perfeito entendimento do processo de sedimentação e transporte de partículas sólidas suspensas em fluido é fundamental para a otimização do processo de perfuração de poços. Este trabalho analisa o escoamento laminar bidimensional de suspensões de partículas sólidas devido a um gradiente de pressão entre duas placas paralelas, representando uma descrição simplificada do escoamento que ocorre em um anular de poço durante o processo de perfuração. O perfil do leito de partículas ao longo do canal e a relação vazão-diferença de pressão para diferentes condições de escoamento são determinados pela solução numérica das equações que descrevem o problema. A formulação matemática leva a um sistema acoplado de três equações diferenciais: conservação de massa e de quantidade de movimento e a equação de transporte, que engloba os efeitos de difusão de partículas devido à frequência de interação entre as partículas, ao gradiente de viscosidade e à diferença de densidade entre o líquido e as partículas. O sistema é resolvido pela técnica de Elementos Finitos, através do método de Galerkin. Os resultados obtidos serão de extrema importância no desenvolvimento de modelos mais precisos que descrevam o processo de transporte de sólidos em anulares de poços. === After the 80 s, the use of directional wells, both horizontal and long range wells, became frequent in the development of oil fields, which allowed great progress in exploration. This scenario, however, brings great challenges to operations related to wellbore cleaning. Wellbore cleaning consists in the removal of cuttings from within the annular through the circulation of drilling fluid. Due to the inclination of the well, the cuttings undergo the action of gravity and more to the bottom of the channel, as they have higher density than the liquid phase. They may be transported with a speed less than the speed of the liquid flow. When deposited on the channel, the cuttings form a stationary bed, blocking part of the annular and decreasing the flow rate that causes problems, such as reducing the rate of penetration, premature wear of the bit, high torque and drag, trapping column, loss of circulation and others, which may cause the loss of the well. Therefore, the fundamental understanding of particle sedimentation and transport in a suspending flowing liquid is necessary for drilling operation design and optimization. This research studies the laminar two-dimensional flow of solid particles suspended in a liquid due to a pressure gradient between two parallel plates, representing a simplified description of the flow that occurs in an annular during the drilling process. The profile of the particle bed along the channel and the flow rate pressure difference relationship for different flow conditions are determined. The mathematical formulation leads to a coupled system of three differential equations: mass and momentum conservation and transport equation, which includes the effects of particle diffusion due to the frequency of interaction between the particles, the gradient of viscosity and the difference density between the liquid and the particles. The system is solved by the finite element method Galerkin. The results will be of extreme importance in the development of more accurate models that describe the solids transport process in annular space.