[pt] DESLOCAMENTO DE FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS COMPRESSÍVEIS EM ESPAÇOS ANULARES APLICADOS A CIMENTAÇÃO DE POÇOS

[en] DISPLACEMENT FLOW OF COMPRESSIBLE NON-NEWTONIAN FLUIDS IN ANNULAR GEOMETRIES FOR WELL CEMENTING APPLICATIONS

[pt] RAFAEL PERALTA MUNIZ MOREIRA

[pt] ANALISE NUMERICA

[pt] FLUIDOS ESPUMADOS

[pt] SIMULACAO EM FLUIDOS COMPLEXOS

[pt] CFD

[pt] FLUIDOS NAO-NEWTONIANOS

[pt] CIMENTACAO DE POCOS

[pt] REOLOGIA

[en] NUMERICAL ANALYSIS

[en] FOAMED FLUIDS

[en] COMPLEX FLUIDS SIMULATIONS

[en] CFD

[en] NON-NEWTONIAN FLUIDS

[en] WELL CEMENTING

[en] RHEOLOGY

[pt] Esta dissertação investiga escoamentos multifásicos de deslocamento de fluidos em geometrias anulares envolvidas em operações de cimentação de poços com fluidos espumados. A cimentação desempenha um papel relevante na integridade de poços e algumas aplicações requerem pastas leves com alta resistência à compressão, e o cimento espumado atende a este propósito. Para modelar adequadamente a complexidade do escoamento - que compreende comportamento não-newtoniano e elevada compressibilidade - um modelo tridimensional de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foi desenvolvido a partir do código aberto OpenFOAM. As equações de conservação da massa, momento e fases são solucionadas em uma geometria anular, considerando o efeito da pressão na densidade e na reologia dos fluidos, e o método Volume of Fluid (VoF) foi usado para capturar a interface entre fluidos. Os modelos foram validados com soluções exatas para escoamento monofásico axissimétrico com fluidos incompressíveis e compressíveis, e com modelos constitutivos newtonianos e não-newtonianos. Além disso, simulações multifásicas estimaram a eficiência de deslocamento do fluido de perfuração pela pasta de cimento em diferentes condições – constraste de densidade e de viscosidade, ecentricidade e vazões de bombeio – e com diferentes correlações para a reologia dos fluidos espumados. Finalmente, simulações de deslocamento com fluidos com densidade e reologia constante (não-espumados) foram utilizadas para comparação. Os resultados indicam que a eficiência no deslocamento com a técnica de cimentação espumada é superior em condições similares e ilustra que as pastas espumadas são menos suceptíveis a gerarem falhas quanto condições desafiadoras estão presentes.

[en] This master dissertation investigates multiphase displacement flow in annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and some applications require combining a low-density cement slurry with high compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology, and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast, eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less sensitive to impairment when challenging conditions are present.

MONICA FEIJO NACCACHE

MONICA FEIJO NACCACHE

PRISCILLA RIBEIRO VARGES

ANDRE LEIBSOHN MARTINS

2024-01-04

2023-10-20

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INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=65821@1

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.65821