Pesquisas experimentais sobre limpeza de poço

A Tabela 1 apresenta algumas pesquisas experimentais de limpeza poço realizadas até o ano 2000. A tabela indica que a vazão, densidade e reologia do fluido, a inclinação, excentricidade e a rotação da coluna de perfuração, a taxa de penetração (ROP) e o tamanho de partícula, bem como a interação destes fatores possuem certo efeito sobre o transporte de cascalhos.

Autores Variável Principal Fator Adicional Conclusões

Li et. al. (1999) Vazão do Fluido - A capacidade de carreamento aumenta drasticamente para vazão maior

do que a velocidade crítica de transporte cascalhos

Okrajni et. al. (1986) -Padrão de Fluxo

Para escoamento laminar, a relação entre o ponto de deformação (Yield Point – YP) e a viscosidade plástica deveria ser tão elevada quanto possível para melhorar a eficiência de limpeza do poço. O transporte de cascalhos não foi afetado pela reologia fluido em escoamento turbulento

Tomrenet. al. (1986) - Os fluidos com maior viscosidade apresentam melhores taxa de transporte

de cascalhos para um regime laminar de escoamento

Li et. al. (1999) -Inclinação

A limpeza de poço é mais eficiente com fluidos com baixa viscosidade em escoamento turbulento para um poço horizontal ou com um fluido de alta viscosidade em escoamento laminar para um poço vertical

Peden et. al. (1990) - Poços com ângulos entre 40 e 60 graus são os piores para transporte de

cascalho

Okrajni et. al. (1986) - Cascalhos são difíceis de serem transportados em poços com inclinação de

45 - 55 graus

Brown et. al. (1989) - A pior taxa de limpeza geralmente ocorre com ângulos na região de 50 a

60 graus

Peden et. al. (1990)

-Viscosidade -Velocidade -Excentricidade -Tamanho do poço

A rotação da coluna tem um efeito significativo sobre a velocidade mínima de transporte (VMT) em fluidos de média ou alta viscosidade. A VMT foi reduzida na excentricidade +50%, mas não houveram efeitos visíveis da rotação da coluna na excentricidade -50%. Em anulares mais estreitos, uma boa limpeza do poço pode ser obtida

Sifferman et. al. (1992)

-Inclinação

-Tamanho de partícula -ROP

A rotação da coluna tem o maior efeito na limpeza de quase horizontal poço, para cascalhos com tamanhos menores e com baixa ROP

Sanchez et. al. (1999)

-Inclinação -Vazão

-Tipo de movimento

O movimento "orbital" da coluna pode eficientemente melhorar a limpeza do poço. Com ângulo de 90 graus e baixa vazão, altas rotações da coluna produzem os melhores resultados. Alta velocidade de rotação são melhores em menores inclinações

Saasen et. al. (1998) Diferencial de

Pressão -

A altura do leito de cascalhos é reduzida quando a perda de carga por fricção no circuito hidráulico é aumentada. Uma perda de pressão suficientemente alta no anular é necessária para obter adequada limpeza do poço, independentemente do tipo de fluido utilizado

Li et. al. (1999) ROP -

O aumento do ROP resulta no aumento da altura do leito para uma vazão fixa de fluido. Para uma dado ROP, um aumento na vazão do fluido resulta em uma menor altura de leito

Wang et. al. (1995) - O leito de cascalhos e a velocidade crítica de transporte reduzem com o

aumento da densidade

Belavadi et. al. (1994) -Vazão Aumento na vazão de fluidos com altas densidades, aumentavam

significativamente a taxa de transporte

Sifferman et. al. (1992) -Vazão

A velocidade anular e a densidade do fluido apresentam-se com as variáveis com maior influência sobre o transporte de cascalhos. Sendo que, para uma dada vazão, o leito de cascalhos diminuiu

consideravelmente com a utilização de fluidos com maiores densidades.

Bassal et. al. (1995) - Partículas menores são ligeiramente mais difíceis de carrear (estudo com 2-

7 mm)

Martins et. al. (1996) - Partículas maiores são sempre mais difíceis de transportar do partículas

menores (estudo com 2-6 mm)

Sanchez et. al. (1999) -Viscosidade

-Rotação

Em altas rotações e alta viscodade do fluido, as partículas menores são mais fáceis de transportar

Pedem et. al. (1990) -

Partículas menores são mais difíceis de transportar em qualquer ângulo de poço com baixa viscosidade do fluido. Enquanto partículas maiores são mais fáceis de transportar com ângulos menores (0 - 50 graus) com altas viscosidades (estudo com 1,7 - 3,35 mm)

Okrajni et. al. (1986) -

O transporte de sólidos é ligeiramente afetado pela excentricidade em baixos ângulos mas com o aumento da inclinação o efeito da excentricidade é mais pronunciado em escoamento laminar

Wang et. al. (1995) -

A concentração de cascalhos aumenta com a redução da excentricidade. A excentricidade da coluna provoca um aumento na velocidade crítica no anular Excentricidade da Coluna Reologia do Fluido Inclinação Rotação da Coluna Densidade do Fluido Tamanho de Partícula

Tabela 1 - Análise experimental dos principais parâmetros de limpeza de poço. Adaptado de Xiaofeng et al.

Como mostrado na Tabela 1, o efeito da reologia do fluido de perfuração, tamanho de partícula e rotação da coluna sobre o transporte de cascalhos pode ser dependente de outros fatores, o que leva à complexidade das observações, podendo existir conclusões diferentes entre diferentes autores.

Li et al. (2000) estudaram os efeitos de reologia do fluido e o tamanho das partículas sobre o transporte de cascalhos nas operações com Coiled Tubing (tubos flexíveis). Os experimentos foram realizados em um sistema de fluxo em loop que consistia de um tubo horizontal transparente de 20 pés de comprimento com um diâmetro interno de 5,0 polegadas. O estudo sobre a reologia do fluido indicou: 1) Nas seções horizontais, fluidos à base de polímeros Xanvis e HEC são mais eficazes do que a água, em termos de capacidade de carreamento, mas não podem erodir uma cama de cascalhos estacionária. 2) Para o poço vertical, a limpeza do poço é mais eficiente se um fluido de alta viscosidade é bombeado em um regime de fluxo laminar, em vez de um fluido de baixa viscosidade, em fluxo turbulento. 3) Polímero Xanvis com uma carga de sólidos 20lb/1000gal tem excelente capacidade de carreamento e é eficiente para limpeza de poços com até 60 graus de inclinação. Além disso, para a gama de tamanho de partículas testadas (0,15-7 mm), o tamanho médio de 0,76 mm representa a maior dificuldade para o transporte de sólidos com a água. A conclusão é consistente com Martins et al. (1996) com relação ao fluido à base de polímero Xanvis.

Duan et al. (2008) focaram seus estudos em uma faixa de tamanhos de partículas (0,45 mm - 3,3 mm) em uma unidade experimental com fluxo em loop de 8 polegadas de diâmetro e 100 pés de comprimento. Estas experiências foram realizadas com água e fluidos poliméricos. Os resultados indicam que cascalhos menores possuem maior dificuldade para ser removidos do que as partículas com dimensões maiores, quando testados com água. No entanto, quando testado com fluido preparado com uma solução de 0,25 ppb de polímero PAC (celulose polianiônica), os cascalhos menores foram mais fáceis de serem transportados. Além disso, a rotação da coluna e a reologia do fluido foram os fatores-chave para o controle de transporte cascalhos de pequeno tamanho.

Além disso, Duan et al. (2009) ainda realizaram experiências para determinar a velocidade crítica de ressuspensão (VCR) e a velocidade crítica de deposição (VCD) de partículas de areia com tamanhos de 0,45 mm e 1,4 mm para diferentes fluidos e

em variadas alturas de leito e inclinações de anular. Foi relatado que, dependendo do tamanho da partícula de areia e das propriedades do fluido, o VCD é de aproximadamente duas a três vezes maior do que VCR. Além disso, foi reportado que a água é mais eficaz do que as soluções com baixa concentração de polímeros quando a erosão do leito de partículas, mas as soluções de polímero são mais úteis do que a água para impedir a formação do leito de cascalhos.

Ozbayoglu et al. (2008) observaram especificamente o efeito da rotação da coluna de perfuração na limpeza do poço utilizando uma unidade experimental com fluxo em loop de 3 polegadas de diâmetro e 12 pés de comprimento. Observou-se que a rotação da coluna tem uma melhora significativa no transporte de cascalhos, especialmente fazendo um movimento orbital (não somente o movimento em seu próprio eixo), e diminui drasticamente a velocidade crítica necessária para remover totalmente o leito de cascalhos. No entanto, a rotação da coluna não tem uma contribuição adicional para a limpeza do poço depois de certa velocidade de rotação. Em um sistema de fluxo em loop, Sorgun (2010) também analisou o efeito da rotação da coluna de perfuração. O resultado indica que a rotação da coluna diminui significativamente a altura do leito e a velocidade crítica do fluido, necessária para prevenir o desenvolvimento do leito estacionário no caso da água e os fluidos de perfuração, especialmente se a coluna é totalmente excêntrica. No entanto, depois de certa velocidade de rotação do tubo, não foi observada nenhuma contribuição adicional da rotação da coluna na velocidade crítica do fluido. Além disso, para casos onde não há rotação ou baixa rotação da coluna, um aumento na viscosidade diminui número de Reynolds e a capacidade de transporte do fluido de perfuração, mas este efeito diminui à medida que a velocidade de rotação da coluna é aumentada.

Além dos fatores analisados acima, vazão de escoamento, inclinação, velocidade crítica e outros parâmetros também foram investigados em muitas pesquisas experimentais.

Ozbayoglu et al. (2004) realizaram alguns experimentos para analisar os efeitos dos principais parâmetros que afetam a eficiência do transporte de cascalhos em uma unidade experimental de fluxo em loop composta por uma coluna de 8 polegadas de diâmetro e 100 pés de comprimento em condições de baixa pressão e temperatura. Foi relatado que a velocidade média no anular é o parâmetro dominante sobre a

limpeza do poço, e um fluxo turbulento é o melhor para a prevenção do desenvolvimento do leito de sólidos. Além disso, as propriedades dos cascalhos, a densidade do fluido, inclinação e a excentricidade tem algum efeito sobre o transporte de cascalhos. Em 2010, os mesmo autores ainda estudaram a velocidade crítica em uma unidade experimental de fluxo em loop composta por uma coluna de 4 polegadas de diâmetro e 15 pés de comprimento. Os resultados mostram que o leito estacionário é desenvolvido quando a taxa de fluxo é inferior a 6 pés/s, e uma taxa de fluxo crítica de 8 pés/s é necessária para estabelecer uma condição de ausência de formação de leito.

Além da análise da rotação da coluna e da reologia do fluido, Sorgun (2010), ainda estudou os efeitos da velocidade do fluido, da inclinação da coluna e do ROP na eficiência no transporte de cascalhos. Os resultados mostram que a altura do leito diminui drasticamente, para todos os fluidos de perfuração, quando há aumento da velocidade do fluido. Depois de certa velocidade, o leito estacionário é removido do poço. A inclinação do poço entre 60 e 90 graus tem um ligeiro efeito sobre a espessura do leito de cascalhos dentro do anular, independentemente do fluido com a coluna sem rotação. Quando a velocidade do fluido é de 0,95 m/s em uma região horizontal do anular, nenhuma mudança significativa na altura do leito é observada a medida que a taxa de penetração (ROP) é aumentada.

Kelessidis e Mpandelis (2004) analisaram os efeitos dos parâmetros hidráulicos no transporte de cascalhos em uma instalação experimental com 70 cm de diâmetro e 5 m de comprimento. As experiências foram realizadas com água e soluções aquosas de carboximetilcelulose (CMC). Os resultados dos testes foram baseados na observação visual, em vídeo e imagens fotografadas. Eles relataram que o leito de sólidos pode ser melhor erodido com o aumento da vazão do fluido. Para uma taxa de fluxo mais elevada, mas não suficientemente alta para suspensão total, os sólidos não se depositam na parede, mas escoam em camadas perto da parede inferior do anular.

Shadizadeh e Zoveidavianpoor (2012) realizaram experimentos para analisar os efeitos da inclinação do poço, reologia do fluido, tamanho dos cascalhos, taxa de circulação e tamanho do anular na velocidade de transporte dos cascalhos, utilizando o conceito de velocidade mínima de transporte. Eles utilizaram uma unidade experimental de fluxo circulante composta por uma coluna de 5 pés de

comprimento e 3,7 polegadas de diâmetro com inclinação entre 0 e 90 graus. Os resultados indicam que o tamanho dos cascalhos tem um efeito maior sobre o transporte de sólidos em fluidos de baixa densidade. À medida que o tamanho dos cascalhos aumenta, a velocidade de deslizamento aumenta com a mesma densidade de fluido. O aumento da taxa de fluxo do fluido leva a um aumento no número de Reynolds, mas diminuiu o coeficiente de arraste e, como resultado, da diminuição da força de arraste o transporte de cascalhos diminui drasticamente.