Simulações em CFD aplicadas à avaliação da limpeza de poço

A ferramenta CFD pode eliminar a necessidade de instalações laboratoriais dispendiosas e pode ser utilizada para simular um número ilimitado de condições físicas e operacionais em qualquer tipo de poço. Esta ferramenta tem ajudado os pesquisadores a chegar à raiz dos problemas, fornecendo informações onde as medições são difíceis ou impossíveis de realizar (Xiaofeng et al., 2013).

Segundo Xiaofeng et al. (2013), Bilgesu et al. (2002, 2007) foram um dos primeiros pesquisadores a analisar os parâmetros de transporte de cascalhos utilizando CFD. As simulações mostram que a rotação da coluna de perfuração pode melhorar o transporte de sólidos, mas o efeito é mais pronunciado para um tamanho menor de partícula. A eficiência de transporte tem uma tendência de diminuição com o aumento da velocidade do fluido no anular. Além disso, a inclinação e o ROP também tem grande impacto sobre a concentração de cascalhos no poço.

Ali et al. (2002) realizaram um estudo em CFD no transporte de cascalhos em poços horizontais e verticais. Os parâmetros que afetam o transporte de cascalhos foram classificados em quatro grupos, densidade e viscosidade do fluido, tamanho dos sólidos e ROP. As simulações mostram: 1) A melhor eficiência de limpeza é obtida com um fluido de baixa viscosidade em fluxo turbulento. 2) Um aumento na vazão do fluido de alta densidade, melhora o transporte de sólidos. 3) O transporte de cascalhos para partículas de pequena dimensão é melhorado quando um fluido de alta densidade é utilizado no sistema de recirculação. 4) O transporte de cascalhos aumenta à medida que aumenta a viscosidade. 5) As simulações indicam que se torna mais difícil a remoção partículas a medida que a inclinação diminui (em sentido

à horizontalidade). 6) As partículas maiores são mais fáceis de serem removidos com água, e são notavelmente afetadas pelo aumento da vazão do fluido.

Li et al. (2009, 2010) estudaram o efeito de rotação da coluna na limpeza em poços horizontais utilizando CFD através de um modelo com 0,5 de excentricidade. As simulações indicam: 1) A rotação da coluna impulsiona o movimento circunferencial do líquido e do sólido. 2) O movimento helicoidal é a principal forma de movimento do líquido e dos sólidos. 3) A rotação da coluna não só reduz a concentração de sólidos no anular, mas também faz os cascalhos se acelerem. 4) A distribuição de partículas é assimétrica no anular. 5) A velocidade de rotação entre 80 e 120 rpm tem um efeito significativo sobre o leito de cascalhos.

Chen et al. (2012) utilizaram o CFD para analisar o mecanismo de uma coluna com

Hydroclean (Figura 17) para a limpeza do poço. Os diagramas de campo vazão,

velocidade e pressão do Hydroclean foram simulados para examinar o efeito da estrutura de ranhuras em espiral sobre o comportamento de fluxo no anular. Os resultados mostram que o fluido pode formar vortex perto das ranhuras espiraladas do sistema do Hydroclean e os cascalhos são transportados pelo vortex da parte inferior para a superior. Além disso, a rotação da coluna produz uma força centrífuga, que faz com que os cascalhos sejam projetados para a porção superior do anular.

Al-Kayiem et al. (2010) realizaram um estudo em CFD no transporte de cascalhos em poços inclinados. As simulações foram conduzidas em várias vazões do fluido, desde 136 até 204 m3/h, em uma inclinação de 30 graus. Foram ainda testados três tamanhos e esfericidades diferentes para os cascalhos. Os resultados mostram que, para inclinação estudada, orientação, o desempenho de limpeza foi mais eficaz para

Figura 17 – Sistema hydroclean instalado na coluna de perfuração para melhorar a eficiência de remoção de cascalhos. Fonte: Vallourec Group (2012)

maiores vazões para todos os tipos de partículas testadas. Os resultados da simulação ainda revelam que houve um efeito significativo do tamanho dos cascalhos sobre o transporte, onde as partículas menores são mais fáceis de carrear bem com as partículas com maior esfericidade.

Mishra (2007) investigou os parâmetros de limpeza de poço utilizando CFD em poços horizontais e inclinados para determinar os efeitos destes parâmetros na eficiência de limpeza. Foram estudados os efeitos da velocidade do fluido, tamanho de cascalho, taxa de penetração (ROP), rotação da coluna de perfuração e do ângulo de inclinação. Na simulação multifásica o autor utilizou o modelo Euleriano sendo a avaliação feita após o sistema atingir o regime permanente. Os resultados das simulações mostram que a formação do leito de cascalhos é observado perto da seção de entrada do anular e o transporte dos sólidos na seção anular se dá sob a forma de fluxo estratificado. As simulações ainda indicam que: 1) A vazão do fluido, o ângulo de inclinação e o ROP têm o maior impacto sobre a concentração de cascalhos. 2) A rotação da coluna também que pode melhorar o transporte de cascalhos mas, geralmente, tem um maior efeito sobre as partículas menor de tamanho.

Júnior (2005) estudou efeito do escoamento em circulação reversa na limpeza de um poço de petróleo utilizando a mecânica dos fluidos computacional. A simulação do transporte de cascalhos foi feita por um fluido de comportamento não-Newtoniano, utilizando a abordagem Lagrangeana. Foi feita a comparação da circulação reversa do fluido com a circulação convencional, adotando idênticos parâmetros operacionais. Foi observado que a velocidade média do fluido e, consequentemente das partículas, é maior no interior da coluna do que no espaço anular, pois a seção reta do tubo é menor, o que aumenta a capacidade de transporte das partículas na circulação reversa. Desta forma, reduções da vazão do fluido de perfuração são possíveis sem perda de carreamento, conforme foi comprovado por simulação. Ainda, na circulação convencional ocorre uma maior centrifugação (devido ao maior raio do anular) e isto faz com que algumas partículas de maior diâmetro sejam centrifugadas para a parede do poço e não consigam sair do domínio.