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Dinâmica e controle de vibrações torsionais em colunas de perfuração de poços de petróleo

Processo: 09/16680-5
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
Vigência (Início): 01 de abril de 2010
Vigência (Término): 31 de março de 2011
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
Pesquisador responsável:Marcelo Areias Trindade
Beneficiário:Andre Yuji Yoneda Coletti
Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Assunto(s):Colunas de perfuração

Resumo

Uma das principais preocupações da indústria petrolífera é o gasto elevado quando há quebra de brocas devido aos danos causados por vibrações durante a perfuração do poço. Mesmo com vários estudos que visam controlar essas vibrações, a dinâmica das colunas de perfuração assim como a interação broca-rocha ainda não está completamente entendida, principalmente por se tratar de um problema muito complexo. O sistema mecânico é basicamente constituído de um torque aplicado na superfície sobre uma coluna que, por sua vez, transmite o torque para a broca. O peso aplicado sobre a broca, amortecimento viscoso, atrito, velocidade de rotação aplicada na superfície, impacto nas paredes do poço entre outros são fatores que causam vibrações no sistema e também o fenômeno de stick-slip. A ocorrência do stick-slip é uma das principais causas do mal-funcionamento e falha das brocas e aparece entre a ponta da broca e a rocha. Este fenômeno causa uma grande variação na velocidade de rotação na superfície em relação à ponta da broca criando oscilações que podem desenvolver velocidades muitas vezes maiores na ponta da broca, como também a sua completa parada. Com a finalidade de minimizar esses problemas, várias técnicas de controle foram estudadas e, portanto, esse projeto visa a sua comparação no caso de um modelo simplificado de sistema de perfuração. Serão consideradas a flexibilidade torsional da coluna, e a interação broca-rocha, mas desprezando alguns outros efeitos como as vibrações laterais, impactos com a parede do poço e interação com os fluidos interno e externo. Entre as técnicas de controle a serem estudadas estão: i) o controle de velocidade tradicional (PI, proporcional à velocidade e ao deslocamento); ii) o controle chamado de soft-torque composto de controle PI com filtro passa-alta para mitigar a excitação da torção da coluna; e iii) o controle combinado axial/torsional que visa a complementar o controle torsional PI com uma variação dinâmica do peso na broca para reduzir a ocorrência de stick-slip.