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Título: Simulação numérica do comportamento mecânico da bainha de cimento em estado confinado em poços submetidos à injeção cíclica de vapor
Autor(es): Souza, Wendell Rossine Medeiros de
Palavras-chave: Injeção cíclica de vapor;Simulação numérica;Método dos elementos finitos;Cimento Portland;Látex;Cimentação de poços de petróleo;Integridade
Data do documento: 30-Mai-2017
Referência: SOUZA, Wendell Rossine Medeiros de. Simulação numérica do comportamento mecânico da bainha de cimento em estado confinado em poços submetidos à injeção cíclica de vapor. 2017. 127f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Petróleo) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Abstract: Exposure of oil wells to extreme conditions has led to numerous integrity issues, even when designed properly. The use of recovery techniques, such as the cyclic steam injection, submits the materials to severe temperature variations, reducing the oil well lifespan; and may lead to failure of the steel casing and cement sheath. The loss of integrity of the cement sheath may lead to leakage of the fluids present in the formation and, in some cases, causing significant environmental and economic damages. In the case of wells subjected to the cyclic steam injection, resistance, flexibility and thermal properties have been identified as the key to the problem. In the present work, thermomechanical analyzes were performed using the finite element method in transient mode. The steel casing, the cement sheath and the formation were modeled using an axisymmetric 2D model with 8-node quadrilateral elements. The mechanical behavior of the cement sheath was analyzed, being three formulations of pastes studied: reference paste and two other paste with latex additives in concentrations of 125 and 250 ml / kg of cement. The influence of the cement sheath thickness and the heating rate were observed as well as six different coefficient values of thermal expansion for cement paste. It was analyzed the temperature gradients of 150 oC, 200 oC, 250 oC, 300 oC and 350 oC, typical temperatures encountered during the steam injection process, as well as between formations with various levels of rigidity. The study revealed that one of the problems of cement sheath integrity due to steam injection is associated with the heating phase of the well and located in the region of the sheath near the formation. It has been found that linking the use of the more flexible and expansive formulation to an extending temperature gradient period application may prevent damage to the cement sheath by avoiding recementing maneuvers. Such a procedure proved to be effective for more rigid rock media as well as for higher target temperatures.
Resumo: A exposição dos poços de petróleo a condições extremas os tem levado a inúmeros problemas de integridade, mesmo quando projetados adequadamente. O uso de técnicas de recuperação, tal como a injeção cíclica de vapor, submete os materiais a variações de temperatura severas reduzindo a vida útil do poço; ainda, podendo levar à falha do revestimento metálico e da bainha de cimento. A perda da integridade da bainha de cimento pode acarretar no vazamento dos fluidos presentes na formação e, em alguns casos, ocasionando significantes prejuízos ambientais e econômicos. No caso de poços sujeitos à injeção cíclica de vapor, a resistência, a flexibilidade e as propriedades térmicas têm sido apontadas como chave do problema. Neste trabalho, as análises termomecânicas foram realizadas utilizando o método dos elementos finitos em modo transiente. O revestimento metálico, a bainha de cimento e a formação foram modelados utilizando-se um modelo 2D axissimétrico com elementos quadriláteros de 8 nós. Foi analisado o comportamento mecânico de bainha de cimento, sendo três formulações de pastas estudadas: pasta de referência e mais duas aditivadas com látex em concentrações de 125 e 250 ml/kg de cimento. A influência da espessura da bainha de cimento e a taxa de aquecimento foram observadas como também seis diferentes valores de coeficientes de expansão térmica para pasta de cimento. Foram analisados gradientes de temperaturas distintos de 150 oC, 200 oC, 250 oC, 300 oC e 350 oC, típicas temperaturas encontradas no processo de injeção de vapor, bem como em meio a formações com vários níveis de rigidez. O estudo evidenciou que um dos problemas da integridade da bainha de cimento devido a injeção de vapor está associado a fase de aquecimento do poço e localizado na região da bainha próximo à formação. Foi constatado que vincular o emprego da formulação mais flexível e expansiva a uma aplicação do gradiente de temperatura de modo mais lento, pode prevenir o surgimento de danos na bainha de cimento evitando manobras de recimentação. Tal procedimento se mostrou eficaz para meios rochosos mais rígidos bem como para temperaturas alvo mais elevadas.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24151
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