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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27988| Título: | Numerical study on the use of bentonite pellets as primary material for oil and gas wells decommissioning |
| Título(s) alternativo(s): | Estudo numérico sobre o uso de pellets de bentonita como material primário para o abandono de poços de petróleo e gás |
| Autor(es): | Pivovarski, Roderick Gustavo |
| Orientador(es): | Franco, Admilson Teixeira |
| Palavras-chave: | Bentonita Poços de petróleo Adesão Fluidodinâmica computacional Cimento Portland Acoplamentos Bentonite Oil well Adhesion Computational fluid dynamics Portland cement Couplings |
| Data do documento: | 4-Fev-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | PIVOVARSKI, Roderick Gustavo. Estudo numérico sobre o uso de pellets de bentonita como material primário para o abandono de poços de petróleo e gás. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
| Resumo: | No passado, quando os poços de óleo e gás começaram a ser construídos, pouca atenção foi dada à última etapa do ciclo de vida dessas estruturas: o processo de abandono. Com um número crescente de poços atingindo o status de esgotado, mais atenção tem sido direcionada para o abandono, também conhecido na indústria de óleo e gás como fase de descomissionamento ou Plugging and Abandonment (P&A). Geralmente, o plug, que é a principal estrutura responsável pelo isolamento do poço, é feito de cimento Portland e outros materiais secundários. No entanto, o cimento tem deficiências intrínsecas, como sua tendência a encolher ao reagir com a água e sua baixa capacidade de resistir a eventos que tendem a rachá-lo, como movimentos geológicos ou sísmicos e migração de sal na formação. Nas últimas décadas, a bentonita, que é um mineral argiloso, tem se tornado cada vez mais uma alternativa ao cimento. Isso se deve a características muito particulares desse material, como a capacidade de readaptar sua forma quando solicitado mecanicamente (selfhealing), baixíssima permeabilidade a gases e outros. Por outro lado, quando a bentonita entra em contato com a água, ela experimenta uma força adesiva e uma tendência de dilatação de grande magnitude. Devido a esses dois fenômenos, o uso indevido da bentonita pode obstruir prematuramente o poço, fechando-o acima dos locais adequados. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é simular numericamente o processo de abandono de um poço de petróleo a fim de prever o risco de entupimento prematuro. Simulações numéricas foram realizadas no software Rocky® para validar um modelo que pudesse reproduzir os experimentos realizados em uma coluna de acrílico. Os resultados mostraram que um acoplamento CFD-DEM pode fornecer bons resultados. Além disso, o acoplamento em uma via entre as fases pode ser usado para prever a formação de obstrução. Após a validação, simulações usando o diâmetro de poços reais parcialmente e completamente preenchidos com água foram realizadas para estudar a influência de parâmetros operacionais como vazão mássica de injeção de pellets, tamanho e formato do pellets. Neste sentido, pellets cilíndricos e esféricos de 5, 10 e 20 mm foram utilizados com vazões mássicas de 1,4 e 5,0 kg/s. Pellets esféricos de mesmo tamanho foram utilizados com as mesmas vazões mássicas de injeção. Outro conjunto de simulações foi realizado para estudar poços com parte de sua extensão preenchida com ar. Nestas simulações, feitas utilizando-se uma distribuição mássica de acordo com o tamanho característico dos pellets comprados junto ao fabricante, as vazões utilizadas foram 0,1, 0,5, 1,0 e 1,5, e estruturas que não haviam sido observadas em poços cheios de água formaram-se. Essas estruturas, chamadas no presente trabalho de “deposições”, podem induzir a formação de aglomerados de pellets que podem tamponar o poço, mesmo com baixas taxas de injeção de pellets. Além disso, um poço contendo um volume de óleo separando o ar e a água foi estudado. Uma correlação foi desenvolvida para prever o tamanho dos aglomerados conforme eles se acomodam no fundo do poço, e os resultados também concordam com tendências mencionadas na literatura. |
| Abstract: | In the past, when oil and gas wells began to be built, little attention was paid to the last stage in the life cycle of these structures: the abandonment process. With an increasing number of wells reaching depleted status, more attention has been directed towards the abandonment, also known in the oil and gas industry as decommissioning stage or Plugging and Abandonment (P&A). Generally, the plug, which is the main structure responsible for isolating the well, is made out of Portland cement and other secondary materials. However, cement has intrinsic shortcomings, such as its tendency to shrink when reacting with water and its poor ability to resist cracking events, such as geological or seismic motion and salt migration in the formation. In recent decades, bentonite, which is a clayey mineral, has increasingly become an alternative to cement. This is due to very particular characteristics of this material, such as the ability to readapt its shape when mechanically requested (self-healing), very low permeability to gases and others. On the other hand, when the bentonite comes into contact with water, it experiences an adhesive force and a tendency of swelling of great magnitude. Owing to these two phenomena, the improper use of the bentonite can prematurely plug the well, closing it above the targets. In this sense, the objective of this work is to simulate numerically the abandonment process of an oil well in order to predict the risk of premature plugging. Simulations were performed in the Rocky® software to validate a model that could reproduce experiments carried out in an acrylic column. The results showed that a CFD-DEM coupling can provide good results. In addition, one-way coupling between phases can be used to predict plugging formation. After validation, simulations using the diameter of actual wells partially and completely filled with water were performed to study the influence of operational parameters such as pellet injection mass flow rate, pellet size and shape. In this sense, cylindrical and spherical pellets of 5, 10 and 20 mm were used, with mass flow rates of injection of 1.4 and 5.0 kg/s. Spherical pellets having the same sizes were also used in simulations. Another set of simulations was performed to study wells partially filled with water. In these simulations, performed using a mass distribution according to the characteristic size of the pellets purchased from the manufacturer, the flow rates used were 0.1, 0.5, 1.0 and 1.5, and structures that had not been observed in wells filled with water formed. These structures, called “depositions” in the present work, can induce the formation of agglomerates of pellets that induce well plugging, even with low pellet injection rates. Also, a well containing a volume of oil separating air and water was studied. A correlation was developed to predict the agglomerates’ size as they settle towards the bottom of the well, and the results agree with trends mentioned in the literature. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27988 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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