Análise CFD dos efeitos da excentricidade no processo de limpeza de poços horizontais em diferentes razões de diâmetros e condições operacionais

Abstract

Este estudo analisa, por meio da técnica CFD, o escoamento laminar de fluido não newtoniano em espaços anulares excêntricos com rotação da coluna, com o objetivo de para avaliar os efeitos da excentricidade neste tipo de escoamento. O estudo e entendimento do escoamento de fluidos em espaços anulares tem grande relevância em vários setores da indústria como a química, alimentícia e petrolífera. Na indústria petrolífera, o destaque é para as operações de perfuração e completação de poços, onde o espaço anular é caracterizado pela coluna e pelas paredes do poço. No processo de perfuração de poços, os fragmentos gerados pela broca, são continuamente removidos por meio do fluido de perfuração. O poço horizontal vem ganhando destaque por promover o aumento da área de contato do poço com o reservatório, o que aumenta a produtividade. Entre os parâmetros que afetam o processo de limpeza do poço, a excentricidade da coluna tem grande importância por alterar os padrões de escoamento e interferir no processo de carreamento dos cascalhos para fora do poço. Para o estudo, foi utilizado o software Ansys R CFX 16.0. Avaliaram-se cinco valores de excentricidade, variando do caso concêntrico e indo até o caso mais excêntrico (ε = 0,8). Utilizaram-se cinco valores de Reynolds, variando de Reg = 200 até Reg = 1000, cinco valores de rotação do cilindro interno (ω = 0 até ω = 400 rpm) e cinco valores de razão de diâmetros (κ = 0,5 até κ = 0,9). O fluido utilizado consiste em um fluido de perfuração padrão utilizado por uma grande empresa do ramo, com características não newtonianas do fluido representadas pelo modelo reológico de Herschel-Bulkley. Foram avaliados os perfis de velocidade axial, tangencial e total, os contornos de velocidade axial e a queda de pressão no anular. Os resultados mostraram que a excentricidade possui grande influência no escoamento, com a redução da velocidade axial no setor inferior do anular, que reduz a capacidade de carreamento do fluido, prejudicando a retirada dos cascalhos; o efeito contrário é observado no setor superior. A excentricidade provoca um aumento da velocidade tangencial no setor inferior, ajudando a ressuspensão do cascalho sedimentado. Este efeito é notado também nos perfis de velocidade total, onde o escoamento tangencial é predominante no setor inferior para os casos mais excêntricos. O aumento da excentricidade causa também a redução da queda de pressão no anular, o que é benéfico para o processo de perfuração, prevenindo a fratura da formação que provoca uma série de problemas. Conclui-se que a excentricidade tem grande influência no processo de limpeza de poços horizontais, uma vez que, provoca grandes alterações no padrão de escoamento e provoca a redução da queda de pressão no anular.