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???metadata.dc.type???: Dissertação
Title: Estudo teórico-experimental da sedimentação em batelada: monitoramento e modelagem de perfis de concentração de sólidos e análise de equações constitutivas
Other Titles: Theoretical-experimental study of batch settling: monitoring and modeling of solid concentration profiles and analysis of constitutive equations
???metadata.dc.creator???: Rocha, Robson Raposa 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Meleiro, Luiz Augusto da Cruz
???metadata.dc.contributor.advisor2???: Oechsler, Bruno Francisco
???metadata.dc.contributor.referee1???: Meleiro, Luiz Augusto da Cruz
???metadata.dc.contributor.referee2???: Pinto, José Carlos Costa da Silva
???metadata.dc.contributor.referee3???: Damasceno, João Jorge Ribeiro
???metadata.dc.description.resumo???: Com o objetivo de assegurar o controle de pressões no interior de um poço de petróleo, minerais de alta densidade, como a barita, são comumente adicionados aos fluidos de perfuração, alterando algumas de suas propriedades físicas, em especial a densidade. Não obstante, um grande número de problemas encontra-se associado à sedimentação sob campo gravitacional desses sólidos adensantes. Dentre os referidos problemas, o foco deste estudo foi a obtenção de informações pertinentes a uma estratégia de mitigação do fenômeno do APB (Annular Pressure Build-up). Tal estratégia consiste em garantir a comunicação do fluido de perfuração contido no anular com a formação rochosa, porém a referida estratégia pode vir a falhar caso as partículas adensantes do fluido sedimentem a ponto de obstruir a janela de comunicação fluidorocha. Isto posto, o presente trabalho teve como objetivo investigar o processo de sedimentação de sólidos adensantes, especificamente a barita, por meio de técnicas teóricas e experimentais. A investigação experimental desse fenômeno baseou-se no emprego da condutividade elétrica como técnica de monitoramento da concentração de sólidos ao longo do tempo e em diferentes posições do aparato experimental concebido para o estudo da sedimentação. Uma vez que as partículas de barita não são condutoras de eletricidade, a condutividade do meio é alterada na medida em que ocorre a separação entre as fases contínua e dispersa. Este é o princípio básico de funcionamento da técnica experimental proposta. Nos ensaios experimentais foram utilizadas suspensões aquosas de barita em três diferentes concentrações, a fim de se investigar a influência do teor inicial de sólidos no comportamento do processo de sedimentação do material particulado. Ademais, para auxiliar a descrição física do processo realizou-se a análise da distribuição de tamanhos de partículas ao longo do sedimento formado. No âmbito da modelagem, resultados experimentais de perfis dinâmicos de concentração de sólidos em um fluido de perfuração sintético serviram como base para a representação matemática da sedimentação de agentes adensantes. Tendo como ponto de partida os fundamentos da Mecânica do Contínuo, o modelo proposto foi obtido a partir das leis de conservação da massa e da quantidade de movimento linear para a fase sólida. Além disso, as propriedades materiais dos constituintes sólido e líquido da mistura foram consideradas por meio de hipóteses específicas, introduzidas no modelo através de equações constitutivas. Destaca-se, ainda, que o modelo representativo da sedimentação em batelada aqui proposto leva em conta a compressibilidade dos sólidos em virtude do peso acumulado das partículas, bem como a permeabilidade do sedimento. Por não haver solução analítica para o modelo, técnicas numéricas tiveram de ser utilizadas. A variável espacial das equações foi discretizada por meio do método dos volumes finitos. O conjunto de equações diferenciais ordinárias resultante foi, então, integrado numericamente na variável temporal adimensional. Por fim, os parâmetros das equações constitutivas para a pressão nos sólidos e para a permeabilidade da matriz porosa foram determinados a partir de um rigoroso procedimento de estimação e analisados estatisticamente. Em particular, os resultados obtidos neste trabalho indicam um bom ajuste entre as predições do modelo e os resultados experimentais.
Abstract: In order to ensure the control of pressures inside an oil well, high-density minerals such as barite are commonly added to drilling fluids, increasing some of their physical properties, especially density. Nonetheless, a great number of problems has been related to gravitational settling of weighting agents. Among the aforementioned problems, this study focused on obtaining information pertinent to a mitigation strategy of the phenomenon known as APB (Annular Pressure Build-up). This strategy consists of communicating the drilling fluid contained in the annular with the rock formation, but it might be compromised if the weighting particles of the fluid settle to the point of obstructing the fluid-rock communication window. Thus, the present work aimed to investigate the sedimentation process of weighting agents, specifically barite, through theoretical and experimental techniques. The experimental investigation of this phenomenon was based on the use of electrical conductivity as a technique for monitoring the concentration of solids over time and in different positions of the experimental apparatus designed for the study of sedimentation. Since barite particles are nonconducting materials, as the separation between the continuous and the dispersed phases occurs, the conductivity of the medium undergoes changes. This is the basic principle of the technique. In the experimental tests, aqueous suspensions of barite were used in three different concentrations for the purpose of evaluating the initial solids content on the settling behavior of particulate materials. Furthermore, to assist in the physical description of the process, analyses of particle size distribution along the sediment were performed. In terms of modeling, experimental data of dynamic profiles of solids concentration in a synthetic drilling fluid served as the basis for the mathematical representation of settling of weighting agents. Following the standard approach of continuum mechanics, the proposed model was obtained by the conservation laws of mass and linear momentum for the solid phase. Moreover, the material properties of the solid and liquid constituents of the mixture were considered by specific assumptions, which were introduced into the model by constitutive equations. It is also worth noting that the batch sedimentation model proposed herein takes into account the compressibility of solids due to the accumulated weight of particles, as well as the permeability of the sediment. Since there is no analytical solution for the model, numerical techniques had to be employed. The spatial variable of the equations was discretized by the finite volume method. The resulting set of ordinary differential equations was then numerically integrated in the dimensionless temporal variable. Finally, the parameters of the constitutive equations for pressure on solids and permeability of the porous matrix were determined from a rigorous estimation procedure, and statistically analyzed. In particular, the results obtained in this work indicated a good agreement between model predictions and experimental data
Keywords: Condutividade elétrica
Método dos volumes finitos
Estimação de parâmetro
Electrical conductivity
Finite volume method
Parameter estimation
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Química
Language: por
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
???metadata.dc.publisher.initials???: UFRRJ
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto de Tecnologia
???metadata.dc.publisher.program???: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citation: ROCHA, Robson Raposa. Estudo teórico-experimental da sedimentação em batelada: monitoramento e modelagem de perfis de concentração de sólidos e análise de equações constitutivas. 2018. 115 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, 2018.
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
URI: https://tede.ufrrj.br/jspui/handle/jspui/4944
Issue Date: 11-Dec-2018
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Química

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