Dissertação
Mini-hidrociclones aplicados ao sistema de controle de sólidos na perfuração de poços de petróleo
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Author
Mognon, José Lucas
Institutions
Abstract
The drilling process is one of the most costly and polluting phases in oil production. In that
stage, large amounts of drilling fluid are used for removing the drilled cuttings of the well.
This fluid requires constant treatment, in the form of solid removal, so it can be properly
reused for injection. This treatment is usually performed by a system that involves the use of
hydrocyclones, sieves, rotational dryers and decanter centrifuges. The centrifuges, mainly
responsible for fine solids recovery, has its application limited by the high installation and
maintenance costs involved and platform space restrictions, and thus not being able to process
the entire volume of circulating fluid in the drilling system. Thereby, the present work
propose the use of mini hydrocyclones ( 30 c D mm ) in support of decanter centrifuges,
aiming a higher fine cuttings removal of drilling fluid. To this end, an operational and
geometric parameters effects study were performed, followed by optimization, in order to
obtain a geometry with high efficiency and low liquid ratio. This geometry, referred as
optimal geometry, was then tested on the operation with different fluids (water+
carboxymethylcellulose) having rheological characteristics (pseudoplastic fluid) similar to the
one commonly used in drilling process. Finally, the obtained results were implemented in a
simulation of the optimum hydrocyclone, using for that, a granulometric size distribution
from a centrifuge drilled cuttings sample and also analyzing the serial operation of the
equipment. The results obtained for the optimal geometry showed high levels of total
efficiency (81-89%) while maintaining reasonable values of underflow-to-throughput ratios.
In sequence, empirical expressions for the pseudoplastic fluid operation were obtained for
total efficiency, underflow-to-throughput ratio, cut diameter and flowrate, with coefficients of
determination above 0.986. Finally, simulation results of serial operation showed that the
tested hydrocyclones may promote a reduction of up to 24% on the fluid solid content, while
also allowing high flexibility during the different phases of drilling. Mestre em Engenharia Química O processo de perfuração de poços consiste em uma das fases mais onerosa e poluidora da
produção do petróleo. Nessa fase, grande quantidade de fluido de perfuração é utilizada na
remoção dos sólidos perfurados no fundo do poço, devendo ser constantemente tratado,
através da remoção destes sólidos, para que ele possa ser reutilizado. Esse tratamento é
geralmente realizado por um sistema que envolve a utilização de peneiras, hidrociclones,
centrífugas decantadoras e secadores rotatórios. As centrífugas, responsáveis principalmente
pela recuperação de sólidos finos, tem sua utilização limitada, tanto por conta dos custos
envolvidos quanto espaço em sonda, não podendo assim processar todo o volume de fluido
circulante no sistema de perfuração. Dessa forma, o presente trabalho vem propor a utilização
de mini-hidrociclones ( 30 c D mm ) no apoio das centrífugas decantadoras, de modo a uma
maior remoção de material fino do fluido reinjetado. Para isso, estudos de otimização de
parâmetros operacionais e geométricos foram realizados, seguidos de otimização, a fim de
obter uma geometria com alta eficiência e baixa razão de líquido. Essa geometria,
denominada geometria ótima, foi então testada fazendo-se uso de diferentes fluidos
(água+carboximetilcelulose) com características reológicas (pseudoplasticidade) similares ao
utilizado em perfurações. Por fim, os resultados obtidos foram utilizados em uma simulação
do hidrociclone ótimo operando com sólidos advindos de centrífugas reais (borra) e operando
em série. Os resultados obtidos para a geometria ótima mostraram altos níveis de eficiência
total (81-89%) mantendo-se, no entanto, razões de líquido reduzidas. Foram obtidas
expressões empíricas para a operação com fluido pseudoplástico, sendo que essas
apresentaram valores de R² superiores a 0,986. Por fim, os resultados da simulação da
operação em série mostraram que os hidrociclones testados podem promover uma redução de
até 24% no teor de sólidos do fluido reinjetado, permitindo também alta flexibilidade durante
as diferentes fases da perfuração.