Determinação da influência da pressão interna no dano por erosão em sistemas hidráulicos de sondas de perfuração de poços petrolíferos

Abstract

É imprescindível que o sistema de segurança de uma sonda de perfuração seja estudado, monitorado e entendido em toda sua extensão, a fim de eliminar ou mitigar os riscos de uma falha em operação. Falhas catastróficas em componentes hidráulicos de sondas durante a perfuração de poço podem ser ocasionadas pelo desgaste erosivo. Frente ao exposto, o presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência da pressão interna no dano por erosão em sistemas hidráulicos de sondas de perfuração e controle de poços petrolíferos. A geometria avaliada foi uma seção tubular de 6” contendo um elbow de aço API 5L X42 PSL1. Por ser um elemento direcionador de fluxo, esta geometria configura as regiões de maior suscetibilidade ao desgaste erosivo e foi estrategicamente escolhida como objeto de estudo. De modo geral, este trabalho apresentará uma metodologia composta por uma correlação entre pressão interna e dureza do material. Para esta análise, amparada pelo critério da máxima energia de distorção (teoria de Von Mises), avaliou-se a dureza com base no estado de tensões superficiais devido aos efeitos da pressão. Para obtenção das tensões, um modelo CAE foi proposto. O comportamento da dureza do material em relação ao estado de tensões superficiais foi obtido com uma análise experimental. Os valores encontrados de dureza foram inseridos no modelo de dano por erosão elaborado por OKA em análise CFD para avaliação final. Os resultados obtidos demonstram que as regiões de maior desgaste erosivo ocorrem na porção final do elbow. Em cada modelo de pressão interna considerado, os valores encontrados da taxa máxima de erosão divergem inexpressivamente entre si, atingindo uma média de 5,56 E-5 kg.m-2.s-1. Ademais, em face da baixa variância observada, os valores podem estar dentro do erro inerente da modelagem CFD e do erro experimental no trabalho de OKA que deu origem ao modelo erosão utilizado.

It is essential that the safety system of a drilling rig is studied, monitored and understood entirely, in order to eliminate or mitigate the risks of a failure in operation. Catastrophic failures in hydraulic components of rigs during well drilling can be caused by erosive wear. Taking this into account, the present work aims to evaluate the influence of internal pressure on erosion damage in hydraulic systems of drilling rigs and control of oil wells. The geometry evaluated was a 6” tubular section containing an elbow of API 5L X42 PSL1 steel. For being a flowdirecting element, this geometry configures as the region of greater susceptibility to erosive wear and was strategically chosen as an object of study. In general, this work will present a methodology composed by a correlation between internal pressure hardness of the material. For this analysis, supported by maximum distortion energy criterion (Von Mises’s theory), the hardness was evaluated based on the surface stresses state due to the effects of pressure. To obtain the stresses, a CAE model was proposed. The behavior of the material hardness and its relation to the surface stress state was obtained with an experimental analysis. The hardness values found were inserted in the erosion damage model developed by OKA in CFD analysis for final evaluation. The results obtained demonstrate that the regions of larger erosive wear occur in the final portion of the elbow. In each internal pressure model considered, the maximum erosion rate differ insignificantly from each other, reaching an average of 5.56 E-5 kg.m-2.s-1. Moreover, given the low variance observed, the values may be within the inherent error of the CFD modeling and the experimental error in the OKA work that the erosion model used was based from/on.