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Título: Numerical study of the cycling dynamics of valves subject to calcium carbonate scaling
Título(s) alternativo(s): Estudo numérico da dinâmica de ciclagem de válvulas sujeitas à incrustação de carbonato de cálcio
Autor(es): Poletto, Vinicius Gustavo
Orientador(es): Junqueira, Silvio Luiz de Mello
Palavras-chave: Carbonato de cálcio - Solubilidade
Precipitação (Química)
Fluidodinâmica computacional
Método dos elementos discretos
Escoamento multifásico
Garantia de escoamento (Engenharia de petróleo)
Válvulas
Calcium carbonate - Solubility
Precipitation (Chemistry)
Computational fluid dynamics
Discrete element method
Multiphase flow
Flow assurance (Petroleum engineering)
Valves
Data do documento: 11-Fev-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: POLETTO, Vinicius Gustavo. Numerical study of the cycling dynamics of valves subject to calcium carbonate scaling. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: As operações de garantia de escoamento frente a incrustação inorgânica comumente são realizadas através da injeção de inibidores químicos ou operações de squeeze. Contudo, a utilização dos mandris de injeção química nem sempre é uma opção viável nos modernos sistemas de completação inteligente cableless, com múltiplas zonas produtoras sendo gerenciadas através da atuação remota de válvulas de controle de fluxo ICV (Interval Control Valves). A geometria da válvula notavelmente é complexa, concentrando a produção em pórticos e, consequentemente, tornando-se um sítio propício a cristalização. No caso do carbonato de cálcio, composto típico dos reservatórios carbonáticos da bacia do pré-sal, a perda de carga localizada na válvula desencadeia o aparecimento dos cristais que ocasionalmente se depositam em regiões à jusante. O principal problema associado com a presença de depósito é o aumento da perda de pressão devido à redução da área disponível ao escoamento. Uma alternativa para a limpeza da válvula é a operação de ciclagem, partindo da posição totalmente aberta, movendo-se para a fechada e retornando para a aberta, cujo objetivo é promover a limpeza mecânica das camadas de carbonato. Por outro lado, o sistema de movimentação pode estar danificado, em função do próprio depósito, implicando no travamento e inutilização do equipamento que requerem custosas operações de workovers para remediação. O objetivo principal do presente trabalho é propor metodologia para simular a deposição de carbonato de cálcio e a dinâmica de ciclagem de válvulas na presença de incrustação, contemplando, portanto, dois fenômenos físicos e, consequentemente, dois modelos cujas variáveis devem ser intercambiáveis. A formação de incrustação é modelada considerando os cristais precipitados em escoamento turbulento aplicando abordagem híbrida Euler-Lagrange. A simulação é realizada através dos modelos acoplados CFD-DEM, incluindo a força de adesão como elemento fundamental de interação que acarreta a formação de aglomerados e dos depósitos na superfície. As principais variáveis de entrada são contextualizadas na engenharia de poços em função dos parâmetros de produção. As variáveis de resposta são a massa depositada, a taxa de deposição, a perda de carga, as quais são empregadas como inputs para a simulação da ciclagem. A dinâmica de ciclagem é simulada empregando o DEM em referencial de Lagrange em função da força de adesão, a qual é calculada a partir de procedimento de calibração realizado em função de testes tribológicos de carbonato de cálcio em substratos metálicos. Os resultados indicam a posição relativa da parte móvel ao longo do curso, sendo identificado o local de travamento, caso o mesmo ocorra. A metodologia de modelagem e simulação proposta é inovadora para a indústria de óleo e gás, viabilizando a avaliação e quantificação do risco de incrustação em documentos de qualificação de equipamentos em processo de licitação, bem como a possibilidade de respaldar o planejamento de intervenções e de manutenção. Para os fornecedores de equipamento, é possível propor melhorias estruturais a fim de reduzir a tendência à incrustação.
Abstract: It is customary for the oil industry to manage inorganic scale with inhibitors and squeezing. However, pumping downhole chemicals is not always an option in modern and smart completion systems with multiple production zones because of the inaccessibility in cableless smart completion systems. In fact, smart completion usually employs interval control valves (ICV) for production management, flowing the production through tiny flow ports. The valve itself has a complex geometry with a robust mechanical system installed for actuation, whose power input may be mechanical, hydraulic or electric. If downhole conditions are scale-prone (in terms of chemical composition, temperature, and pressure), ICV valves might be vulnerable for scaling turning itself into a precipitation spot that triggers the formation of crystals that eventually deposit elsewhere downstream. Associated problems with deposition are an increase in pressure drop because of available flow area reduction and risk of damaging key features for equipment actuation, permanently letting the valve stuck. Well operators frequently cycle ICV’s (closing the valve departing from the fully opened position and then opening it again) to wipe out deposits by mechanical action and reduce the pressure loss imposed by accumulated mass. Although cycling has advantages, it also has setbacks with the imminent risk of getting the valve stuck, requiring expensive and laborious workover maneuvers. The main objective of the present work is to propose a methodology for simulating calcium carbonate deposition and valve cycling in the presence of scaling. Alongside, it is possible to determine the ideal cycling frequency in terms of the accumulated mass of calcium carbonate. First, the inorganic scale formation is modeled considering the precipitated crystals as dispersed particles in a turbulent flow. Particles agglomerate because of adhesive force and eventually reach the walls by the action of flow dynamics, remaining adhered. The use of a hybrid Lagrangian-Eulerian approach allows simulating the scale formation in a ICV by the means of coupled methods CFD-DEM, monitoring the pressure increase, the accumulated mass as well scaling hot spots. Flow dynamic parameters derive from field production information and adhesive parameters are drawn from a calibration procedure, also proposed in the present work, based on tribology scratching tests of calciumcarbonate. Following the understanding of scale formation mechanisms, a Lagrangian approach is applied for the modeling of valve cycling with deposited calcium carbonate. The Discrete Element Method simulates the cycling operation applying to the ICV movable part an actuation force. The simulation monitors the position of the movable part that constantly interacts with particles, observing whether it reaches the fully closed position and, subsequently, opens again reaching the fully open position. The present work proposes a modeling and simulation procedure that is groundbreaking for the oil industry outlooking opportunities to better evaluate the scale risk of completion tools, qualify downhole parts in call for bids, and planning workovers interventions focusing in increasing production reliability and cost-cutting. The methods may also work as an inorganic scale mitigation tool, allowing well designers engineers to specify valves that are less prone vulnerable to scale.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41078
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