A indústria de óleo e gás há décadas constitui um setor de grande relevância estratégica para um país. Pelo seu alto custo fixo, melhorias no processo de extração e refino costumam representar um aumento considerável na margem de lucro, bem como tornar viável a extração em áreas que antes não eram. Desde a década de 60, a perfuração rotativa constitui a técnica mais consolidada na extração de óleo e gás em poços profundos. Essa técnica se baseia na utilização de uma coluna metálica extremamente esbelta, para transmissão de energia rotativa desde o nível da superfície até a broca, que pode se encontrar a quilômetros de profundidade no solo; e também na utilização de um sistema paralelo de circulação de fluido de perfuração, para retirada do cascalho, arrefecimento e lubrificação da broca, e manutenção da pressão interna na parede do furo de perfuração, no decorrer do processo. A elevada esbeltez da coluna de perfuração, e a presença de forças de interação não lineares sobre a coluna, especialmente forças de impacto e de atrito, são as principais causas das altas vibrações do sistema, das quais algumas são as responsáveis pela redução considerável na eficiência do processo de perfuração, quantificada pela taxa de avanço da broca com o sistema em pleno funcionamento. A presente proposta de doutorado teve como alvo o estudo do comportamento dinâmico de sistemas rotativos flexíveis, qualitativamente similares ao utilizado na técnica de perfuração rotativa. Na tentativa de melhorar a estabilização dessas estruturas rotativas muito esbeltas, sujeitas a torção e flexão, alguns passos foram dados no desenvolvimento de novas estratégias de controle do sistema, seja por meio de simulações numéricas, seja por meio de ensaios em bancada experimental. Na bancada experimental desenvolvida e utilizada no presente trabalho, alguns componentes rotativos estiveram submetidos a interações de impacto e escorregamento (rubbing), bem como a atrito seco, o que permitiu observar experimentalmente comportamentos não-lineares do sistema, tais como o stick-slip, fenômeno caracterizado pela ocorrência sucessiva de esticamento e distensão torcionais do eixo, causado principalmente pelo atrito.

The oil and gas industry has been a sector of great strategic importance for a country for decades. Due to its high fixed cost, improvements in the extraction and refining process usually represent a considerable increase in the profit margin, as well as making extraction viable in areas that were not previously. Since the 1960s, rotary drilling has been the most established technique for extracting oil and gas from deep wells. This technique is based on the use of an extremely slender metallic column to transmit rotating energy from the surface level to the drill bit, which can be found kilometers deep in the ground; and also in the use of a parallel drilling fluid circulation system, for removing the gravel, cooling and lubricating the bit, and maintaining the internal pressure on the wall of the drilling hole, during the process. The high slenderness of the drill string, and the presence of non-linear interaction forces on the string, especially impact and friction forces, are the main causes of the high vibrations of the system, some of which are responsible for the considerable reduction in efficiency. of the drilling process, quantified by the bit advance rate with the system in full operation. The present doctoral proposal aimed to study the dynamic behavior of flexible rotating systems, qualitatively similar to the one used in the rotary drilling technique. In an attempt to improve the stabilization of these very slender rotating structures, subject to torsion and bending, some steps were taken in the development of new system control strategies, either through numerical simulations or through experimental bench tests. In the experimental bench developed and used in the present work, some rotating components were subjected to impact and slip interactions (rubbing), as well as to dry friction, which allowed to experimentally observe non-linear behavior of the system, such as the stick-slip, phenomenon characterized by the successive occurrence of torsional stretching and relaxation of the shaft, mainly caused by friction.