Escoamento em tubulações horizontais

Durante um extenso período de tempo, os poços de produção foram perfurados de modo que o acesso à zona produtora se dava por um trecho de coluna vertical de pequeno comprimento. Devido a essas características construtivas, poços desse tipo são costumeiramente chamados de verticais.

Recentemente, o acesso à zona produtora de um poço obedece a novos paradigmas. Em particular, a perfuração é agora feita horizontalmente, e de modo prolongado, com o intuito de abranger a maior extensão possível da zona produtora. Esses poços são chamados simplesmente de poços horizontais. Uma superior extensão da região de coleta de petróleo tem sido observada aumentar substancialmente a produtividade de um poço. Alguns novos projetos de poços já contemplam trechos horizontais com até 2.000 metros de extensão. Em sistemas de tubulações de produção de petróleo, onde o comprimento total – incluindo os condutos do escoamento e os umbilicais – em geral é inferior a 10.000 metros, a contribuição dos efeitos do escoamento na região horizontal do poço exerce certamente um papel importante na definição das propriedades finais do escoamento global. Um exemplo típico é a definição da perda de carga local.

Dada a longa extensão da região de escoamento confinado no interior do poço, não se justifica utilizar premissas de cálculo de perda de carga baseadas em simplificações grosseiras. Os efeitos combinados da (i) geometria da área suscetível ao escoamento no interior do poço, em particular, de sua rugosidade, e (ii) da transpiração de fluido na parede, definem efeitos importantes que devem ser corretamente modelados no cálculo do atrito na parede, e, consequentemente, na perda de carga global do sistema.

Cabe ainda ressaltar que normalmente os poços horizontais recebem a alimentação do reservatório de modo contínuo. Entretanto, situações podem ocorrer onde a drenagem varia espacialmente. Isso significa que modelos para a previsão do atrito na parede, por exemplo, precisam ser locais. Em especial, o acoplamento entre as propriedades do escoamento e do próprio poço precisão ser entendidas. A inter-relação dessas propriedades, e, em particular, entre os campos de pressão, deverá influenciar de modo decisivo a drenagem do meio poroso. Outro aspecto importante a se considerar no problema é a provável ocorrência de regimes multifásicos nos condutos.

De fato, as altas pressões esperadas no fundo do poço podem já estar em níveis abaixo da pressão de saturação, o que provoca o aparecimento de escoamentos bifásicos de óleo e gás. Como um sério agravante, pode ocorrer ainda no poço a produção de água. Neste caso, uma configuração complexa tri-fásica gás-óleo-água pode se formar. Todas essas variantes devem ser agora consideradas à luz da discussão anterior. Não apenas a perda de carga passa a variar com o regime, como também o modo como o poço é drenado.

A estabilidade do escoamento multifásico em situações onde o trecho horizontal possua uma leve inclinação e as vazões sejam baixas também deve ser analisada com cuidado. Problemas de instabilidade podem ocorrer em testes para o levantamento de índices de produtividade de um poço. É fato comum nesses testes que o poço ainda não esteja interligado à plataforma de produção. Neste caso, o teste é feito em uma sonda de completação, a qual não possui capacidade de receber grandes vazões de óleo e gás. Portanto, ela trabalha com o sistema restrito a baixas vazões, o que pode acarretar instabilidades no escoamento.

O pesquisas realizas no LabMecTurb possuem como objetivo principal desenvolver equações de fechamento para a construção de um modelo unidimensional preditivo capaz de avaliar:

• A perda de carga no trecho horizontal de um poço em condições de escoamento monofásico, bifásico óleo-gás e trifásico óleo-gás-água.
• A forma como o poço drena o meio poroso.
• As condições em que instabilidades de escoamentos bifásicos induzidas pela geometria do poço podem ocorrer.

Adicionalmente, a pesquisa deverá fornecer um conjunto de informações experimentais para a validação dos modelos propostos. Os resultados obtidos deverão ser auxiliares especificamente na construção do modelo proposto, devendo ser utilizados na construção de um modelo geral a ser adicionado ao simulador MARLIM®. Como exemplo de dados experimentais relevantes, buscar-se-á os perfis de velocidade que se desenvolvem ao longo do poço horizontal para diversas condições de drenagem do meio poroso. Todos os experimentos estão sendo conduzidos na COPPE/UFRJ.

Os protótipos a serem utlilizados serão construídos e instalados no Laboratório de Mecânica da Turbulência do PEM/COPPE/UFRJ.  As medições recorrerão à anemometria laser Doppler (ALD) e à velocimetria por imagem de partícula (VIP) para a caracterização dos perfis de velocidade. As perdas de pressão ao longo da tubulação serão monitoradas. Os regimes de escoamento serão caracterizados por técnicas fotográficas.

Ganhos tecnológicos:

• Problema técnico a ser resolvido para o setor.
  - Modelagem de escoamentos multifásicos no interior de poços horizontais.
• Aplicação no setor de petróleo e gás natural.
  - Tecnologia de elevação e escoamentos multifásicos.
  - Tecnologia de poços.
• O benefício/técnico econômico.
  - Projeto racional de redes de tubulações.
  - Especificação correta de equipamentos e suas condições de operação.

>> Demo FatorAtritoTranspiracao - Interface

Este simulador ilustra como o fator de atrito em uma tubulação varia com alterações na velocidade de transpiração na parede e com o número de Reynolds.

>> Demo PerdaCargaTranspiracao - Interface

Este simulador ilustra como a perda de carga em uma tubulação horizontal com 1000 metros varia com alterações na sua vazão (isto é, na velocidade de transpiração na parede) e com o seu diâmetro.

Escoamento em válvulas ciclônicas

Na indústria petrolífera, o fluido extraído de um poço constitui-se de diversos compostos naturais, dentre os quais se destacam os hidrocarbonetos e a água. Em algum momento este fluido precisará ser processado de modo a expurgar a água e permitir a continuidade do processamento do óleo.  Por configurar um processo de depuração do fluido anterior ao refino do óleo propriamente dito, qualquer operação desta natureza representa um custo a mais e indireto na produção de petróleo.

O fluido petrolífero ao ser extraído alcança a cabeça do poço produtor com um elevado valor de pressão em função das características do reservatório ou do método de elevação artificial; neste ponto utiliza-se uma válvula para quebrar a pressão do escoamento produzido e permitir o controle da vazão do poço produtor, harmonizando-a à pressão de trabalho dos equipamentos a jusante. Esta válvula é conhecida como "válvula choke". A quebra ou redução de pressão de produção acarreta um problema a ser resolvido que é o alto nível de emulsificação das fases líquidas constituintes do fluido petrolífero.

Este fenômeno é patente no fluido petrolífero colhido imediatamente após a "válvula choke" situada na saída do poço. Até o momento, as "válvulas choke" e as válvulas de controle de processo convencionais têm sido projetadas para oferecer a maior capacidade possível de queda de pressão e, portanto, regulagem de vazão, dividindo o circuito, no ponto em que são aplicadas, em uma zona a montante - de pressão mais alta, e, outra a jusante - de menor pressão. Não existe até o momento nenhuma preocupação, por parte dos projetistas de válvulas, com o nível de emulsificação dos componentes da mistura, gerado pela aplicação da válvula no circuito.

As válvulas ciclônicas bucam resolver os problemas citados acima por meio da conversão da energia de pressão presente em escoamentos em energia cinética de rotação até que sua dissipação ocorra por atrito molecular, evitando assim a dissipação típica provocada pela turbulência das válvulas convencionais. As válvulas ciclônicas visam assim permitir o controle das variáveis de processo pela quebra de pressão em escoamentos constituídos de pelo menos duas fases, em qualquer ponto de uma planta de processamento primário de petróleo, ou outras aplicações industriais multifásicas, sem induzir ao escoamento qualquer tipo de turbulência que contribua para um aumento da emulsificação das fases presentes no fluido.

Trata a presente pesquisa de caracterizar o escoamento no interior de válvulas ciclônicas por intermédio da anemometria laser Doppler (LDA) e da velocimetria por imagem de partícula (PIV). Tal caracterização se dará em protótipos a serem especialmente construídos, com características geométricas fornecidas pelo CENPES. 

Aspersão de líquido em gasodutos

Um problema relevante no transporte de óleo e gás por dutos é o de garantia de escoamento. Neste aspecto, destaca-se a questão da formação de hidratos. Para evitar a ocorrência de hidratos, uma das abordagens utilizadas é a de injeção de inibidores na corrente de fluidos que são transportados no duto.

A formação de hidratos demanda uma atenção ainda maior quando se trata do transporte de gás. A injeção de inibidores em gasodutos deve ser feita de modo que este se disperse o mais rapidamente no escoamento principal. Adicionalmente, a dispersão com a qual efetivamente o inibidor atuará na seção transversal do duto impedindo a formação de hidratos deve ser assegurada ao longo de todo o gasoduto. Determinar de forma segura como se distribui na seção transversal de um gasoduto uma dispersão de inibidor após escoar por um longo trecho de duto não é tarefa simples. De fato, não existem modelos simples e confiáveis para a determinação desta distribuição da dispersão ao longo de um gasoduto. Assim, quando se projeta um sistema de injeção de inibidor de hidrato para um gasoduto, uma série de dúvidas surge a respeito do modo como ocorrerá a interação entre inibidor e a corrente principal.

Uma questão relevante concerne o modo como o inibidor é injetado no gasoduto. De fato, o modo como inibidor é injetado no gasoduto talvez seja o aspecto mais importante para que a dispersão no gasoduto seja efetiva e se estenda por todo o comprimento deste. Um ponto de injeção com baixa emissão de quantidade de movimento transversal corre o risco de todo o inibidor se estratificar. Neste caso, qualquer dispersão que vier a ocorrer será pelas condições da turbulência presente no escoamento principal de fluidos, o qual pode, para altas velocidades de gás e turbulência, até dispersar completamente o inibidor. No entanto, a velocidade de escoamento do gás pode não ser suficiente para garantir uma dispersão segura de inibidor.

Um modo alternativo de se depender menos das condições do escoamento principal para promover a dispersão do inibidor é utilizar bicos aspersores, os quais fragmentariam o inibidor ao ser lançado no gasoduto. Definir a melhor maneira de se trabalhar com estes bicos é, em muito, dependente da relação entre o menor diâmetro de gota em que o inibidor pode ser fragmentado e a quantidade de energia que é consumida neste processo, o que implicaria em se trabalhar com uma maior pressão na linha de injeção. Determinar qual bico levaria à melhor relação fragmentação/consumo de energia é importante. Outra questão a ser considerada é como dispor estes bicos de acordo com suas posições para garantir uma dispersão eficiente em um campo de velocidades que evite o coalescimento destas gotículas ao serem lançadas no gasoduto.

A presente pesquisa busca entender melhor a dinâmica da aspersão de inibidores de hidratos em tubulações de gás. Como resultado importante, busca-se um modelo simples para o dimensionamento e a previsão do comportamento das gotículas com equações de fechamento adequadas. Experimentos com traçadores fluorecentes estão sendo conduzidos para a caracterização da dispersão de inibidores ao longo da tubulação.

A simulação numérica do fenômeno está sendo feita através de modelos baseados nas equações de Reynolds (equações médias de Navier-Stokes, EMNS) e em simulação de grandes escalas (SGE).

Simulação física de escoamento gás/líquido aplicado a poço

Em operações de perfuração de poços, um bom entendimento do escoamento e da distribuição de pressões ao longo de sua extensão é de fundamental importância para que se tenha um controle efetivo da operação, aumentando sua segurança operacional e diminuindo o tempo perdido.

Quando se utiliza fluidos de perfuração de base não aquosa, ocorre um influxo indesejado de gás. Temos assim um escoamento bifásico líquido/gás onde o gás é solúvel no líquido. Devido a essa solubilidade, a fração de gás tende a cair com o tempo, o que deve acarretar uma mudança no regime de escoamento e, consequentemente, nas pressões de projeto.

Caracterização experimental das propriedades dinâmicas de escoamentos pistonados

 O escoamento bifásico vertical é típico em várias aplicações industriais. No caso da indústria de petróleo brasileira, é o escoamento com presença mais freqüente na produção e transporte de misturas bifásicas, dadas as características dos campos produtores e dos fluidos produzidos na Bacia de Campos. Em um escoamento bifásico, as fases distribuem-se de maneira muito particular, caracterizando diversos arranjos topológicos, denominados de padrões de escoamento. Estes arranjos topológicos são então estruturas dinâmicas no escoamento, determinadas por propriedades físicas das fases, dimensões do sistema e condições operacionais: viscosidade, tensão superficial, diâmetro, inclinação, vazões, pressão, etc.

A presente pesquisa tem por objetivo determinar as propriedades dinâmicas do escoamento bifásico ar-água ascendente, de fluidos co-correntes, no regime pistonado em uma tubulação vertical de acrílico de por intermédio das técnicas de VIP (Velocimetria por Imagem de Partículas) e MIS (Método de Identificação das Sombras), bem como a sua comparação com os resultados obtidos por intermédio de modelos hidrodinâmicos para padrões de escoamento pistonado.

O aparato multifásico ar-água, construído especialmente para os ensaios a serem realizados na pesquisa, consiste de (i) um tubo de acrílico com diâmetro de 25mm e de 3m de comprimento instalado verticalmente, (ii) uma bomba centrífuga, (iii) um inversor de freqüência para bomba centrífuga, (iv) um compressor, (v) um dispositivo de injeção de ar, (vi) um tanque para recirculação de água, (vii) válvulas de controle de vazão de ar (agulha), (viii) rotâmetro de ar, (ix) rotâmetro de água, (x) transdutor de pressão, (xi) o sistema de VIP e o (xii) sistema MIS.

Neste trabalho as velocidades das fases líquida e gasosa foram obtidas experimentalmente através das técnicas VIP e MIS.

Condições de parede para a simulação numérica de técnicas de elevação artificial

A técnica conhecida como elevação por injeção de gás (TEG) é um exemplo típico de sistema de elevação artificial, cuja fenomenologia do escoamento depende da geração de bolhas para o aperfeiçoamento da surgência do poço. Desenvolver modelos que explorem o escoamento borbulhante presente nessa tecnologia permite conhecer a fundo o fenômeno para propor evoluções na válvula de injeção de gás, desenvolver outros tipos de intervenção mecânica ou mesmo usar técnicas de controle a fim de oferecer maior economicidade e eficiência na produção de hidrocarbonetos, podendo os três itens mencionados serem combinados para a uma concretização mais vantajosa. A tecnologia de injeção de gás é empregada quando a pressão de fundo de poço inicia um processo de decréscimo lento até tornar o poço improdutivo após anos de produção. Ao injetar gás por meio de válvulas, a perda de carga gravitacional é contrabalanceada resultando globalmente em uma diminuição da pressão na entrada do tubo (PFP - pressão de fundo de poço). A queda de pressão no tubo vertical implica uma queda de pressão no reservatório, que leva a um aumento da vazão de óleo produzida.

A modelagem dos diferentes regimes de escoamento e a percepção correta do regime em funcionamento na produção de fluido podem fomentar ações que visam uma intervenção correta no funcionamento desse sistema, quando adotado para a recuperação da produção de poços maduros. O presente estudo busca uma elucidação do fenômeno de escoamento borbulhante turbulento com picos de fração de vazio próximo da parede.

De fato, dependendo das condições do escoamento, os perfis de fração de vazio podem apresentar picos próximos à parede ou no centro da tubulação. Tipicamente, para bolhas com diâmetros inferiores a 5-6 mm os picos se localizam próximos à parede. Em caso contrário, o ponto de fração de vazio máxima se desloca para o centro. (Figuras ilustrativas obtidas de Ooms e Guet, 2006, Ann. Rev. Fluid Mech., 38:225-249.)

Para a predição das propriedades de escoamentos bi-fásicos em tubulações, vários modelos têm sido propostos na literatura. Uma dificuldade presente em muitos deles diz respeito à descrição do processo de acoplamento entre os perfis de velocidade e de fração de vazio. Para lidar com este problema, modelos de dois fluidos baseados em descrições eulerianas são freqüentemente utilizados. Nestes modelos as fases contínua e dispersa são tratadas igualmente como contínuas.

O presente trabalho propõe através de técnicas de perturbação novas expressões analíticas de lei da parede para a especificação da velocidade média do escoamento (u), da energia cinética turbulenta (kappa) e da taxa de dissipação da energia cinética turbulenta (epsilom). As novas expressões são parametrizadas em termos do pico de fração de vazio encontrado junto à parede.

Plumas - Publicações em Jornais

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