Encontro da Rede Temática de Elevação Artificial
Rio de Janeiro, 03/09/2011
ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA
SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO
FUNDO DE POÇOS DIRECIONAIS
Oscar M. H. Rodriguez
Universidade de São Paulo - USP
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia Mecânica
Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos
Resumo da apresentação
1. O NETeF da USP: Linhas de Pesquisa e Alguns Números
2. Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional
de gás no fundo de poços direcionais
•
Resultados da 1ª Fase
•
•
Prêmio PETROBRAS de Tecnologia
Andamento da 2ª Fase
•
Aquisição de material permanente e instalação de nova
instrumentação
3. Apresentação de trabalho no 12th International Conference
MULTIPHASE FLOW IN INDUSTRIAL PLANTS
Ischia, Italy – September 21-23, 2011:
•
Water-assisted Flow of Heavy Oil in a Vertical Pipe: Pilotscale Experiments
1. Núcleo de Engenharia Térmica e
Fluidos (NETeF) da USP - São Carlos
Poço
invertido
Gangorra
Separador
gravitacional
Laboratório de
Escoamentos Multifásicos
Industriais do NETeF
NETeF: Linhas de Pesquisa e Alguns Números
Linhas de Pesquisa
(1) Instrumentação
(2) Fenomenologia de Escoamentos Multifásicos (gás-líquido,
líquido-líquido e gás-sólidos): Investigação Experimental e
Numérica
(3) Refrigeração
(4) Motores de Combustão Interna e Biocombustíveis
(5) Soluções para Escoamentos Bifásicos Industriais
NETeF: Alguns Números
•
4 Técnicos
•
1 Engenheiro Eletrônico
•
1 Engenheiro Mecânico
•
15 Estudantes de Iniciação Científica
•
30 Estudantes de Pós-graduação
•
6 Pós-doutores
•
8 Professores (todos com Pós-doutorado no exterior)
2. ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA
SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO FUNDO
DE POÇOS DIRECIONAIS
RESULTADOS DA 1ª FASE
Separador shourd invertido
Tubo de produção
N.A.I.
Shroud
Tubo de
revestimento
Fenomenología do Separador
Tubo de
produção
D
N.A.E.
B
N.A.I.
C
A
Shroud
Modelo de previsão da eficiência
Uma análise da fenomenologia do processo de separação mostra que
a energia dissipada em forma de turbulência no NAI que é proveniente do
choque do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI é o
fenômeno chave na solução e descrição do processo de separação, logo.
Sendo o número de Weber modicado (We* ) a razão entre a energia
cinética de impacto do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI
(Ek* ) e a energia de superfície do NAI (ES* ) .
Modelo de previsão da eficiência
Determinado a possível grandeza admensional que possa representar
o processo de separação, então a curva de eficiência máxima fica .
onde:
LNAI  distancia entre entrada da bomba e o NAI
DH  diâmetro hidráulico do separador shroud
Modelo de previsão da eficiência
Para calcular o número de Weber modificado, tem-se.
onde:
L  densidade do líquido [ kg/m³ ]
u  velocidade da superfície livre (determinada pela equação
de Chezy) [ m/s ]
Si  comprimento da interface gás-líquido no escoamento em
superfície livre [ m ]
  tensão superficial [ N/m ]
Resultados
Fenômenos observados
Líquido
+ gás
Gás
Nível de líquido
Inundação
Tubo de produção
Revestimento
Separador Shroud
Gás
Líquido
Líquido + gás
Ocorre quando o líquido
preenche e até mesmo cobre
todo
o
separador
shroud
invertido.
Resultados
Fenômenos observados
Líquido
+ gás
Gás
Nível de líquido
Afogamento
NAI
Tubo de produção
Revestimento
Separador Shroud
Gás
Líquido
Líquido + gás
No afogamento, ocorre
um acumulo de líquido acima do
separador, enquanto que em seu
interior, observa-se a formação
do escoamento em superfície
livre.
Resultados
Comportamento do separador em relação ao afogamento e
a inundação
105
100
100
95
95
 (%)
 (%)
105
90
90
85
80
0,0000
85
Afogado
Inundado
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
QP (m³/s)
Separador inclinado em 15.
0,0012
80
0,0000
Afogado
Inundado
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
QP (m³/s)
Separador inclinado em 60.
0,0012
Resultados
Comportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI para ar-água
105
100
95
90
85
 (%)
80
75
70
65
60
55
50
-1
0
1
2
3
4
LNAI (m)
5
6
7
8
Resultados
Comportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI para ar-óleo
105
100
95
90
85
 (%)
80
75
70
65
60
55
50
-1
0
1
2
3
4
LNAI (m)
5
6
7
8
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
LNAI (m)
LNAI (m)
Resultados
Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-água
3
3
2
2
1
1
8
0
0
-1
-1
0
10
20
30
40
50
o
( )
60
70
80
90
100
7
0
10
20
30
50
40
4
60
70
80
90
100
( )
Vidal (2010)
6
5
o
 < 100%
 = 100%
Resultados
Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-óleo
8
7
6
8
4
7
3
2
6
1
5
0
-1
0
10
20
30
40
50
o
( )
60
70
80
LNAI (m)
LNAI (m)
5
90
4
3100
2
 < 100%
 = 100%
Resultados
Determinação dos coeficientes do modelo de previsão de
eficiência
A curva de eficiência máxima foi ajustada aos dados experimentais de cada
inclinação com o software Origin 8.1. Três coeficientes m e n foram obtidos, um para
cada angulação estudada. Utilizando os coeficientes obtidos obteve-se as seguintes
equações.
 Para Resl  2000 
 Para Resl > 2000 
Onde Resl é o número de Reynolds do escoamento em superfície livre.
8,0
160
7,5
7,0
140
6,5
6,0
120
5,5
5,0
100
4,5
4,0
80
LNAIAd
LNAI (m)
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
0
-0,5
0,0000
0,0002
8,0
0,0004
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0
10
20
30
40
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 15.
Modelo
50
We*
60
70
80
90
100
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
8,0
200
7,5
7,0
180
6,5
6,0
160
140
120
4,5
4,0
100
LNAIAd
LNAI (m)
5,5
5,0
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
-0,5
0,0000
80
0
0,0002
8,0
0,0004
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0
20
40
60
80
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 45.
Modelo
100
We*
120
140
160
180
200
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
8,0
200
7,5
7,0
180
6,5
6,0
160
140
120
4,5
4,0
100
LNAIAd
LNAI (m)
5,5
5,0
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
-0,5
0,0000
80
0
0,0002
8,00,0004
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 60.
Modelo
We*
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
LNAI (m)
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
-0,5
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Modelo
Separador posicionado na vertical.
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
8,0
200
7,5
7,0
180
6,5
6,0
160
140
120
4,5
4,0
100
LNAIAd
LNAI (m)
5,5
5,0
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
-0,5
0,00000
80
0
0,00005
8,0
0,00010
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,00015
0,00020
0,00025
0,00030
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 15.
Modelo
2,5
We*
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
8,0
200
7,5
7,0
180
6,5
6,0
160
140
120
4,5
4,0
100
LNAIAd
LNAI (m)
5,5
5,0
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
-0,5
0,00000
80
0
0,00005
8,0
0,00010
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,00015
0,00020
0,00025
0,00030
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 45.
Modelo
2,5
We*
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
8,0
200
7,5
7,0
180
6,5
6,0
160
140
120
4,5
4,0
100
LNAIAd
LNAI (m)
5,5
5,0
3,5
3,0
60
2,5
2,0
40
1,5
1,0
20
0,5
0,0
-0,5
0,00000
80
0
0,00005
8,0
0,00010
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
-20
0,00015
0,00020
0,00025
0,00030
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
QP (m³/s)
 < 97%
 > 97%
Separador inclinado em 60.
Modelo
2,5
We*
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
LNAI (m)
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
0,00000
0,00005
0,00010
QP (m³/s)
8,0
7,5
7,0
Separador posicionado na vertical.
6,5
6,0
0,00015
Para vazões de líquido
superiores a 0,00005 m³/s e
para a vazão de gás fixada em
0,00417 kg/s tem-se eficiência
maior que 97%.
Para vazões de líquido
superiores a 0,00005 m³/s e
para a vazão de gás fixada em
0,00028 kg/s tem-se eficiência
menor que 97%.
Com vazão de líquido
fixada em 0,00002 m³/s e a de
gás em 0,00028 kg/s a
eficiência é menor que 97%.
 < 97%
 > 97%
Conclusões
1. O separador descarta peças móveis que causariam prováveis paradas para
manutenção, comprometendo a produção.
2. O presente trabalho mostrou a separação total do gás tanto para líquidos de
baixa viscosidade, água, como para líquido de alta viscosidade, óleo com
300 cP.
3. Na faixa de vazões de ar e água testadas, o padrão de escoamento no
anular externo não tem maior influência sobre a separação do gás no
separador.
4. Dois fenômenos que interferem na eficiência foram identificados, a
inundação e o afogamento.
5. Um modelo foi proposto e testado com sucesso para os casos em que o
separador opera nos regimes de escoamento laminar e turbulento.
6. Para o separador operando com ar-água a separação do gás começa a se
tornar ineficiente a partir de 60 de inclinação
7. Operando com ar-óleo, para angulações a partir de 45 o separador começa
a se tornar ineficiente.
O trabalho foi agraciado em 2011
PRÊMIO PETROBRAS DE TECNOLOGIA – 5ª EDIÇÃO
Tecnologia de Perfuração e de Produção
ANDAMENTO DA 2ª FASE
TC assinado pela PETROBRAS em abril de 2011
Aquisição de material permanente
Estado
Não Adquiridos
Adquiridos/Em processo
Total
Total Previsto
Real/Previsto (%)
Itens
5
15
20
Valores totais
89.533,76
89.533,76
136.300,00
65,69
Adequação do laboratório:
Instalação e calibração de instrumentação
Novo compressor de
parafuso
Filtragem primária de
particulado, óleo e
umidade
Filtragem secundária
de particulado, óleo e
umidade
Válvulas para controle
remoto das vazões
Novos medidores de
vazão de ar
12th International Conference
MULTIPHASE FLOW IN INDUSTRIAL PLANTS
Ischia, Italy – September 21-23, 2011
WATER-ASSISTED FLOW OF HEAVY OIL IN
A VERTICAL PIPE: PILOT-SCALE
EXPERIMENTS
Antonio C. Bannwarta, Oscar M. H. Rodriguezb, Jorge L. Biazussia,
Fabio N. Martinsb, Macelo F. Sellib, Carlos H. M. de Carvalhoc
a
Dept. Petroleum Engineering, UNICAMP, Campinas, SP, Brazil
[email protected]
b Dept. Mechanical Engineering, EESC - USP, São Carlos, Brazil
[email protected]
c PETROBRAS, CENPES/PDP/TE, Rio de Janeiro, Brazil
[email protected]
Multiphase-flow Loop of the Research Centre
(CENPES) of PETROBRAS, Brazil
Fluids separator and tanks
300-m-deep well head
Changes carried out
Data acquisition and bullet-proof visualization section
Observed core-annular flow (6-hour-long test)
RESULTS
25% decrease of bottom-hole pressure
150% increase of oil production rates