Medidor de Fração de Água para Escoamento
Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de
Micro-ondas e Cavidades Ressonantes
Eduardo Scussiato
Orientador: Daniel J. Pagano
Co-orientador: Walter Carpes
PPGEAS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas
UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina
30 Abril de 2010
Conteúdo
• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Medição Multifásica
INTRODUÇÃO
• Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás
• Escoamento Bifásico: Óleo e Água
Bolha
Golfada
Transição
Nevoeiro
Medição Multifásica
INTRODUÇÃO
• Vazão Volumétrica:
Água e Óleo:
Homogêneo:
Vazão Volumétrica:
• Vazão Mássica:
Objetivo:
[m³/s]
Medição Multifásica
• Ocorre em todo processo produtivo
INTRODUÇÃO
Medição Multifásica
CARACTERIZAÇÃO
• Avaliar a Produção / Recuperação
Conteúdo
• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Medição Multifásica
CARACTERIZAÇÃO
• Longo tempo para estabilizar
• São conectados a unidades Móveis
• Grandes e Pesados
• Manutenção
Medição Multifásica
• Todos Importados
• Sistema de Medição Complexo
– Custo elevado
• $300.000,00 – topside
• $500.000,00 – subsea
[Vx Technology - Schlumberger]
CARACTERIZAÇÃO
Conteúdo
• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Medição Multifásica
MOTIVAÇÃO
• Há uma tendência em automatizar campos
produtores
• Métodos:
– Separação total;
– Sem separação;
– Separação parcial.
MOTIVAÇÃO
• Técnicas:
–
–
–
–
Capacitância e Resistência;
Atenuação Radioativa (Raio-X e Raio-Gamma);
Ultrassom;
Micro-ondas (Ondas Eletromagnéticas).
• Medidores por ondas eletromagnéticas:
–
–
–
–
–
Possibilitam a leitura das medições em tempo real;
Medem sem a separação das fases;
Medições instantâneas e contínuas;
Pequenos e leves;
Fácil instalação e manutenção.
Conteúdo
• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
OBJETIVOS
• Desenvolver um medidor de fração de água
para escoamento de água e óleo por ondas
eletromagnéticas em cavidade ressonante;
• Medição em dutos de forma não intrusiva;
• Baixo custo;
• Medição em ampla faixa de fração de água (0-100%);
• Estável e confiável;
• Parâmetros metrológicos adequados.
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Cavidades Ressonantes
•
•
•
•
TEORIA
Cúbicas ou Cilíndricas;
Frequência de Corte x Dimensões;
Infinitas Frequências Ressonantes;
Padrão de Campos:
Elétrico
Magnético
Cavidade Ressonante: Cilíndrica
• Frequência Ressonante
µ = Permeabilidade Magnética [N/A²]
(µ = µ0 µr )  µr = 1
ε = Permissividade Elétrica [F/m]
(ε= ε0 εr)  εr = ?
Material
εr
Ar
1
Petróleo
2,1
Óleo Mineral
2,3
Água doce
81
TEORIA
Cavidades Ressonantes: Permissividade
Relação de Debye:
TEORIA
Tempo de Relaxação:
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Especificações
SENSOR
• Frequência Operação:
– ↑ Frequência
↓ Perdas  ↓Diâmetro ↑ Custo
• 10GHz: Perdas Desaparecem  Diâmetro Cavidade ≈ 1mm
– FrMáx. < 400 MHz;
• Mensurar em duto de 3”;
• Não ser intrusivo;
• Definir:
– Modo propagação;
– Excitação/Recuperação;
– Dimensões da cavidade.
Simulação: HFSS
• EigenMode: Campos Eletromagnéticos
–
Um modo normal de vibração de um sistema oscilador
TE111
SENSOR
Especificações - Dimensões
• Cavidade 3” diâmetro
– Água: Fr = 280 MHz
– Óleo: Fr = 1.735,0 MHz
– Δf = 1455,0 MHz
• Define-se:
– Diâmetro=5” (a = 6,35cm)
– d = 15cm
SENSOR
Especificações - Brüggeman
SENSOR
• Permissividade Equivalente: Brüggeman
• Mistura de água\óleo
Água[%]
εr (Brüggeman)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,1
5,3
10
15,8
22,8
30,6
39,3
48,7
58,9
69,6
81
Especificações - Vão
SENSOR
AR
ÁGUA
εrVão= εrA = 1
εrVão= εrW = 81
εrPVC=2,1
εrPVC=2,1
Brüggeman
Brüggeman
εrSensor=1,09
εrSensor=68,84
Vão preenchido com ar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
εr (Equivalente)
1,68
3,36
5,75
8,7
12,18
16,11
20,45
25,17
30,23
35,63
41,31
Fr. [MHz]
1316
932
712
579
489
425
378
340
311
286
266
Água[%]
Vão preenchido com água
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
εr (Equivalente)
36,0
38,2
41,2
44,8
48,6
52,6
56,8
60,9
65,0
69,3
76,4
Fr. [MHz]
285
276
266
255
245
235
227
219
219
205
195
Água[%]
Ar (Δfr=1050MHz)
Água (Δfr=90MHz)
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
HFSS
SIMULAÇÃO
• Excitação Modal (Driven Modal)
– Atenuação de Tx  Rx
Ressonâncias
Homogênea: Brüggeman
SIMULAÇÃO
Homogênea: Brüggeman
SIMULAÇÃO
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• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
Estático
EXPERIMENTO
Estático: Óleo Mineral
EXPERIMENTO
Estático: Óleo Diesel
EXPERIMENTO
Estático: HFSS x Diesel x Mineral
EXPERIMENTO
Estático: Água Salgada (250 kppm – σ =25 S/m)
EXPERIMENTO
EXPERIMENTO
Dinâmico
• Realizado em 2 etapas:
– 20 litros de água
– 20 litros de óleo
• Mistura homogênea
Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%)
EXPERIMENTO
Dinâmico: Experimento 2
EXPERIMENTO
Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático
EXPERIMENTO
Dificuldades
EXPERIMENTO
Futuro
EXPERIMENTO
Conteúdo
• Introdução a Medição Multifásica
• Caracterização do Problema
• Motivação
• Objetivos
• Teoria Eletromagnética e Permissividade
• Sensor
• Resultados Simulação
• Resultados Experimentais
• Conclusão
CONCLUSÃO
• Micro-ondas em cavidades ressonantes:
– Medição da fração de água em dutos;
– Medição não intrusiva:
• Protege as antenas;
• Não provoca queda de pressão na linha;
• Permite limpeza/enceramento de dutos.
– Medição em ampla faixa de fração de água:
• Combustíveis;
• Tratamento de água;
• Produção de petróleo.
CONCLUSÃO
• Resultados de simulação e experimentos:
– Simulação de caso ideal: Ɛrw=81 e Ɛro=2,1;
– Experimento:
•
•
•
•
•
•
Presença de impurezas na água;
Presença de aditivo no óleo;
Bomba monofásica;
Bolhas de ar fluindo na mistura;
Variação de temperatura;
Erros de medições:
– Dimensões da cavidade;
– Diferenças nos volumes das amostras.
CONCLUSÃO
• Experimento com água saturada de sal
– Mantêm a ressonância e o principio de funcionamento;
– Elevadas perdas (σ ≈ 25 S/m);
– Reduz a penetração das ondas EM;
– Reduz o fator de qualidade;
– Eleva os erros de medição.
Gerou as seguintes publicações
CONCLUSÃO
– Desenvolvimento de um medidor de fração de água para escoamento
bifásico (água e óleo) utilizando técnicas de micro-ondas em cavidade
ressonante. 5º Congresso Brasileiro de PD em Petróleo e Gás, 2009,
Fortaleza/CE.
– Development of water cut sensor for two fase (oil and Water) flow in pipeline
by microwave in resonator cavity. ESSS South American Ansys User
Conference, 2009, Florianopolis/SC;
– Medidor de fração de água para aplicações de controle e automação da
produção de poços de petróleo. Rio Oil and Gas, 2010, Rio de Janeiro/RJ,
(submetido);
– Medidor eletromagnético de fração de água para escoamento bifásico de
água e óleo. XVIII Congresso Brasileiro de Automática - CBA, 2010,
Bonito/MS, (submetido).
Direções para trabalhos futuros
CONCLUSÃO
– Estudo do modo TM010 e comparar com o modo TE111;
– Desenvolvimento de um sistema eletrônico de
processamento de sinal;
– Inclusão de sensores de temperatura e de salinidade;
– Medição da velocidade média dos fluídos;
– Realização de experimentos dinâmicos com diferentes
padrões de escoamentos;
– Estudo para avaliar o monitoramento das três primeiras
ressonâncias;
– Utilização de medições distribuídas (tomógrafo) para
caracterizar os tipos de escoamento;
– Levantamento dos parâmetros metrológicos do sensor.
AGRADECIMENTOS
Laboratório de Circuitos
Integrados
[email protected]