alguns aspectos de escoamento multifásico na … · alguns aspectos de escoamento multifásico na...

Alguns Aspectos de Escoamento Multifásico na Produção de Petróleo

I Encontro de Pesquisadores em Mecânica dos Fluidos

EESC-ICMC-UFSCar, 31 de março 2006

Vermelding onderdeel organisatie

December 4, 2012

1

Oscar M. H. Rodriguez – SEM-EESC-USP

Outline:

1. Introdução

2. Produção de petróleo pesado: “core-annular flow”

3. Poço inteligente: inversão de modelos multifásicos para monitoramento de poços horizontais e inclinados

3.1. Escoamento estratificado

December 4, 2012 2

3.2. Escoamento disperso

4. Áreas potenciais de interação

1 - Introdução

• Escoamentos multifásicos são importantes em numerosos processos naturais e industriais

• São compostos de duas ou mais fases arranjadas em diversas configurações geométricas ou padrões de fluxo.

deposition

December 4, 2012 3

entrainment

gasdroplet

liquid filmbubble

Escoamento bifásico ar-água no padrão de

fluxo anular

Produção de petróleo e gás

Escoamento bifásico óleo-água

Aplicações: industria de

December 4, 2012 4

industria de petróleo

Ex.: produção e transporte de petróleo

2. Produção de petróleo pesado: “core-annular flow”

December 4, 2012 5

1 - O IL

2 - W A T E R

U

g

U

• Produção e transporte de óleo pesado

2 - ÁGUA

g

1<<oil

water

µ

µ

Fluidos Imiscíveis1-

2-

2- Produção de petróleo pesado: “core-annular flow”

December 4, 2012 6

U 2 U 1 de óleo pesado

• Redução de perda de pressão significativa

• Aplicável tanto onshore quanto offshore

CIENTEC2001 - UNICAMP

V1V2

g

Linhas de teste vertical ascendente e horizontal (2.84 cm ID glass tube)

December 4, 2012 7

Core-flow vertical ascencente

Projeto: Transporte de Óleos PesadosProjeto: Transporte de Óleos Pesados

Poço FAL-09 da PETROBRAS usado nos testes

December 4, 2012 8

BCP Tanque e caminhão para transporte

Linha de teste do core-flow: 7.5 cm DI e 300 m

Resultados Experimentais de Campo

1Q& [m3/h] J1 [m/s] 1Q& /( 1Q& + 2Q& )[%] Gf [psi/m]

13,8 0,8 77,7 0,068

17,2 1,0 81,3 0,077

18,0 1,1 82,0 0,076

1Q& [m3/h] V1[m/s] Gf [psi/m]

2,4 0,14 0,60

Óleo pesado escoando sozinho:

Com core-flow:

December 4, 2012 9

FR = flowcoref

óleof

G

G

−

= 160

7.5 vezes mais óleo transportado com perda de pressão 8 vezes menor

Fator de redução de perda de pressão

Projeto: Elevação de Óleos PesadosProjeto: Elevação de Óleos PesadosEESCEESC--UNICAMPUNICAMP--PETROBRASPETROBRAS

December 4, 2012 10

Separador de fluidos e tanques de estocagem

Cabeça do poço de 4” e 300 m de profundidade

Cabeça do poço após as modificações

December 4, 2012 11

Seção de visualização

Escoamento anular observado

December 4, 2012 12

Queda de Pressão

December 4, 2012 13

Taxa de produção

December 4, 2012 14

Redes Neurais para identificação e controle do padrão de escoamento core-flow

pesos dassinapses

pesos dassinapses

pesos dassinapses

December 4, 2012 15

camada 1de neurônios

camada 2de neurônios

camada 3de neurônios

Padrões de Escoamento óleo pesado-água:

December 4, 2012 16

Padrão Anular “Core-flow”

Bolhas dispersas

Bolhas Intermitente

Identificação de Padrões de Escoamento e Controle da Elevação Artificial Através de

Distribuição Tempo-freqüência e Redes Neurais

dPEstratificado Liso

Ondulado

Intermitente

December 4, 2012 17

Intermitente

Bolhas

Anular ou Core-Flowx [ n ] a [ m, k ]

ηηηη [ i ]

December 4, 2012 18

Core-flow

Tomographic image� Intrusiva e Técnica

Tomografica

�Camada de fios

transmissores e camada

de fios receptores

Instrumentação multifásica – Sonda “wire-mesh”

December 4, 2012 19

� Condutiva e capacitiva

� Alta resolução

Temporal e Espacial (até

10000 fps)

Sonda testada pela primeira vez em escoamento de óleo viscoso (100 cP) e água

8x8 fios

Sensor wire-mesh montado na linha de teste de 1” do NETeF

December 4, 2012 20

linha de teste de 1” do NETeF

Do/w & Dw/o

40

60

80

100

jwater:1.0 m/s, joil:0.6 m/s

December 4, 2012 21

Câmera de alta velocidade do NETeF Wire-mesh

20

Instalações experimentais do NETeF – EESC – USP

Poço Invertido

Separador

Gravitacional

Poço

Direcional

December 4, 2012 22

3. Poço inteligente: inversão de modelos multifásicos para monitoramento de

poços horizontais e inclinados

December 4, 2012 23

poços horizontais e inclinados

Como podemos estimar as taxas de produção de óleo e água de posse de informações limitadas provenientes de poços horizontais e inclinados???

Abordagem: método de cálculo dependente do padrão de fluxo aplicado de modo inverso

December 4, 2012 24

Observação: Quanto melhor o modelo direto, melhores as previsões do modelo inverso!!!

Experimentos realizados no centro de pesquisas da “Shell International Exploration and Production”, Holanda, 2004

Experimentos óleo-água:

•Tubo de aço de 3’’ d.i. e 15 m de compr.

December 4, 2012 25

•Tubo de aço de 3’’ d.i. e 15 m de compr.

•7 inclinações da horizontal (-5 a +5o)

(Rodriguez and Oliemans, IJMF, 2006)

Padrões de fluxo óleo-agua observados:

December 4, 2012 26

Modelos para padrão de fluxo, fração volumétrica e gradiente de pressão bifásico

3.1. Escoamento estratificado:

• teoria da estabilidade linear

• modelo de dois fluidos

December 4, 2012 27

3.2. Escoamento disperso:

• balanços entre intensidade turbulenta, gravidade, quebra e coalescência de gotas

• modelo homogêneo

3.1. Análise da estabilidade linear do padrão estratificado

“Teoria das ondas intermediárias”

0ˆˆˆˆ

2ˆˆ

2

22

2

2

4

4

=

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂∂+

∂∂+

∂∂

x

hH

t

hG

x

hF

xt

hE

t

hN

x

hM wwwwww

σwA

AM

′=

+=o

o

w

w

RRN

ρρ( ) ( )

+++= o

o

oow

w

ww kR

Uk

R

UE 11

2

1 ρρ

ow FUFUFA ∂+∂−∂

December 4, 2012 28

( ) ( )

−

+−−−′

−

′++

′−=

2

222 11

coswow

isowfowwUw

o

w

wo

o

w

w

oo

Uw

w

w

ww

w

ww

hAASCUUg

A

A

dh

dk

A

RAk

R

R

R

U

dh

dk

A

RAk

R

UF

ow

σρβρρρρ

woww hUwwhUoo U

F

RU

F

RG

,,

11

∂∂−

∂∂= o

hUwwhUoo

hUoo

o

hUww

w

UUwwc

U

F

RU

F

R

U

F

R

U

U

F

R

U

h

F

A

A

H

woww

wwwoow =

∂∂−

∂∂

∂∂+

∂∂−

∂∂

′=

,,

,,,

11

Perfil de velocidades proposto para o cálculo dos coeficientes de distribuição em escoamento estratificado

( )

−+

=ww

w

j

wmw h

y

h

ybj

h

yaUyu

w

11

December 4, 2012 29

Perfil de velocidade do óleo, Cw = 0.50 Perfil de velocidade da água, Cw = 0.75

12

1

0 2

2

≤−

+

−

≤ o

o

FM

V

c

λπ

Critério de Transição Geral

December 4, 2012 30

12+oNV

λ

(Rodriguez, Mudde and Oliemans, Banff, Canada, 2006)

1

10

VKH

ρo = 831.4 kg/m3, µo = 7.17 cP, D = 8.28 cm, σ = 0.0204 N/m, θ = 0o

____ Present Theory ....... IKH and VKH - - - Brauner's (2001)

Present Data ST ST & MI_d ST & MI_wl Do/w & w_diU

ws

[m/s

]

Mapa de fluxo

December 4, 2012 31

0.01 0.1 1 100.01

0.1

IKH

VKH Do/w & w_di Do/w & w_c Dw/o & Do/w o/w w//o_h w//o_in

Uw

s [m

/s]

Uos [m/s]

θρρ

sin2 hom,

2hom,hom, g

D

Uf

dx

dpm

mmm −−=

3.2. Escoamento disperso: modelo homogêneo

Através dos dados de gradiente de

December 4, 2012 32

(Guet, Rodriguez, Oliemans and Brauner, IJMF, in press)

de gradiente de pressão medidos:

Modelo híbrido proposto: para a dispersão diluída (Modelo híbrido proposto: para a dispersão diluída (Cw < 0,1Cw < 0,1), ), um modelo de emulsão, para a dispersão densa, (0.1 < um modelo de emulsão, para a dispersão densa, (0.1 < Cw < Cw < 0,40,4) um modelo para gota grande:) um modelo para gota grande:

December 4, 2012 33

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

(dp/dz)water

(dp/dz)oil

(dp/dz)2f (dp/dz)oil

Uos [m/s] Straight line, (dp/dz)exp/(dp/dz)oil

0,60 1,50 3,00 Dotted line, (dp/dz)water/(dp/dz)oil

0,60 1,50 3,00

Resultado experimental intrigante: fenômeno bifásico de redução do atrito

December 4, 2012 34

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.40.70

0.75

0.80

0.85

0.70

0.75

0.80

0.85

Uws [m/s]

Previsão inversa das taxas de produção de óleo e água

1

10

Cw =

0.95 0.90 0.75 0.50

0.25

0.10

Uw

s [m

/s]

Dw/o &

Do/

w

o/w

Do/w & w

____ Trallero's Model......Constant ∆P curve [Pa/m]

December 4, 2012 35

0.01 0.1 1 100.01

0.1

PG [Pa/m] = 9.702.450.11 0.62

Uos [m/s]

w/o

ST & MI

ST

......Constant ∆P curve [Pa/m]- - -Constant water-cut curve

or ST or ST & MIor Do/w & wor Dw/o & Do/w or o/w

Open symbols: Trallero's dataSymbol and Cross: IMPUT

“well-Logging flow-Pattern Map”

ÁREAS POTENCIAIS DE INTERAÇÃO

NOSSAS FRAQUEZAS

• CFD de escoamentos multifásicos• Simulação experimental de escoamentos líquido-líquido-gás• Desenvolvimento de sistemas inteligentes de controle e processamento de dados• modelos fenomenológicos para escoamentos multifásicos

December 4, 2012 36

NOSSAS FRAQUEZAS

• “Clusters” mais poderosos para CFD• Scale-up• Instrumentação mais refinada para ir aos detalhes: LDA, PDA, PIV, densimetria por raios gama, etc.

December 4, 2012 37