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Medição NãoMedição Não--intrusiva de Fração Volumétrica, intrusiva de Fração Volumétrica, Perda de Pressão Multifásica e Caracterização Perda de Pressão Multifásica e Caracterização çç

de Padrões em Escoamento Vertical de Padrões em Escoamento Vertical AscendenteAscendenteAscendenteAscendente

ÓleoÓleo--Água e ÓleoÁgua e Óleo--ÁguaÁgua--ArAr

Aluno Aluno Bernardo Bergantini Botamede Bernardo Bergantini Botamede

Nº USP 5396321Nº USP 5396321Nº USP: 5396321 Nº USP: 5396321 EE--mail: bbb1987@hotmail.com mail: bbb1987@hotmail.com

Orientador Orientador Prof. Dr. Oscar Mauricio Hernandez Rodriguez Prof. Dr. Oscar Mauricio Hernandez Rodriguez gg

EE--mail: oscarmhr@sc.usp.brmail: oscarmhr@sc.usp.brNETeF NETeF –– Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos

Departamento de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo

SeqüênciaSeqüênciaSeqüênciaSeqüência

1 1 -- MotivaMotivaçõesções22 –– ObjetivosObjetivos2 2 ObjetivosObjetivos3 3 –– MateriaisMateriais4 4 –– MétodosMétodos55 –– ResultadosResultados5 5 –– ResultadosResultados6 6 -- AgradecimentosAgradecimentos

11 MotivaçõesMotivações1 1 -- MotivaçõesMotivações

P d ã d t ólP d ã d t ólProdução de petróleo em poços Produção de petróleo em poços brasileiros: ocorrência de escoamento brasileiros: ocorrência de escoamento trifásico;trifásico;Possibilidade de elevação do petróleo Possibilidade de elevação do petróleo ç pç passistida por água;assistida por água;Grande escassez de dados a respeito deGrande escassez de dados a respeito deGrande escassez de dados a respeito de Grande escassez de dados a respeito de escoamentos trifásicos;escoamentos trifásicos;Aprimoramento da técnica capaciti a paraAprimoramento da técnica capaciti a paraAprimoramento da técnica capacitiva para Aprimoramento da técnica capacitiva para medição de fração volumétrica medição de fração volumétrica in situ.in situ.

22 ObjetivosObjetivos2 2 -- ObjetivosObjetivos

Geração de um banco de dados Geração de um banco de dados experimentais detalhado contemplando experimentais detalhado contemplando p pp ppadrões de escoamento trifásico óleopadrões de escoamento trifásico óleo--águaágua--ar perda de pressão trifásica ear perda de pressão trifásica eáguaágua ar, perda de pressão trifásica e ar, perda de pressão trifásica e fração volumétrica fração volumétrica in situin situ das fases. das fases.

33 MateriaisMateriais3 3 -- MateriaisMateriais

T d t d ã dif i lT d t d ã dif i lTransdutor de pressão diferencial Transdutor de pressão diferencial Validyne;Validyne;Sonda capacitiva nãoSonda capacitiva não--intrusiva;intrusiva;Dispositivo para geração de bolhas emDispositivo para geração de bolhas emDispositivo para geração de bolhas em Dispositivo para geração de bolhas em escoamentos com ar;escoamentos com ar;Bancadas experimentais: Poço PilotoBancadas experimentais: Poço PilotoBancadas experimentais: Poço Piloto, Bancadas experimentais: Poço Piloto, Linha de Escoamentos Multifásicos e Linha de Escoamentos Multifásicos e Separador de Líq idos por PlacasSeparador de Líq idos por PlacasSeparador de Líquidos por Placas Separador de Líquidos por Placas Coalescentes. Coalescentes.

33 MateriaisMateriais3 3 -- MateriaisMateriaisDi iti t d filt d á i lhDi iti t d filt d á i lhDispositivo contendo filtro de aquário e agulha Dispositivo contendo filtro de aquário e agulha de três milímetros de diâmetro para geração de de três milímetros de diâmetro para geração de padrões para escoamentos com ar:padrões para escoamentos com ar:padrões para escoamentos com ar:padrões para escoamentos com ar:

33 MateriaisMateriais3 3 –– MateriaisMateriais

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Calibração do Validyne para medição de Calibração do Validyne para medição de perda de pressão por fricção;perda de pressão por fricção;p p p ç ;p p p ç ;Instalação na linha vertical, na seção em Instalação na linha vertical, na seção em que serão realizados os estudos;que serão realizados os estudos;que serão realizados os estudos;que serão realizados os estudos;Teste com um escoamento monofásico de Teste com um escoamento monofásico de água (validação).água (validação).

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Levantamento de equações para Levantamento de equações para calibração da sonda capacitiva: relação calibração da sonda capacitiva: relação ç p çç p çentre fração volumétrica na seção de entre fração volumétrica na seção de testes e velocidade superficial dos fluidostestes e velocidade superficial dos fluidostestes e velocidade superficial dos fluidos, testes e velocidade superficial dos fluidos, facilitando a calibração:facilitando a calibração:

1~

jε =( )

~

1 2 2o jC j j V+ +

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

e são parâmetros a serem e são parâmetros a serem determinados experimentalmente.determinados experimentalmente.ppUtilização de Utilização de by pass by pass e válvulas de e válvulas de fechamento rápido para aprisionar ofechamento rápido para aprisionar ofechamento rápido para aprisionar o fechamento rápido para aprisionar o escoamento na seção de testes.escoamento na seção de testes.

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Serão levantadas expressões para Serão levantadas expressões para escoamentos bifásicos águaescoamentos bifásicos água--ar, óleoar, óleo--ar e ar e gg ,,águaágua--óleo e trifásico águaóleo e trifásico água--óleoóleo--ar, para ar, para cada padrão de escoamento observadocada padrão de escoamento observadocada padrão de escoamento observado cada padrão de escoamento observado visualmente.visualmente.

fáfáProblema: escoamento trifásico.Problema: escoamento trifásico.

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Adaptação e montagem, no Poço Piloto Adaptação e montagem, no Poço Piloto do NETeF, da sonda capacitiva nãodo NETeF, da sonda capacitiva não--, p, pintrusiva duplointrusiva duplo--sensor para medida de sensor para medida de fração volumétricafração volumétrica in situin situfração volumétrica fração volumétrica in situin situ..Instalação de capacitores de referênciaInstalação de capacitores de referênciaLevantamento de curvas de calibração Levantamento de curvas de calibração para a sonda em função do padrão depara a sonda em função do padrão depara a sonda em função do padrão de para a sonda em função do padrão de escoamento.escoamento.

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Identificação de padrões de escoamento: Identificação de padrões de escoamento: técnicas visuais e câmera de alta técnicas visuais e câmera de alta velocidade.velocidade.

44 MétodosMétodos4 4 -- MétodosMétodos

Levantamento de um banco de dados Levantamento de um banco de dados extensivo com Velocidades Superficiais extensivo com Velocidades Superficiais pp(ou fluxos volumétricos) das fases, frações (ou fluxos volumétricos) das fases, frações volumétricasvolumétricas in situin situ perda de pressãoperda de pressãovolumétricas volumétricas in situin situ, perda de pressão , perda de pressão bifásica e trifásica e padrão de bifásica e trifásica e padrão de escoamento observadoescoamento observadoescoamento observado.escoamento observado.

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Equação de DarcyEquação de Darcy--Weisbach:Weisbach:

1 L _1 ²2d

LP f V ghD

ρ ρ∆ = +2 D

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Comparação entre dp - Darcy e dp - Validyne

2500

y = 1,0284x2000

2500

e (P

a)

1000

1500

Valid

yne

Série1Linear (Série1)

0

500dp -

0 500 1000 1500 2000 2500

dp - Darcy (Pa)

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosj

( )1

~j

C j j Vε =

+ +( )1 2 2o jC j j V+ +

~

2 0 2total jV C j V= × +

/V j ε=2 1 /V j ε=

j j j+1 2to ta lj j j= +

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Escoamento Escoamento águaágua--óleoóleo, , padrão bolhas:padrão bolhas:

V2 x Jtotal

1 11,31,51,7

0,50,70,91,1

V2 Seqüência1

0,10,3

0 0,4 0,8 1,2 1,6

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

V2 x Jtotal

y = 0,9871x + 0,2224R2 = 0,9923

1 5

1,8

Seqüência1

1,2

1,5

V2

Seqüência1

Linear(Seqüência1)

0,90 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6

(Seqüência1)

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosV2 x Jtotal

0,6y = 1,5896x + 0,0999

R2 = 0,9993

0 4

0,5

S üê i 1

0 2

0,3

0,4

V2

Seqüência1

Linear(Seqüência1)

0,1

0,2 (Seqüência1)

00 0,1 0,2 0,3

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

O erro médio obtido foi de 1,36% no O erro médio obtido foi de 1,36% no primeiro subprimeiro sub--padrão e de apenas 0,86% padrão e de apenas 0,86% pp p p ,p p ,no segundo.no segundo.

C fComparação entre fração volumétrica prevista e fração medida experimentalmente

20

25

30

vist

o

Série1Série2Linear (Série2)

y = x10

15

20

10 20 30

α P

rev

10 20 30

α Experimental

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Escoamento Escoamento águaágua--óleo, padrão bolhas óleo, padrão bolhas finamente dispersas:finamente dispersas:pp

V2 x Jtotal

2 4y = 0,8226x + 0,4949

R2 = 0,984

2

2,2

2,4

1,8

2

V2

Série1Linear (Série1)

1,4

1,6

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosErro médio: 1,3%Erro médio: 1,3%,,

Comparação entra fração volumétrica prevista e fração medida experimentalmente

y = x

25

20

Prev

isto Série1

Série2

10

15α P Linear (Série2)

1010 15 20 25

α Experimental

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Escoamento Escoamento águaágua--óleo, padrão anular óleo, padrão anular com bolhas dispersas:com bolhas dispersas:pp

V2 x Jtotal

1,5

1,7

1,9

0,9

1,1

1,3

V2 Série1

0,3

0,5

0,7

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2, , , , , , , ,

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosErro médio: 3%Erro médio: 3%

Comparação entre fração volumétrica prevista e fração medida experimentalmente

y = x

70

80

50

60

Prev

isto

Série1Série2Linear (Série2)

40

50

α P

3030 40 50 60 70 80

α Experimental

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Faixa de Faixa de vazõesvazões de água não coberta de água não coberta pelos medidores;pelos medidores;p ;p ;Existência de subpadroes de escoamento, Existência de subpadroes de escoamento, relacionada à turbulência (Reynolds) darelacionada à turbulência (Reynolds) darelacionada à turbulência (Reynolds) da relacionada à turbulência (Reynolds) da água;água;Erro médio baixo, em torno de 2%.Erro médio baixo, em torno de 2%.

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosMapa de Fluxos

10

10,01 0,1 1

água

[m/s

]

Anular

Bolhas

Dispersão

0,1

J-á Dispersão

0,01

J-óleo [m/s]

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Escoamento águaEscoamento água--ar, padrão churn:ar, padrão churn:V2 Jt t lV2 x Jtotal

y = 0,7731x + 0,9207R2 = 0,9602

3 2

3,4

2 6

2,8

3

3,2

Série1

2

2,2

2,4

2,6

V2

Série1Linear (Série1)

1,6

1,8

2

1 1,4 1,8 2,2 2,6 3, , , ,

Jtotal

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultadosErro médio: 4,2%Erro médio: 4,2%

Comparação entra fração volumétrica prevista e fração medida experimentalmente

y = x

70

80

50

60

prev

isto Série1

Série2

Linear (Série2)

40

50

α Linear (Série2)

3030 40 50 60 70 80

α experimental

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Testes de materiais para geração de Testes de materiais para geração de bolhas de ar;bolhas de ar;;;Materiais cerâmicos, metálicos e filtro de Materiais cerâmicos, metálicos e filtro de aquárioaquárioaquário.aquário.

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Estimativa da velocidade superficial do ar Estimativa da velocidade superficial do ar para escoamento de bolhas pequenas:para escoamento de bolhas pequenas:p p qp p q

( )( )2 1j V α α∞= ⋅ ⋅ −

( )2l gd g ρ ρ⋅ ⋅ −( )

12l g

l

gV

ρ ρ

µ∞ =⋅

55 ResultadosResultados5 5 -- ResultadosResultados

Assim, chegamos ao valor de cerca de Assim, chegamos ao valor de cerca de 1L/min. para a vazão de ar, ou 0,008m/s. 1L/min. para a vazão de ar, ou 0,008m/s. p , ,p , ,

66 AgradecimentosAgradecimentos6 6 -- AgradecimentosAgradecimentos

Ao financiamento e apoio das seguintes Ao financiamento e apoio das seguintes instituiinstituições:ções:çç

FAPESPFAPESP-- FAPESPFAPESP-- PetrobrasPetrobraset ob aset ob as