Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional de gás no fundo de poços direcionais
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ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO FUNDO DE POÇOS DIRECIONAIS Oscar M. H. Rodriguez Encontro da Rede Temática de Elevação Artificial Rio de Janeiro, 03/09/2011 Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos
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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 - PowerPoint PPT Presentation
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ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO
FUNDO DE POÇOS DIRECIONAISOscar M. H. Rodriguez
Encontro da Rede Temática de Elevação ArtificialRio de Janeiro, 03/09/2011
Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia MecânicaNúcleo de Engenharia Térmica e Fluidos
Resumo da apresentação1. 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: Pilot-scale Experiments
1. Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos (NETeF) da USP - São Carlos
Laboratório de Escoamentos Multifásicos Industriais do NETeF
Gangorra
Separador gravitacional
Poço invertido
NETeF: Linhas de Pesquisa e Alguns Números
Linhas de PesquisaLinhas de Pesquisa
(1)(1) InstrumentaçãoInstrumentação
(2)(2) Fenomenologia de Escoamentos Multifásicos (gás-líquido, Fenomenologia de Escoamentos Multifásicos (gás-líquido,
líquido-líquido e gás-sólidos): Investigação Experimental e líquido-líquido e gás-sólidos): Investigação Experimental e
NuméricaNumérica
(3)(3) Refrigeração Refrigeração
(4)(4) Motores de Combustão Interna e BiocombustíveisMotores de Combustão Interna e Biocombustíveis
(5)(5) Soluções para Escoamentos Bifásicos IndustriaisSoluções para Escoamentos Bifásicos Industriais
• 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)
NETeF: Alguns NúmerosNETeF: Alguns Números
2. ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO FUNDO
DE POÇOS DIRECIONAIS
RESULTADOS DA 1ª FASE
Tubo de produção
Shroud
Tubo de revestimento
N.A.I.
Separador shourd invertido
A
B
C
D
N.A.E.
N.A.I.
Tubo de produção
Shroud
Fenomenología do Separador
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 NAIDH 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 ]
ResultadosFenômenos observados
Gás
Líquido+ gás
Líquido + gás
Gás
Revestimento
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
Nível de líquido
Inundação
Ocorre quando o líquido preenche e até mesmo cobre todo o separador shroud invertido.
ResultadosFenômenos observados
Afogamento
No afogamento, ocorre um acumulo de líquido acima do separador, enquanto que em seu interior, observa-se a formação do escoamento em superfície livre.
Gás
Líquido+ gás
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
Gás
Líquido+ gás
Líquido + gás
Gás
Revestimento
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
Nível de líquido
NAI
ResultadosComportamento do separador em relação ao afogamento e
a inundação
Separador inclinado em 15. Separador inclinado em 60.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
100
105
(%
)
QP (m³/s)
Afogado Inundado
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
100
105
QP (m³/s)
(%
)
Afogado Inundado
ResultadosComportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI para ar-água
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 850
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
(%)
LNAI
(m)
ResultadosComportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI para ar-óleo
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 850
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
LNAI
(m)
(%
)
ResultadosEfeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-água
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
L NA
I (m
)
( o )0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
L NA
I (m
)
( o )
Vidal (2010)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
< 100% = 100%
L NA
I (m
)
( o )
ResultadosEfeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-óleo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
< 100% = 100%
L NA
I (m
)
( o )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
( o )
LN
AI (
m)
ResultadosDeterminação 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.
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-água
Separador inclinado em 15.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
L NA
IAd
We*
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-água
Separador inclinado em 45.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
L NA
IAd
We*
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-água
Separador inclinado em 60.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
L NA
IAd
We*0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-água
Separador posicionado na vertical.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-óleo
Separador inclinado em 15.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
L NA
IAd
We*
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-óleo
Separador inclinado em 45.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
L NA
IAd
We*
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-óleo
Separador inclinado em 60.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97% Modelo
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
L NA
IAd
We*
ResultadosModelo de previsão da eficiência para ar-óleo
Separador posicionado na vertical.
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
< 97% > 97%
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
0,00000 0,00005 0,00010 0,00015-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
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%.
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 FASETC assinado pela PETROBRAS em abril de 2011
Aquisição de material permanente
Estado Itens Valores totais Não Adquiridos 5 Adquiridos/Em processo 15 89.533,76
Total 20
89.533,76 Total Previsto 136.300,00Real/Previsto (%) 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
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, [email protected] PETROBRAS, CENPES/PDP/TE, Rio de Janeiro, Brazil [email protected]
WATER-ASSISTED FLOW OF HEAVY OIL IN A VERTICAL PIPE: PILOT-SCALE
EXPERIMENTS
Multiphase-flow Loop of the Research Centre Multiphase-flow Loop of the Research Centre (CENPES) of PETROBRAS, Brazil(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
![Apostila SHP - Gravitacional Reserv Sup_1_EXEMPLO[1]](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/5571f85249795991698d27a8/apostila-shp-gravitacional-reserv-sup1exemplo1.jpg)
