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
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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
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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
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industria de petróleo
Ex.: produção e transporte de petróleo
2. Produção de petróleo pesado: “core-annular flow”
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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”
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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)
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Core-flow vertical ascencente
Projeto: Transporte de Óleos PesadosProjeto: Transporte de Óleos Pesados
Poço FAL-09 da PETROBRAS usado nos testes
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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:
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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
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Separador de fluidos e tanques de estocagem
Cabeça do poço de 4” e 300 m de profundidade
Cabeça do poço após as modificações
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Seção de visualização
Escoamento anular observado
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Queda de Pressão
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Taxa de produção
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Redes Neurais para identificação e controle do padrão de escoamento core-flow
pesos dassinapses
pesos dassinapses
pesos dassinapses
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camada 1de neurônios
camada 2de neurônios
camada 3de neurônios
Padrões de Escoamento óleo pesado-água:
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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
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Intermitente
Bolhas
Anular ou Core-Flowx [ n ] a [ m, k ]
ηηηη [ i ]
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Core-flow
Tomographic image� Intrusiva e Técnica
Tomografica
�Camada de fios
transmissores e camada
de fios receptores
Instrumentação multifásica – Sonda “wire-mesh”
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� 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
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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
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Câmera de alta velocidade do NETeF Wire-mesh
20
Instalações experimentais do NETeF – EESC – USP
Poço Invertido
Separador
Gravitacional
Poço
Direcional
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3. Poço inteligente: inversão de modelos multifásicos para monitoramento de
poços horizontais e inclinados
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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
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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.
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•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:
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Modelos para padrão de fluxo, fração volumétrica e gradiente de pressão bifásico
3.1. Escoamento estratificado:
• teoria da estabilidade linear
• modelo de dois fluidos
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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 ∂+∂−∂
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( ) ( )
−
+−−−′
−
′++
′−=
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
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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
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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
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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
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(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:
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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
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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]
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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
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NOSSAS FRAQUEZAS
• “Clusters” mais poderosos para CFD• Scale-up• Instrumentação mais refinada para ir aos detalhes: LDA, PDA, PIV, densimetria por raios gama, etc.
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