3 Propriedade Dos Fluidos II

4 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS

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PROPRIEDADES DOS FLUIDOS

Quase todos os depsitos de petrleo que ocorrem na natureza so constitudos de um nmero extremamente grande de componentes de petrleo, misturados entre si. As molculas desses componentes so compostas de carbono e hidrognio em propores variadas. Os componentes do petrleo so tambm ditos hidrocarbonetos e cada componente constitudo de uma proporo diferente dos dois elementos. Raramente existem dois petrleos que aparentam ser idnticos e ,certamente, nunca se encontrar dois petrleos constitudos em idnticas propores dos mesmos elementos. Mesmo dentro de um reservatrio a mistura dos componentes varia de lugar para lugar e em muitos casos de modo bastante acentuado. 4.1 COMPONENTES DO PETRLEO

O vasto nmero de compostos de hidrocarbonetos que constituem um petrleo tem sido agrupados quimicamente em sries de componentes. Cada srie consiste de componentes que so similares nas suas constituies moleculares e caractersticas. Dentro de uma srie existem desde compostos extremamente leves ou quimicamente simples, a pesados ou quimicamente complexos. Dentro de uma mesma srie de hidrocarbonetos existe um grande nmero de componentes que diferem pelo tipo de molculas que os constituem. Uma classificao muito utilizada f a separao entre leo com base parafnica e az base alfaltnica. Na base parafnica, predomina as parafinas, e em tais leos, quando a temperatura abaixada, h a tendncia do aparecimento de graxa clara que no atacada por cidos ou dissolvida por eter ou clorofrmio. Os asfaltenos aps uma pequena destilao se apresentam como resduos slidos na cor escura e bem lustrosos, apresentando fraturas e podem ser dissolvidos nos solventes mencionados anteriormente. A distino entre parafnicos e asfaltnicos serve somente como um classificao global. Muitos leos asfaltnicos possuem traos de parafinas slidas, e muitos parafnicos podero produzir algum resduo asfaltnico. Alguns leos so dito mistos, pois apresentam as duas caractersticas mencionadas anteriormente. Os petrleos da srie parafinica so os que possuem maior nmero e os compostos de hidrocarbonetos mais comuns, que inclui o metano, etano, propano, butano e outros. Por causa disso, tem sido prtica na indstria de produo do petrleo analisar todas as amostras de petrleo de acordo com sua composio percentual baseando-se nas propriedades de ebulio dos diversos constituintes das sries parafnicas. A composio da maioria dos depsitos naturais de petrleo inclui quase sempre alguma quantidade de quase todos os componentes dentro da faixa de pesos moleculares e complexidades, seja petrleo analisado um petrleo pesado com caractersticas que se aproximam de um asfalto ou se o mais leve dos gases, do qual os lquidos podem ser


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condensados, mas com grande dificuldade. O gs, no entanto, no um gs na acepo correta do termo, porque composto inteiramente de molculas leves que so diferentes daquelas que constituem um petrleo lquido. Os gases de petrleo que ocorrem na natureza so diferentes porque a maioria dos seus componentes so mais leves e simples, enquanto que, o petrleo lquido constitudo de uma maioria de componentes mais pesados e complexos. Ambos porm, gs natural ou petrleo cru, contm alguma porcentagem da maioria dos hidrocarbonetos existentes. 4.2 FASES DO PETRLEO

Uma das primeiras observaes cientficas feita pelo ser humano foi a constatao de que a matria existe em trs estados diferentes - slido, liquido e gasoso. De um modo geral, sabe-se que todas as substncias podem existir em qualquer das trs formas, que foram chamadas de fases da matria. O que determina se uma substncia est no estado slido, lquido ou gasoso a temperatura e a presso atuando sobre a substncia. bem conhecido que o vapor pode ser mudado para gua abaixando-se sua temperatura e a gua pode ser mudada para gelo abaixando ainda mais a temperatura. Os componentes de hidrocarbonetos tanto individualmente como em misturas, mudaro de estado ou fase do mesmo modo, mudando-se sua temperatura e presso. A mudana resultante dita comportamento de fase. 4.3 COMPORTAMENTO M OLECULAR

Os hidrocarbonetos se comportam de modo peculiar quando sua presso e temperatura modificada. Este comportamento melhor explicado pelo comportamento individual das molculas que compem a mistura. Quatro fatores fsicos so importantes e governam o comportamento dos hidrocarbonetos. So eles: (1) Presso, (2) Atrao molecular, (3) Energia cintica (movimento molecular associado com temperatura) e (4) Repulso molecular. A presso e a atrao molecular tendem a confinar as molculas ou junt-las de modo que, quanto maior o valor dessas foras, maior a tendncia do material se tornar mais denso, como no caso em que gases se tornam lquidos. A atrao molecular considerada uma a presso interna pois est dentro do sistema e atua nas molculas do mesmo modo que a presso externa. As foras de atrao entre as molculas mudam com a distncia entre elas. A fora cresce a medida que a distncia entre as molculas diminui; difere tambm com a massa das molculas, a fora aumenta a medida que a massa das molculas aumenta. A energia cintica ou movimento molecular aumenta com o aumento da temperatura, de modo que quanto maior a temperatura do material, maior a tendncia do material de se separar, decrescendo ento o peso especfico ou mudando de lquido para gs (ou expandindo o gs). Quando as molculas ficam to prximas umas das outras que os seus campos


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eletrnicos se sobrepem, uma fora de repulso aparece que tende a aumentar a resistncia do material a uma compresso adicional. Quando os hidrocarbonetos esto em equilbrio (sem estar em expanso, contrao em volume ou variao de estado) as foras tendendo a confinar as molculas se balanceiam com as foras tendendo a repeli-las. 4.4 M UDANAS DE FASES

Se a presso aumentada, as molculas so foradas para mais perto umas das outras de modo que o gs ser comprimido ou mudar para lquido. Entretanto, se a presso decresce, ocorre o reverso - o gs se expande e o lquido tende a vaporizar em gs. As molculas neste ltimo caso so afastadas pela prpria energia cintica delas e repulso molecular. Estas mudanas de fase causadas por mudanas de presso so ditas normais, ou comportamento regular. Se as molculas so menores como no caso do metano e etano, existe menos atrao entre elas e maior tendncia de se afastarem pela sua energia cintica, ficando pois no estado gasoso; enquanto que, se as molculas so grandes, como o hexano e o heptano, elas tendem a ser atradas ficando no estado lquido em vez do estado gasoso. A medida que a temperatura dos componentes cresce, a energia cintica cresce. A tendncia ento de que todas as molculas que estavam no estado lquido passem para o estado gasoso e dos gases, de expandir. Entretanto se a temperatura diminuir, a energia cintica diminui e todas as molculas (mesmo as mais leves) tendem a serem atradas umas pelas outras e o material passa para o estado lquido. Continuando-se o resfriamento, chega um momento em que ocorre nova mudana de fase, isto o material passa para o estado slido. Este comportamento tambm considerado normal. 4.5 SUBSTNCIAS PURAS (HIDROCARBONETOS PUROS)

Para um nico ou hidrocarboneto puro como o propano, butano ou pentano, existe uma dada presso para cada temperatura na qual o hidrocarboneto pode existir tanto no estado lquido como no estado gasoso. Sob estas condies, as foras que tendem a unir as molculas (presso e foras de atrao) se balanceiam com a energia cintica que tende a afastar as molculas. Se a presso for aumentada sem mudana na temperatura, as molculas de gs so foradas a ficarem mais juntas umas das outras e as foras de atrao entre as molculas so ento aumentadas. As foras que tendem a juntar as molculas so ento maiores que a energia cintica que tende a separa-las. As molculas se condensam para o estado lquido. Entretanto, se a presso decrescer, sem que haja mudana na temperatura, a distncia entre as molculas aumenta e as foras de atrao diminuem. As foras tendendo a unir as molculas so ento menores que a energia cintica e as molculas tendem a se dispersar para o estado gasoso. Verdadeiramente a presso resulta do bombardeio molecular nas paredes do vaso e na superfcie do lquido. O aumento no volume tende a reduzir a presso pelo aumento da distncia entre as molculas e as paredes do vaso onde elas tendem a se chocar. Se a temperatura aumentar, a energia cintica aumentar; presses maiores sero requeridas para


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manter as condies de equilbrio, onde as duas fases podem coexistir. O comportamento dos fluidos com a variao da temperatura, presso e volume representado atravs dos diagramas de fases, conforme ilustrado na Figura 1, numa forma de tri-dimensional, mostrando o comportamento do fluido em relao variao de presso, volume e temperatura. A forma mais prtica para se entender o comportamento da substncia em relao presso, temperatura e volume fazer a anlise atravs do diagrama PV (presso volume) e do diagrama PT (presso temperatura), conforme representado na Figura 2 e Figura 3. Um aspecto importante que pose ser notado das tangentes da curva representada no diagrama PV as diferenas de c ompressibilidade dos estados liquido e gasoso. No diagrama PT a curva traada pelos pontos onde as duas fases existem dita curva de presso de vapor. Existe uma temperatura acima da qual o material no existir as duas fases, qualquer que seja a presso a que esteja submetido. Esse dito um ponto crtico e a temperatura e a presso neste ponto so ditas temperatura crtica e presso crtica. O conhecimento deste ponto fundamental para as anlises do comportamento de misturas.

Figura 1 Diagrama de fases Hidrocarboneto puro uma prtica comum considerar o material como um gs quando ele est em condies de presso e temperatura abaixo da curva de presso de vapor e como um lquido, acima da curva de presso de vapor. Esta definio obviamente algo confusa, porque existem intervalos de temperatura e presso nos quais o material pode ser classificado tanto como lquido ou como gs. Estas regies ficam acima e direita do ponto crtico. Nestas reas a temperatura to grande que as foras de atrao entre as molculas no so suficientemente grandes para permitirem a elas coalescerem em lquido devido a alta energia cintica das molculas nestas altas temperaturas. Nestas condies de temperatura, um aumento na presso provoca um movimento das molculas para se unirem uniformemente quando a presso aumenta. Esta confuso minimizada quando se trabalham com reservatrios porque a temperatura do reservatrio (e portanto a temperatura dos


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hidrocarbonetos que esto no reservatrio) usualmente permanece constante; entretanto, somente presso e volume so usualmente alterados de uma quantidade aprecivel durante a produo do reservatrio.

Lquido Presso Lquido+Gs Ponto de Orvalho

Ponto Bolha

Gs

Volume

Figura 2 Diagrama Presso Volume (PV) Hidrocarboneto puro

Ponto Crtico

Presso Lquido Gs

Temperatura

Figura 3 Diagrama Presso Temperatura (PT) Hidrocarboneto puro 4.6 M ISTURAS (M ISTURAS DE HIDROCARBONETOS )

Numa mistura de dois compostos, o sistema no mais to simples no seu comportamento como o quando se trata de apenas um componente ou substncia pura. Ao invs de uma nica linha representando a relao presso-volume ou presso-temperatura, existe uma larga regio na qual as duas fases (lquido e gs) coexistem. Na Figura 4 apresentado, em duas dimenses, o diagrama de fases do comportamento de uma mistura 50:50 de dois hidrocarbonetos, como por exemplo o propano e heptano.


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A regio de duas fases do diagrama est limitada de um lado pela linha de ponto de bolha e do outro pela linha de ponto de vapor, com as duas linhas se unindo no ponto crtico. O ponto de bolha ocorre quando o gs comea a deixar a soluo de leo com o decrscimo de presso enquanto que a linha de ponto de vapor atingida quando o lquido comea a condensar do gs, tanto com o decrscimo ou o acrscimo da presso. O importante o fato de que, para uma dada temperatura, a presso na qual a mistura dos dois componentes est condensada totalmente em lquido, menor do que a presso na qual, componente mais leve da mistura se condensaria se este no estivesse fazendo parte da mistura. A presso na qual a mistura dos dois componentes se vaporiza totalmente em gs maior do que a presso na qual o componente mais pesado se vaporizaria se este no estivesse na mistura. Isto causado pelas foras atrativas de molculas de tamanhos diferentes. A atrao das molculas leves pelas pesadas faz com que o material leve se condense numa presso mais baixa que as molculas se reuniriam e condensariam elas prprias na ausncia das molculas pesadas. A atrao das molculas leves pelas pesadas faz com que o material pesado entre na fase gasosa a uma presso maior do que se ele estivesse sozinho, sem presena das molculas leves.

Ponto Crtico Lquido

Presso

lha Bo de nto Po de va r Cu

de rva Cu

lho rva eO d nto Po

Gs

Temperatura

Figura 4 Diagrama Presso versus Temperatura Mistura de Hidrocarboneto No ponto crtico, as propriedades da mistura lquido-gs so idnticas. de importncia notar que a definio de ponto crtico, conforme aplicada para o diagrama de fase de um nico componente, no mais vlida para a mistura, porque ambos, lquido e gs existem em temperaturas e presses acima do ponto crtico, embora a diferena seja pequena em sistemas de apenas dois componentes. A medida que o sistema torna-se mais complexo, com um grande nmero de componentes diferentes, a faixa na qual as duas fases existem grandemente aumentada. A determinao da fase que o hidrocarboneto se encontra originalmente no reservatrio vai depender da sua composio e das condies de presso e temperatura existentes. Trs grandes regies podem ser identificadas, conforme representado na Figura 5, e o seu conhecimento fundamental tanto para a maximizao da produo como para o projeto das condies ideais para o escoamento e tratamento dos fluidos produzidos no reservatrio.


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A anlise dos parmetros que definem o comportamento dos fluidos para a aplicao nos estudos de reservatrios ser feita tomando por base estas regies.CONDIO DE PRESSO E TEMPERATURA NO RESERVATRIO Gs Reservatrio de leo Reservatrio de Gs Condensado com Gs Dissolvido RetrgradoLquido 75% Presso 50% 25% 100% Ponto Crtico

5%

0%

Gs

Temperatura

Figura 5 Caracterizao da Fase na Condio de reservatrio

4.7

RESERVATRIO DE LEO

Um diagrama de fase presso-temperatura de um leo, como ele se encontra na natureza mostrado na Figura 6. Se o leo presente no reservatrio est com a presso acima do valor A, ou acima da sua presso de ponto de bolha ou, o leo dito subsaturado. Se a presso estiver abaixo da presso de bolha o leo dito saturado. Nesta mesma figura representado o caminho que o leo percorre desde a sua condio de reservatrio at a condio de tanque, ou seja, desde o ponto inicial, passando pelo ponto A, indo para a condio de separao e depois para o tanque. As quantidades de lquido e gs representadas pelo ponto de leo no tanque no indicam o que ocorreria no tanque propriamente dito, porque a mistura original mudou no separador, ou seja, o gs foi separado do leo.


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Lquido A PressoCu rva de Po nto de Bo lha

Lquido 100%

Ponto Crtico

Separador Tanque B

50% 25% 0%

Cu rva de Pon to d eO rva lho

75%

Gs

C

Temperatura

Figura 6 Diagrama de Fase para Mistura A linha vertical de temperatura constante A representa o caminho que o material -B faz, na regio de duas fases, a medida que a presso cai no reservatrio e representa as quantidades de lquido e gs que existem em equilbrio na condio de presso e temperatura representadas por dada locao do ponto dentro da rea das duas fases. Isto fisicamente visualizado no reservatrio pelo gs que sai da soluo, a quantidade de gs governada pela quantidade de queda de presso. Para o comportamento dos fluidos contidos no reservatrio o processo de produo nada mais do que a variao da presso destes fluidos. Assim torna-se necessrio o entendimento do comportamento destes fluidos desde o reservatrio at os tanque de armazenagem. As principais etapas que o petrleo passa desde o reservatrio so representadas na Figura 7. Aps se deslocar no meio poroso, o petrleo entra na tubulao pela qual elevado at a superfcie. Neste trajeto ocorre uma reduo na presso e temperatura dos fluidos. Aps chegar superfcie o leo ser conduzido para os vasos de separao atravs de linhas instaladas na superfcie. Neste trajeto haver tambm uma reduo na presso e temperatura. Se a linha estiver no fundo do mar a reduo na temperatura significativa, e muito problemas podem ocorrer. Aps chegar ao sistema de tratamento, haver uma separao do leo, gs e gua, sendo finalmente o leo e o gs transferidos vias oleodutos e gasodutos para a estao de armazenagem.


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Figura 7 Caminho do leo Produzido

4.7.1

Anlise PVT

A medida que a presso do reservatrio reduzida e comeam a existir as fases lquida e gasosa, uma ou outra das duas fases produzida diferencialmente a um certo grau, devido s variaes de permeabilidade da rocha ao gs e ao leo, a medida que a saturao de fluido varia. O resultado da anlise dos hidrocarbonetos que so produzidos, vai portanto variando; o material produzido difere do material originalmente no reservatrio. Assim, o comportamento dos fluidos contidos no reservatrio durante as operaes de produo no pode ser descrito completamente pelo que seria seu comportamento se as condies de equilbrio tivessem sido mantidas. Medidas de laboratrio so necessrias no comportamento de fases de amostras dos fluidos do reservatrio para condies de mudanas, onde lquido e gs so separados de modo diferencial ou sob condies de equilbrio e o comportamento da amostra analisado. Estes testes de laboratrio visam resolver problemas que envolvem separao de fluidos produzidos pelo reservatrio. A aproximao prtica para estudar o comportamento dos fluidos contidos no reservatrio a medida que eles vo sendo produzidos, como feito pela indstria do petrleo, antecipar as variaes de presso e temperatura que ocorrero quando estes fluidos forem produzidos da condio de reservatrio para a condio de superfcie durante as operaes de produo; e ento fazer as medies atravs de testes de laboratrio dessas mudanas que iro ocorrer nos fluidos do reservatrio. Estes testes so conhecidos como teste PVT (Presso, Volume, Temperatura), e so realizados simulando-se o comportamento do reservatrio durante sua vida produtiva, ou seja, reduzindo a presso do petrleo mantendose a temperatura constante. A partir das anlises PVT pode-se conhecer o comportamento das fases e funo da variao da presso, conforme ilustrado na Figura 8, para a aplicao na modelagem do reservatrio. Os principais parmetros medidos em um teste PVT so: 1. Presso de bolha (Pb)


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2. Fator volume de formao do leo e do gs (B0, Bg) 3. Razo de solubilidade (Rs) 4. Viscosidade do leo e do gs ( o , g ) 5. Densidade do leo e gs ( o , dg) 6. Presso tima de separao O fator volume de formao de um fluido definido como:Bf = Volumeno reservatorio ( rc) Volumena sup erficie ( std )

Equao 1

A razo de solubilidade define a quantidade de gs que pode ser dissolvida no leo em cada estgio de presso. definida como:Volume de gas ( std ) Rs = Volumede oleo ( std )

Equao 2

Vgl Vw Superfcie Vo Vgd

Reservatrio

gua

leo

Gs

Figura 8 Variao do Volume dos Fluidos A presso de bolha determinada atravs de descompresso do leo mantendo-se a composio constante, ou seja, no h remoo de fluido da clula durante o teste. Durante o teste a temperatura deve permanecer constante e igual a do reservatrio. Este teste conhecido como liberao Flash, e ilustrado na Figura 9.


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1

2

3

4 gs

5 gs V5

V1

leo

V2

leo

V3 leo

V4 leo

leo

Hg P1 >> Pb

Hg P2 > Pb

Hg P3 = Pb Tres

Hg P4 < Pb

Hg P5 Pb

3 P3 = Pb

4 P4 < Pb Tres

5 P5

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