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A Importância do Estudo do Escoamento Bifásico Anular (Core

Annular Flow) com Ênfase na Elevação de Petróleo

Luís Carlos Demetrio Laranjeira (1);

Deovaldo de Moraes Jr. e Aldo Ramos Santos (2).

(1) Mestrando em Engenharia Mecânica na UNISANTA, Santos, BR;

(2) Professores Doutores do Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica

na UNISANTA, Santos, BR.

Resumo

O Escoamento Bifásico Anular, também conhecido como CAF (Core

Annular Flow), consiste no fluxo de dois fluidos imiscíveis, com diferentes

densidades e viscosidades (como no caso de água e óleo), de forma que o

fluido menos viscoso (nesse caso, a água) forme um anel lubrificante em torno

do outro, diminuindo o atrito com as paredes do tubo e consequentemente, a

energia necessária ao seu escoamento. A redução da energia necessária traz

duas consequências: a redução das potências requeridas nas máquinas

motrizes e a possibilidade de produção de óleos economicamente inviáveis por

outros métodos. O presente artigo pretende demonstrar a importância do

desenvolvimento de estudos mais aprofundados que permitam a aplicação do

CAF na elevação de óleos pesados, em continuação a estudo anterior

homônimo, com foco mais generalista.

Palavras chave

Escoamento bifásico anular, Potência requerida, Produção de óleos

pesados, Elevação artificial.

Abstract

The two-phase flow Abort, also known as CAF (Core Annular Flow)

consists of two immiscible fluids flow with different densities and viscosities

(such as oil and water), so that the less viscous fluid (in this case, water) to form

a lubricant ring around the other, reducing friction with the walls of the tube and

hence the energy required for its disposal. The reduction in the energy required

has two consequences: lowering the power required in motors and the

possibility of uneconomical oil production by other methods. This article seeks

to demonstrate the importance of developing further studies to enable the

implementation of CAF in lifting heavy oils, continuing the previous study

namesake, focusing more generalist.

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Keywords

Annular two-phase flow, Power required, Production of heavy oils,

Artificial lift.

Introdução

Como já visto no artigo precedente, a produção de óleos pesados vem

se apresentando como uma solução econômica, diante dos cenários

complexos apresentados pela Indústria de Petróleo & Gás.

A produção do Shale Gas (gás de xisto) nos EUA vem promovendo uma

revolução na matriz energética mundial, o que torna imperioso o emprego de

técnicas que permitam a produção de petróleo de forma cada vez mais

competitiva.

Deve-se considerar ainda que as reservas norte-americanas de gás de

xisto (24 trilhões de m³) representam apenas 2/3 das reservas chinesas (ANP,

2012).

Diante desse quadro, a aposta em novos campos, cada vez mais

distantes e profundos, deve ceder lugar ao emprego de técnicas que permitam

a elevação de óleos pesados de campos que já se encontram em

desenvolvimento ou que já tenham a comercialidade comprometida em função

dos altos custos de produção.

Segundo dados obtidos no Anuário Estatístico Brasileiro do Petróleo,

Gás Natural e Biocombustíveis - 2012 da ANP (Agência Nacional do Petróleo,

Gás Natural e Biocombustíveis), em 2011 a produção de óleos pesados

representou quase 22% da produção total de petróleo no Brasil.

Esse fato aumenta a importância de investimentos na pesquisa de

técnicas de elevação desse tipo de óleo.

Dentre essas técnicas, o CAF (Core Annular Flow) vem ganhando

relevância, o que justifica a intensificação de estudos que permitam a

ampliação do conhecimento e a determinação dos parâmetros que

estabeleçam as condições ideais de fluxo, ou seja, a máxima redução da

potência requerida com o mínimo aporte de água.

Desenvolvimento

Conforme a abordagem inicial, o CAF proporciona uma sensível redução

no atrito entre o óleo e a parede da tubulação, através da inserção de um anel

de água entre eles; essa redução de atrito resulta em significativa redução de

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queda de pressão, o que diminui a potência requerida para o deslocamento do

óleo.

Na fase de Elevação (fluxo na coluna de produção), além da economia

de energia motriz, a redução da potência requerida permite uma diminuição

nas dimensões dos motores elétricos de fundo e das bombas utilizadas nos

métodos de elevação artificial; notoriamente, os custos de elevação de petróleo

são diretamente proporcionais ao tamanho dos equipamentos instalados dentro

dos poços. Segundo Quintaes (2010), um motor de subsuperfície pode

representar até 35% do custo total da instalação.

A capacidade de redução das perdas de carga através da redução do

atrito entre o óleo e as paredes da tubulação de condução proporcionada pelo

CAF vem obtendo êxito em vários estudos experimentais, específicos para

fluxo vertical ascendente.

Bai (1996), fotografou e filmou as ondas interfaciais no padrão core-flow

em tubulações plásticas de 9,6 mm, atestando a sua concentricidade, como

mostra a figura 1.

Figura 1 - Padrão de fluxo core-flow vertical ascendente (ondas bambu) em

tubulação de 9,6 mm de diâmetro interno; da esquerda pra direita ocorre um aumento

da vazão de óleo, mantendo a vazão de água constante (BAI, 1996 apud

RODRIGUES, 2002).

Prada (1999) utilizou uma unidade experimental onde o fluxo bifásico

ocorreu em tubos de aço galvanizado com diâmetro interno de 27,6 mm

(nominal de 1”) e constatou que a perda de carga por atrito em CAF pode ser

até menor do que no fluxo singular de água.

Esse estudo trouxe também importante contribuição ao constatar a

eficiência do meta-silicato de sódio, como aditivo utilizado na prevenção da

contaminação das paredes da tubulação pelo óleo, durante a operação em

CAF.

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Rodriguez (2002), utilizando tubulação de borossilicato com diâmetro

interno de 28,4 mm, também constatou perdas de pressão maiores no CAF do

que no fluxo singular de água, atribuindo esse efeito à maior velocidade do óleo

relativamente à água no padrão anular.

O autor recomendou o aprofundamento do estudo a respeito da

influência dos parâmetros de distribuição de energia cinética na estabilidade de

escoamentos óleo-água no padrão anular.

Peysson, Antonini & Bensakhria (2004) observaram que o regime CAF

oferece a maior redução de pressão dentre todos os regimes de fluxo,

ultrapassando a marca de 90%.

Nesse estudo experimental, em tubulação de aço inoxidável com 25 mm

de diâmetro interno, foi identificado um envelope de velocidades de fluxo de

óleo e água que possibilitam a ocorrência do CAF (Figura 2).

Figura 2 – O envelope de ocorrência do CAF é representado pela linha

tracejada (PEYSSON, ANTONINI & BENSAKHRIA, 2004)

Percebeu-se que a manutenção da configuração do regime CAF

depende de velocidades mínimas de fluxo, o que indica a possibilidade de

ocorrência de dificuldades em repartidas, ou variações significativas da vazão

de produção.

Biazussi (2010), através de tratamento de imagem fotográfica, calculou a

espessura média da camada de água para diversas condições de escoamento,

o que permitiu o cálculo da velocidade média da interface água-óleo.

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Em um dos mais relevantes estudos na área, Bannwart et al (2012)

realizaram um experimento piloto com tubulação com diâmetro nominal 2.7/8”

(medida comumente utilizada em colunas de produção) com 300 m de

profundidade com o intuito de avaliar a aplicabilidade prática do CAF como um

método de elevação artificial para óleos pesados.

A figura 3 mostra o visualizador instalado na cabeça do poço piloto, onde

se pode observar o padrão CAF.

Figura 3 - Padrão de fluxo CAF na cabeça do poço piloto com tubo de 2 7/8”

(Bannwart et al, 2012).

Nesse experimento, a vazão de óleo foi aumentada 2,5 vezes, em

consequência da redução do atrito com as paredes da tubulação.

Igualmente interessante foi a constatação de que a manutenção do anel

lubrificante pôde ser facilmente obtida com a simples regulagem da vazão de

água.

Segundo os autores, esse experimento representou um passo

importante para a aplicação em larga escala da técnica CAF.

Cabe lembrar, que em estudo realizado pelos próprios autores (2013) do

presente trabalho em bancada experimental (com fluxo predominantemente

horizontal em tubulação de PVC transparente com diâmetro nominal de 1”), foi

observada uma redução de 59% na pressão de operação, concomitantemente

com um aumento de 233% na vazão de óleo.

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Conclusão

Os estudos existentes demonstram a aplicabilidade do CAF como

alternativa para a produção de óleos pesados, com a consequente redução de

custos proporcionada pela menor necessidade de aporte de energia motriz e

pela possibilidade de recuperação em reservas maduras (campos que

apresentam depleção que em parte é causada pela dificuldade do escoamento

de óleos pesados).

Outro fator consequente da redução da energia requerida para a

elevação de óleos pesados é a diminuição das dimensões dos motores e

bombas utilizados em elevação artificial, que representa significativa redução

de custos.

A aplicabilidade da técnica ficou evidenciada com os excelentes

resultados obtidos nos trabalhos ora apresentados.

Existe uma unanimidade dos autores com relação à necessidade do

aprofundamento dos estudos, com variações de parâmetros que permitam

aumentar o nível de conhecimento sobre o assunto.

Esse entendimento leva à conclusão de que se devem aprofundar os

estudos na área, notadamente, na elevação de óleos pesados.

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