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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

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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

Page 2: Alguns Aspectos de Escoamento Multifásico na … · Alguns Aspectos de Escoamento Multifásico na Produção de Petróleo I Encontro de Pesquisadores em Mecânica dos Fluidos EESC-ICMC-UFSCar,

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

December 4, 2012 2

3.2. Escoamento disperso

4. Áreas potenciais de interação

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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

December 4, 2012 3

entrainment

gasdroplet

liquid filmbubble

Escoamento bifásico ar-água no padrão de

fluxo anular

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Produção de petróleo e gás

Escoamento bifásico óleo-água

Aplicações: industria de

December 4, 2012 4

industria de petróleo

Ex.: produção e transporte de petróleo

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2. Produção de petróleo pesado: “core-annular flow”

December 4, 2012 5

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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”

December 4, 2012 6

U 2 U 1 de óleo pesado

• Redução de perda de pressão significativa

• Aplicável tanto onshore quanto offshore

CIENTEC2001 - UNICAMP

V1V2

g

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Linhas de teste vertical ascendente e horizontal (2.84 cm ID glass tube)

December 4, 2012 7

Core-flow vertical ascencente

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Projeto: Transporte de Óleos PesadosProjeto: Transporte de Óleos Pesados

Poço FAL-09 da PETROBRAS usado nos testes

December 4, 2012 8

BCP Tanque e caminhão para transporte

Linha de teste do core-flow: 7.5 cm DI e 300 m

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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:

December 4, 2012 9

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

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Projeto: Elevação de Óleos PesadosProjeto: Elevação de Óleos PesadosEESCEESC--UNICAMPUNICAMP--PETROBRASPETROBRAS

December 4, 2012 10

Separador de fluidos e tanques de estocagem

Cabeça do poço de 4” e 300 m de profundidade

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Cabeça do poço após as modificações

December 4, 2012 11

Seção de visualização

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Escoamento anular observado

December 4, 2012 12

Page 13: Alguns Aspectos de Escoamento Multifásico na … · Alguns Aspectos de Escoamento Multifásico na Produção de Petróleo I Encontro de Pesquisadores em Mecânica dos Fluidos EESC-ICMC-UFSCar,

Queda de Pressão

December 4, 2012 13

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Taxa de produção

December 4, 2012 14

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Redes Neurais para identificação e controle do padrão de escoamento core-flow

pesos dassinapses

pesos dassinapses

pesos dassinapses

December 4, 2012 15

camada 1de neurônios

camada 2de neurônios

camada 3de neurônios

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Padrões de Escoamento óleo pesado-água:

December 4, 2012 16

Padrão Anular “Core-flow”

Bolhas dispersas

Bolhas Intermitente

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Identificação de Padrões de Escoamento e Controle da Elevação Artificial Através de

Distribuição Tempo-freqüência e Redes Neurais

dPEstratificado Liso

Ondulado

Intermitente

December 4, 2012 17

Intermitente

Bolhas

Anular ou Core-Flowx [ n ] a [ m, k ]

ηηηη [ i ]

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December 4, 2012 18

Core-flow

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Tomographic image� Intrusiva e Técnica

Tomografica

�Camada de fios

transmissores e camada

de fios receptores

Instrumentação multifásica – Sonda “wire-mesh”

December 4, 2012 19

� Condutiva e capacitiva

� Alta resolução

Temporal e Espacial (até

10000 fps)

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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

December 4, 2012 20

linha de teste de 1” do NETeF

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Do/w & Dw/o

40

60

80

100

jwater:1.0 m/s, joil:0.6 m/s

December 4, 2012 21

Câmera de alta velocidade do NETeF Wire-mesh

20

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Instalações experimentais do NETeF – EESC – USP

Poço Invertido

Separador

Gravitacional

Poço

Direcional

December 4, 2012 22

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3. Poço inteligente: inversão de modelos multifásicos para monitoramento de

poços horizontais e inclinados

December 4, 2012 23

poços horizontais e inclinados

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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

December 4, 2012 24

Observação: Quanto melhor o modelo direto, melhores as previsões do modelo inverso!!!

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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.

December 4, 2012 25

•Tubo de aço de 3’’ d.i. e 15 m de compr.

•7 inclinações da horizontal (-5 a +5o)

(Rodriguez and Oliemans, IJMF, 2006)

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Padrões de fluxo óleo-agua observados:

December 4, 2012 26

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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

December 4, 2012 27

3.2. Escoamento disperso:

• balanços entre intensidade turbulenta, gravidade, quebra e coalescência de gotas

• modelo homogêneo

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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 ∂+∂−∂

December 4, 2012 28

( ) ( )

+−−−′

′++

′−=

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

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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

December 4, 2012 29

Perfil de velocidade do óleo, Cw = 0.50 Perfil de velocidade da água, Cw = 0.75

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12

1

0 2

2

≤−

+

≤ o

o

FM

V

c

λπ

Critério de Transição Geral

December 4, 2012 30

12+oNV

λ

(Rodriguez, Mudde and Oliemans, Banff, Canada, 2006)

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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

December 4, 2012 31

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]

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θρρ

sin2 hom,

2hom,hom, g

D

Uf

dx

dpm

mmm −−=

3.2. Escoamento disperso: modelo homogêneo

Através dos dados de gradiente de

December 4, 2012 32

(Guet, Rodriguez, Oliemans and Brauner, IJMF, in press)

de gradiente de pressão medidos:

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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:

December 4, 2012 33

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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

December 4, 2012 34

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]

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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]

December 4, 2012 35

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”

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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

December 4, 2012 36

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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