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ESTUDO EXPERIMENTAL E MODELAGEM DA SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL DE GÁS NO
FUNDO DE POÇOS DIRECIONAIS
Fernando Augusto Alves Mendes
Orientador: Prof. Dr. Oscar Maurício Hernandez Rodriguez
1
25 de novembro de 2011
ShroudInvertido
(VERTICAL)
Separador Cetrífugo
Shroud Invertido
(INCLINADO)
EFICIÊNCIA
Separadores de fundo de poço
2
EFICIÊNCIA
Ausência
Alta (90%)
PARTES MOVEIS
Baixa
Contém
???
Ausência
Aparato experimental
1 – Compressor
10 – Bomba de água helicoidal
3, 5, 22, 23 – Medidores de ar
12, 13 – Medidores de água
3
12, 13 – Medidores de água
17, 18 – Medidores de óleo
20 – Tanque separador água óleo
30 – Separador Shroud Invertido
Velocidades Superficiais:JG= 0,02 – 50 m/sJL= 0,02 – 5 m/s
Inclinação: 0 °°°° – 90°°°°
Aparato experimental
4
Separador inclinado a 70° da horizontal.
Aparato experimental
Gás
Líquido+ gás
Nível de líquido
16
5
Desenho esquemático da seção de testes.
Líquido + gás
Gás
Revestimento
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
NAI
111
65
1. O escoamento em superfície livre no interior do separador não é influenciado peloescoamento do anular externo.
Modelo de previsão da eficiência
Hipóteses consideradas
6
escoamento do anular externo.2. O escoamento em superfície livre no interior do separador ocorre em regime
permanente e uniforme.3. Toda, e somente, a energia cinética resultante do escoamento em superfície livre é
dissipada em forma de turbulência no momento do choque do escoamento com oNAI.
4. Todo o sistema é considerado isotérmico e adiabático.5. O ar se comporta como gás ideal.
Modelo de previsão da eficiência
Comprimento de separação total
7
Modelo de previsão da eficiência
Velocidade do escoamento
em superfície livre – Chezy (1775)
8
Modelo de previsão da eficiência
Velocidade terminal da bolha
9
Modelo de previsão da eficiência
Energia dissipada por unidade de massa
Tubo de produçãoE1
10
Parede doseparador
Volume decontrole VSL
Escoamento emsuperfície livre
NAI
β β
h1
Ldis
Edis
1
2
Modelo de previsão da eficiência
Energia dissipada por unidade de massa
E1
11
β
h1
Ldis
Edis
1
2
Modelo de previsão da eficiência
12
onde: A → admensional a ser proposto.m → coeficiente a ser determinado com dados experimentaisB → admensional a ser proposton → coeficiente a ser determinado com dados experimentais
Modelo de previsão da eficiência
Uma análise da fenomenologia do processo de separação mostra quea energia dissipada em forma de turbulência no NAI que é proveniente dochoque do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI é ofenômeno chave na solução e descrição do processo de separação, logo.
13
Sendo o número de Weber modicado (We* ) a razão entre a energiacinética de impacto do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI(E
k) e a energia de superfície do NAI (E
S) .
Modelo de previsão da eficiência
Determinado a possível grandeza admensional que possa representaro processo de separação, então a curva de eficiência máxima fica .
14
onde: Ldis
→ comprimento de dissipação.DHAI
→ diâmetro hidráulico do separador shroud.
Modelo de previsão da eficiência
Calculo do número de Weber modificado
15
onde: ρL
→ densidade do líquido [ kg/m³ ]uSL
→ velocidade do escoamento em superfície livre [ m/s ]SiAI
→ comprimento da interface gás-líquido no escoamento em superfície livre [ m ]
σ → tensão superficial [ N/m ]
Resultados
Fenômenos observados
Gás
Líquido+ gás
Nível de líquido
Inundação
Líquido + gás
Gás
Revestimento
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
Inundação
Ocorre quando o líquidopreenche e até mesmo cobretodo o separador shroudinvertido.
16
Resultados
Fenômenos observados
Afogamento
Gás
Líquido+ gás
Nível de líquido
Afogamento
No afogamento, ocorreum acumulo de líquido acima doseparador, enquanto que em seuinterior, observa-se a formaçãodo escoamento em superfícielivre.
Líquido + gás
Gás
Revestimento
Separador Shroud
Tubo de produção
Líquido
NAI
17
Resultados
Comportamento do separador em relação ao afogamento e
a inundação
100
105
100
105
Separador inclinado em 15°. Separador inclinado em 45°.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
η (%
)
QP (m³/s)
Afogado Inundado
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
QP (m³/s)
η (%
) Afogado
18
Resultados
Comportamento do separador em relação ao afogamento e
a inundação
100
105
100
105
Separador inclinado em 60°. Separador na vertical.
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
QP (m³/s)
η (%
)
Afogado Inundado
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,001280
85
90
95
QP (m³/s)
η (%
) Inundado
19
Resultados
Comportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI
para ar-água
90
95
100
105
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 850
55
60
65
70
75
80
85
90
η (%
)
LNAI
(m)
20
Resultados
Comportamento da eficiência de separação em relação ao
LNAI
para ar-óleo
90
95
100
105
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 850
55
60
65
70
75
80
85
90
LNAI
(m)
η (%
)
21
Resultados
Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-água
5
6
7
8
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
L NA
I (m
)
β ( o )0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-1
0
1
2
3
4
L NA
I (m)
β ( o )
Vidal (2010)
η < 100% η = 100%
22
Resultados
Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação
com o separador operando com ar-óleo
6
7
8
η < 100% η = 100%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
0
1
2
3
4
5
β ( o )
L NA
I (m)
23
Resultados
Determinação 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 com o Origin 8.1 e através da técnica de tentativa e erro obteve-se as seguintes sentenças. da técnica de tentativa e erro obteve-se as seguintes sentenças.
� Para Resl ≤ 2000 →
� Para Resl > 2000 →
Onde Resl é o número de Reynolds do escoamento em superfície livre.
24
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
80
100
120
140
160
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
L NA
I (m
)
QP (m³/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-20
0
20
40
60
80
L NA
IAd
We*
η < 97% η > 97% Modelo
25
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
100
120
140
160
180
200
Separador inclinado em 45°.
η < 97% η > 97% Modelo
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
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
L NA
IAd
We*
26
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
100
120
140
160
180
200
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
Separador inclinado em 60°.
η < 97% η > 97% Modelo
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240-20
0
20
40
60
80
100
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
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
27
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-água
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
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
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
28
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
100
120
140
160
180
200
Separador inclinado em 15°.
η < 97% η > 97% Modelo
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
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
L NA
IAd
We*
29
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
100
120
140
160
180
200
Separador inclinado em 45°.
η < 97% η > 97% Modelo
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
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
L NA
IAd
We*
30
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
100
120
140
160
180
200
Separador inclinado em 60°.
η < 97% η > 97% Modelo
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
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
L NA
IAd
We*
31
Resultados
Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0 Para vazões de líquidosuperiores a 0,00005 m³/s epara a vazão de gás fixada em0,00417 kg/s tem-se eficiênciamaior que 97%.
Para vazões de líquido
Separador posicionado na vertical. η < 97% η > 97%
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
QP (m³/s)
L NA
I (m
)
Para vazões de líquidosuperiores a 0,00005 m³/s epara a vazão de gás fixada em0,00028 kg/s tem-se eficiênciamenor que 97%.
Com vazão de líquidofixada em 0,00002 m³/s e a degás em 0,00028 kg/s aeficiência é menor que 97%.
32
Conclusões
1. O separador proposto no presente trabalho descarta peças móveis que causariamprováveis paradas para manutenção, comprometendo a produção.
2. O presente trabalho mostrou a separação total do gás tanto para líquidos de baixaviscosidade, 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 anular3. Na faixa de vazões de ar e água testadas, o padrão de escoamento no anularexterno não tem maior influência sobre a separação do gás no separador.
4. Dois fenômenos que interferem na eficiência foram identificados, a inundação e oafogamento.
5. Um modelo foi proposto e testado com sucesso para os casos em que o separadoropera nos regimes de escoamento laminar e turbulento.
6. Foi constatado que para o separador operando com ar-água a separação do gáscomeça a se tornar ineficiente a partir de 60° de inclinação, no caso em que oseparador opera com óleo, para angulações a partir de 45° o separador começa ase tornar ineficiente.
33
AGRADECIMENTOS
34
