Medição NãoMedição Não--intrusiva de Fração Volumétrica, intrusiva de Fração Volumétrica, Perda de Pressão Multifásica e Caracterização Perda de Pressão Multifásica e Caracterização çç

de Padrões em Escoamento Vertical de Padrões em Escoamento Vertical AscendenteAscendenteAscendenteAscendente

ÓleoÓleo--Água e ÓleoÁgua e Óleo--ÁguaÁgua--ArAr

Aluno Aluno Bernardo Bergantini Botamede Bernardo Bergantini Botamede

Nº USP 5396321Nº USP 5396321Nº USP: 5396321 Nº USP: 5396321 EE--mail: bbb1987@hotmail.com mail: bbb1987@hotmail.com

Orientador Orientador Prof. Dr. Oscar Mauricio Hernandez Rodriguez Prof. Dr. Oscar Mauricio Hernandez Rodriguez gg

EE--mail: oscarmhr@sc.usp.brmail: oscarmhr@sc.usp.brNETeF NETeF –– Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos

Departamento de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo

11 MotivaçõesMotivações1 1 -- MotivaçõesMotivações

P d ã d t ólP d ã d t ólProdução de petróleo em poços Produção de petróleo em poços brasileiros: ocorrência de escoamento brasileiros: ocorrência de escoamento trifásico;trifásico;Possibilidade de elevação do petróleo Possibilidade de elevação do petróleo ç pç passistida por água;assistida por água;Grande escassez de dados a respeito deGrande escassez de dados a respeito deGrande escassez de dados a respeito de Grande escassez de dados a respeito de escoamentos trifásicos.escoamentos trifásicos.

22 ObjetivosObjetivos2 2 -- ObjetivosObjetivos

Geração de um banco de dados Geração de um banco de dados experimentais detalhado contemplando experimentais detalhado contemplando p pp ppadrões de escoamento trifásico padrões de escoamento trifásico óleoóleo--águaágua--arar perda de pressão trifásica eperda de pressão trifásica eáguaágua arar, perda de pressão trifásica e , perda de pressão trifásica e fração volumétrica fração volumétrica in in situsitu das fases;das fases;

ééAprimoramento da técnica capacitiva para Aprimoramento da técnica capacitiva para medição de fração volumétrica medição de fração volumétrica in in situsitu..ç çç ç

33 MateriaisMateriais3 3 -- MateriaisMateriais

T d t d ã dif i lT d t d ã dif i lTransdutor de pressão diferencial Transdutor de pressão diferencial --ValidyneValidyne;;Sonda capacitiva Sonda capacitiva nãonão--intrusiva duplo intrusiva duplo sensor para medição de fração sensor para medição de fração p ç çp ç çvolumétrica volumétrica in in situsitu;;BancadasBancadas experimentais: Poço Pilotoexperimentais: Poço PilotoBancadas Bancadas experimentais: Poço Piloto, experimentais: Poço Piloto, Linha de Escoamentos Linha de Escoamentos MultifásicosMultifásicos e e Separador de Líquidos por PlacasSeparador de Líquidos por PlacasSeparador de Líquidos por Placas Separador de Líquidos por Placas Coalescentes. Coalescentes.

3 3 –– MateriaisMateriais33 a e a sa e a s

Esquema da bancada experimental utilizada no projetoEsquema da bancada experimental utilizada no projeto

44 Sonda CapacitivaSonda Capacitiva4 4 -- Sonda CapacitivaSonda Capacitiva

Testar capacitores de referência;Testar capacitores de referência;

Testar resposta da sonda para escoamento óleoTestar resposta da sonda para escoamento óleo--água água na linha horizontal;na linha horizontal;

Testar resposta da sonda para diversas porcentagens Testar resposta da sonda para diversas porcentagens de óleo e ar na linha horizontal (testes estáticos).de óleo e ar na linha horizontal (testes estáticos).

4 4 -- Sonda CapacitivaSonda Capacitiva

Circuito originalCircuito original

Circuito utilizadoCircuito utilizado

4 4 -- Sonda CapacitivaSonda CapacitivappStatic Data (R2)

0,8

1,0 Reference capacitor full of water Reference capacitor full of air Regretion curve Regretion curve

0,6 Regretion curveof static points

er fr

actio

n

0,2

0,4

Wat

e

0 1 2 3 4 50,0

Tension (volts)

GráficoGráfico comparativocomparativo parapara duasduas curvascurvas dede calibraçãocalibração dede pontospontostátitáti áá itit dd f ê if ê i ááestáticosestáticos águaágua--arar;; capacitorcapacitor dede referênciareferência comcom águaágua ee comcom arar..

4 4 -- Sonda CapacitivaSonda Capacitivapp

Static X Dynamic Data (A2)

1,0 Dispersed oil-water flowStratifield flow

Static X Dynamic Data (A2)

0,6

0,8

Stratifield flow Static calibration curve Dynamic calibration curve

(Dispersed oil-water flow) Dynamic calibration curve

(Stratifield flow)ion

(%)

0,4 Regretion curveof static points

Wat

er fr

act

1 0 1 2 3 4 50,0

0,2

W

-1 0 1 2 3 4 5

Tension (volts)

Curvas de calibração dinâmicas para óleoCurvas de calibração dinâmicas para óleo--água.água.

Sonda CapacitivaSonda Capacitiva

Static Data (R2)

pp

1,0

Static Data (R2)

Static points

0,6

0,8Static calibration curve

ion

0,4

0,6

Regretion curveof static pointsA

ir fr

acti

0 0

0,2

0 1 2 3 4 50,0

Tension (volts)

Curva de calibração estática para óleoCurva de calibração estática para óleo--ar.ar.

Sonda CapacitivaSonda CapacitivaSonda CapacitivaSonda Capacitiva

Sonda de anéisSonda de anéis Sonda helicoidalSonda helicoidalSonda de anéisSonda de anéis Sonda helicoidalSonda helicoidal

Placas de OrifícioPlacas de OrifícioPlacas de OrifícioPlacas de Orifício

A perda de pressão local provocada pela placa de orifício pode serA perda de pressão local provocada pela placa de orifício pode serA perda de pressão local provocada pela placa de orifício pode ser A perda de pressão local provocada pela placa de orifício pode ser mensurada por um transdutor diferencial de pressão e relacionada com a mensurada por um transdutor diferencial de pressão e relacionada com a vazão:vazão:

55 -- Placas de OrifícioPlacas de Orifício5 5 Placas de OrifícioPlacas de Orifício

Onde :Onde :

Vazão real depende do coeficiente de descarga Cd:Vazão real depende do coeficiente de descarga Cd:

No momento não há instrumentos no laboratório para calibração diretas No momento não há instrumentos no laboratório para calibração diretas das placas na linha de ar.das placas na linha de ar.Apesar da norma para placas de orifício serem muito confiáveis, seria muito Apesar da norma para placas de orifício serem muito confiáveis, seria muito p p pp p pdesgastante garantir todas as rigorosas condições físicas exigidas pela desgastante garantir todas as rigorosas condições físicas exigidas pela norma.norma.

55 -- Placas de OrifícioPlacas de Orifício

OO l lib ã d l li h d ál lib ã d l li h d á

5 5 Placas de OrifícioPlacas de Orifício

OptouOptou--se pela calibração das placas na linha de água;se pela calibração das placas na linha de água;GarantindoGarantindo--se semelhança geométrica e dinâmica, podese semelhança geométrica e dinâmica, pode--se levantar se levantar os parâmetros necessário para o cálculo do coeficiente de os parâmetros necessário para o cálculo do coeficiente de p pp pdescarga.descarga.

55 -- Placas de OrifícioPlacas de Orifício5 5 Placas de OrifícioPlacas de Orifício

Programa em Excel para dimensionamento das placas de orifícioPrograma em Excel para dimensionamento das placas de orifício

5 5 -- Placas de OrifícioPlacas de OrifícioPlaca 1 Placa 2 Placa 3

Diâmetro interno da tubulação (mm) 40,9 40,9 40,9

Diâmetro do orifício (mm) 6,6 11,5 20

Diferença de pressão mínima (mmca) 130 130 130

Diferença de pressão máxima (mmca) 5000 5000 5000

Vazão mínima (l/min) 57 172 524

Vazão máxima (l/min) 262 794 2400

Velocidade superficial mínima (m/s) 0,484 1,46 4,45

V l id d fi i l á i ( / ) 2 224 6 74 20 37Velocidade superficial máxima (m/s) 2,224 6,74 20,37

55 -- Placas de OrifícioPlacas de Orifício5 5 Placas de OrifícioPlacas de Orifício

Curva de calibração da quinta placa de orifícioCurva de calibração da quinta placa de orifícioCurva de calibração da quinta placa de orifício Curva de calibração da quinta placa de orifício (diâmetro do orifício de 6,6 mm)(diâmetro do orifício de 6,6 mm)

55 -- Placas de OrifícioPlacas de Orifício5 5 Placas de OrifícioPlacas de Orifício

Curva de calibração da primeira placa de orifícioCurva de calibração da primeira placa de orifícioCurva de calibração da primeira placa de orifício Curva de calibração da primeira placa de orifício (diâmetro do orifício de 20 mm)(diâmetro do orifício de 20 mm)

6 6 -- Medidor diferencial de pressão Medidor diferencial de pressão ((ValidyneValidyne))

Necessidade de se manter ar nas mangueiras Necessidade de se manter ar nas mangueiras das tomadas de pressão de modo a se obter a das tomadas de pressão de modo a se obter a correta medição de diferencial de pressão;correta medição de diferencial de pressão;

Grande dificuldade de impedir entrada de águaGrande dificuldade de impedir entrada de águaGrande dificuldade de impedir entrada de água Grande dificuldade de impedir entrada de água nas mangueiras.nas mangueiras.

6 6 -- Medidor diferencial de Medidor diferencial de pressão (pressão (ValidyneValidyne))

Solução: tanque desenvolvido para impedir entrada deSolução: tanque desenvolvido para impedir entrada deSolução: tanque desenvolvido para impedir entrada de Solução: tanque desenvolvido para impedir entrada de líquidos nas mangueiras com ar.líquidos nas mangueiras com ar.

66 -- Medidor diferencial deMedidor diferencial de6 6 Medidor diferencial de Medidor diferencial de pressão (pressão (ValidyneValidyne))

Tanque instaladoTanque instalado ValidyneValidyne instalado noinstalado noTanque instaladoTanque instalado ValidyneValidyne instalado no instalado no poço pilotopoço piloto

6 6 -- Medidor diferencial de Medidor diferencial de pressão (pressão (ValidyneValidyne))

Variação no nível da água no tanque se mantém em um Variação no nível da água no tanque se mantém em um valor aceitável para uma grande faixa de vazão.valor aceitável para uma grande faixa de vazão.E t i t it t d i ãE t i t it t d i ãEscoamentos intermitentes provocam grande variação Escoamentos intermitentes provocam grande variação no nível e podem retirar água do tanque.no nível e podem retirar água do tanque.Validação da instalação do tanque e da calibração doValidação da instalação do tanque e da calibração doValidação da instalação do tanque e da calibração do Validação da instalação do tanque e da calibração do transdutor com escoamento monofásico de águatransdutor com escoamento monofásico de águaEquação deEquação de DarcyDarcy--WeisbachWeisbach para perda de atritopara perda de atritoEquação de Equação de DarcyDarcy--WeisbachWeisbach para perda de atrito para perda de atrito monofásico:monofásico:

_1 ²2d

LP f V ghD

ρ ρΔ = +2 D

6 6 -- Medidor diferencial de Medidor diferencial de pressão (pressão (ValidyneValidyne))

Variação do nível da água se manteve em torno de 1,4 cm.Variação do nível da água se manteve em torno de 1,4 cm.

77 Testes com padrões trifásicosTestes com padrões trifásicos7 7 -- Testes com padrões trifásicosTestes com padrões trifásicos

Carta de escoamento bifásica com Carta de escoamento bifásica com pontos sobrepostos (em preto pontos sobrepostos (em preto

pontos já coletados e em vermelhopontos já coletados e em vermelhopontos já coletados e em vermelho pontos já coletados e em vermelho pontos a serem coletados.)pontos a serem coletados.)Imagem obtida durante testes.Imagem obtida durante testes.

7 7 -- Testes com padrões Testes com padrões trifásicostrifásicos

Padrões já observados durante os testes:Padrões já observados durante os testes:Bolhas óleo / bolhas Bolhas óleo / bolhas taylortaylor ar ar –– ((BoBo//BTgBTg););Bolhas dispersas óleo / bolhas ar Bolhas dispersas óleo / bolhas ar –– ((BDoBDo//BgBg););Bolhas dispersas óleo / bolhas dispersas ar Bolhas dispersas óleo / bolhas dispersas ar –– ((BdoBdo//BDgBDg););Anular com bolhas óleo / bolhasAnular com bolhas óleo / bolhas taylortaylor arar (Abo/(Abo/BTgBTg););Anular com bolhas óleo / bolhas Anular com bolhas óleo / bolhas taylortaylor ar ar –– (Abo/(Abo/BTgBTg););

Óleo parece facilitar formação de bolhas de Óleo parece facilitar formação de bolhas de taylortaylor para ar;para ar;p çp ç yy p ;p ;

Bolhas de Bolhas de taylortaylor ganham maior velocidade e dissipam núcleos de ganham maior velocidade e dissipam núcleos de l ti ã d b lh d ól difi lt t i tá ll ti ã d b lh d ól difi lt t i tá laglutinação das bolhas de óleo, o que dificulta ou torna instável o aglutinação das bolhas de óleo, o que dificulta ou torna instável o

padrão anular com bolhas óleo.padrão anular com bolhas óleo.

88 AgradecimentosAgradecimentos8 8 -- AgradecimentosAgradecimentos

AoAo financiamentofinanciamento e e apoioapoio das das seguintesseguintesinstituiinstituiçõesções::çç

FAPESPFAPESP-- FAPESPFAPESP-- PetrobrasPetrobraset ob aset ob as

FimFimFimFim