Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional de gás no fundo de poços direcionais

1. Encontro da Rede Temática de Elevação Artificial Rio de Janeiro, 03/09/2011 Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional de gás no fundo de poços direcionais Oscar M. H. Rodriguez Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos

2. Resumo da apresentação • O NETeF da USP: Linhas de Pesquisa e Alguns Números • Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional de gás no fundo de poços direcionais • Resultados da 1ª Fase • Prêmio PETROBRAS de Tecnologia • Andamento da 2ª Fase • Aquisição de material permanente e instalação de nova instrumentação • Apresentação de trabalho no 12th International Conference MULTIPHASE FLOW IN INDUSTRIAL PLANTS Ischia, Italy – September 21-23, 2011: • Water-assisted Flow of Heavy Oil in a Vertical Pipe: Pilot-scale Experiments

3. Núcleo de EngenhariaTérmica e Fluidos (NETeF) da USP - São Carlos

4. Poço invertido Gangorra Separador gravitacional Laboratório de EscoamentosMultifásicosIndustriais do NETeF

5. NETeF: Linhas de Pesquisa e Alguns Números Linhas de Pesquisa Instrumentação Fenomenologia de Escoamentos Multifásicos (gás-líquido, líquido-líquido e gás-sólidos): Investigação Experimental e Numérica Refrigeração Motores de CombustãoInterna e Biocombustíveis SoluçõesparaEscoamentosBifásicosIndustriais

6. NETeF: Alguns Números • 4 Técnicos • 1 EngenheiroEletrônico • 1 EngenheiroMecânico • 15 Estudantes de IniciaçãoCientífica • 30 Estudantes de Pós-graduação • 6 Pós-doutores • 8 Professores (todos com Pós-doutorado no exterior)

7. 2. Estudo experimental e modelagem da separação gravitacional de gás no fundo de poços direcionais Resultados da 1ª Fase

8. Separador shourd invertido Tubo de produção N.A.I. Shroud Tubo de revestimento

9. Fenomenología do Separador Tubo de produção N.A.E. N.A.I. B Shroud A D C

10. Modelo de previsão da eficiência Uma análise da fenomenologia do processo de separação mostra que a energia dissipada em forma de turbulência no NAI que é proveniente do choque do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI é o fenômeno chave na solução e descrição do processo de separação, logo. Sendo o número de Weber modicado (We* ) a razão entre a energia cinética de impacto do escoamento em superfície livre com a superfície do NAI (Ek* ) e a energia de superfície do NAI (ES* ) .

11. Modelo de previsão da eficiência Determinado a possível grandeza admensional que possa representar o processo de separação, então a curva de eficiência máxima fica . onde: LNAI  distancia entre entrada da bomba e o NAI DH  diâmetro hidráulico do separador shroud

12. Modelo de previsão da eficiência Para calcular o número de Weber modificado, tem-se. onde: L  densidade do líquido [ kg/m³ ] u velocidade da superfície livre (determinada pela equação de Chezy) [ m/s ] Si  comprimento da interface gás-líquido no escoamento em superfície livre [ m ]   tensão superficial [ N/m ]

13. Resultados Fenômenos observados Inundação Ocorre quando o líquido preenche e até mesmo cobre todo o separador shroud invertido.

14. Resultados Fenômenos observados Afogamento No afogamento, ocorre um acumulo de líquido acima do separador, enquanto que em seu interior, observa-se a formação do escoamento em superfície livre.

15. Resultados Comportamento do separador em relação ao afogamento e a inundação Separador inclinado em 15. Separador inclinado em 60.

16. Resultados Comportamento da eficiência de separação em relação ao LNAI para ar-água

17. Resultados Comportamento da eficiência de separação em relação ao LNAI para ar-óleo

18. Resultados Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação com o separador operando com ar-água Vidal (2010)

19. Resultados Efeito do ângulo de inclinação na eficiência de separação com o separador operando com ar-óleo

20. 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 obteve-se as seguintes equações. • Para Resl  2000  • Para Resl> 2000  Onde Resl é o número de Reynolds do escoamento em superfície livre.

21. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-água Separador inclinado em 15.

22. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-água Separador inclinado em 45.

23. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-água Separador inclinado em 60.

24. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-água Separador posicionado na vertical.

25. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo Separador inclinado em 15.

26. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo Separador inclinado em 45.

27. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo Separador inclinado em 60.

28. Resultados Modelo de previsão da eficiência para ar-óleo Para vazões de líquido superiores a 0,00005 m³/s e para a vazão de gás fixada em 0,00417 kg/s tem-se eficiência maior que 97%. Para vazões de líquido superiores a 0,00005 m³/s e para a vazão de gás fixada em 0,00028 kg/s tem-se eficiência menor que 97%. Com vazão de líquido fixada em 0,00002 m³/s e a de gás em 0,00028 kg/s a eficiência é menor que 97%. Separador posicionado na vertical.

29. Conclusões O separador descarta peças móveis que causariam prováveis paradas para manutenção, comprometendo a produção. O presente trabalho mostrou a separação total do gás tanto para líquidos de baixa viscosidade, água, como para líquido de alta viscosidade, óleo com 300 cP. Na faixa de vazões de ar e água testadas, o padrão de escoamento no anular externo não tem maior influência sobre a separação do gás no separador. Dois fenômenos que interferem na eficiência foram identificados, a inundação e o afogamento. Um modelo foi proposto e testado com sucesso para os casos em que o separador opera nos regimes de escoamento laminar e turbulento. Para o separador operando com ar-água a separação do gás começa a se tornar ineficiente a partir de 60 de inclinação Operando com ar-óleo, para angulações a partir de 45 o separador começa a se tornar ineficiente.

30. O trabalho foi agraciado em 2011 Prêmio petrobras de tecnologia – 5ª edição Tecnologia de Perfuração e de Produção

31. andamento da 2ª Fase TC assinado pela PETROBRAS em abril de 2011

32. Aquisição de material permanente

33. Adequação do laboratório: Instalação e calibração de instrumentação Filtragem primária de particulado, óleo e umidade Filtragem secundária de particulado, óleo e umidade Novo compressor de parafuso

34. Novos medidores de vazão de ar Válvulas para controle remoto das vazões

35. 12th International Conference MULTIPHASE FLOW IN INDUSTRIAL PLANTS Ischia, Italy – September 21-23, 2011 WATER-ASSISTED FLOW OF HEAVY OIL IN A VERTICAL PIPE: PILOT-SCALE EXPERIMENTS Antonio C. Bannwarta, Oscar M. H. Rodriguezb, Jorge L. Biazussia, Fabio N. Martinsb, Macelo F. Sellib, Carlos H. M. de Carvalhoc a Dept. Petroleum Engineering, UNICAMP, Campinas, SP, Brazil bannwart@dep.fem.unicamp.br b Dept. Mechanical Engineering, EESC - USP, São Carlos, Brazil oscarmhr@sc.usp.brc PETROBRAS, CENPES/PDP/TE, Rio de Janeiro, Brazil chmc@petrobras.com.br

37. Multiphase-flow Loop of the Research Centre (CENPES) of PETROBRAS, Brazil Fluids separator and tanks 300-m-deep well head

38. Changes carried out Data acquisition and bullet-proof visualization section

39. Observed core-annular flow (6-hour-long test)

40. RESULTS 25% decrease of bottom-hole pressure 150% increase of oil production rates