Projetos em curso

Estudo teórico/experimental sobre a natureza de perfis de velocidade em escoamentos no interior de poços horizontais

Durante um extenso período de tempo, os poços de produção foram perfurados de modo que o acesso à zona produtora se dava por um trecho de coluna vertical de pequeno comprimento. Devido a essas características construtivas, poços desse tipo são costumeiramente chamados de verticais. Recentemente, o acesso à zona produtora de um poço obedece a novos paradigmas. Em particular, a perfuração é agora feita horizontalmente e de modo prolongado, com o intuito de abranger a maior extensão possível da zona produtora. Esses poços são chamados simplesmente de poços horizontais. Uma maior extensão da região de coleta de petróleo tem sido observada aumentar substancialmente a produtividade de um poço.

Alguns novos projetos de poços já contemplam trechos horizontais com até 2.000 metros de extensão. Em sistemas de tubulações de produção de petróleo, onde o comprimento total – incluindo os condutos do escoamento e os umbilicais – em geral é inferior a 10.000 metros, a contribuição dos efeitos do escoamento na região horizontal do poço exerce certamente um papel importante na definição das propriedades finais do escoamento global. Um exemplo típico é a definição da perda de carga local. Dada a longa extensão da região de escoamento confinado no interior do poço, não se justifica utilizar premissas de cálculo de perda de carga baseadas em simplificações grosseiras. Os efeitos combinados da (i) geometria da área suscetível ao escoamento no interior do poço, em particular, de sua rugosidade, e (ii) da transpiração de fluido na parede, definem efeitos importantes que devem ser corretamente modelados no cálculo do atrito na parede, e, conseqüentemente, na perda de carga global do sistema.

Cabe ainda ressaltar que normalmente os poços horizontais recebem a alimentação do reservatório de modo contínuo. Entretanto, situações podem ocorrer onde a drenagem varia espacialmente. Isso significa que modelos para a previsão do atrito na parede, por exemplo, precisam ser locais. Em especial, o acoplamento entre as propriedades do escoamento e do próprio poço precisam ser entendidas. A inter-relação dessas propriedades, e, em particular, entre os campos de pressão, deverá influenciar de modo decisivo a drenagem do meio poroso.

Outro aspecto importante a se considerar no problema é a provável ocorrência de regimes multifásicos nos dutos. De fato, as altas pressões esperadas no fundo do poço podem já estar em níveis abaixo da pressão de saturação, o que provoca o aparecimento de escoamentos bifásicos de óleo e gás. Como um sério agravante, pode ocorrer ainda no poço a produção de água. Neste caso, uma configuração complexa tri-fásica gás-óleo-água pode se formar. Todas essas variantes devem ser agora consideradas à luz da discussão anterior. Não apenas a perda de carga passa a variar com o regime, como também o modo como o poço é drenado.

A estabilidade de um escoamento multifásico em situações onde o trecho horizontal possua uma leve inclinação e as vazões sejam baixas também deve ser analisada com cuidado. Problemas de instabilidade podem ocorrer em testes para o levantamento de índices de produtividade de um poço. É fato comum nesses testes que o poço ainda não esteja interligado à plataforma de produção. Neste caso, o teste é feito em uma sonda de completação, a qual não possui capacidade de receber grandes vazões de óleo e gás. Portanto, ela trabalha com o sistema restrito a baixas vazões, o que pode acarretar instabilidades no escoamento.

O presente projeto possui como objetivo principal desenvolver equações de fechamento para a construção de um modelo unidimensional preditivo capaz de avaliar:

• A perda de carga no trecho horizontal de um poço em condições de escoamento monofásico, bifásico óleo-gás e trifásico óleo-gás-água;
• A forma como o poço drena o meio poroso;
• As condições em que instabilidades de escoamentos bifásicos induzidas pela geometria do poço podem ocorrer;

Adicionalmente, o presente projeto deverá fornecer um conjunto de informações experimentais para a validação dos modelos propostos. Os resultados obtidos deverão ser auxiliares especificamente na construção do modelo proposto, devendo ser utilizados na construção de um modelo geral a ser adicionado ao simulador MARLIM®. Como exemplo de dados experimentais relevantes, buscar-se-á os perfis de velocidade que se desenvolvem ao longo do poço horizontal para diversas condições de drenagem do meio poroso.

Todos os experimentos são conduzidos na COPPE/UFRJ; eles são acompanhados de maneira intensiva por uma equipe da PETROBRAS. Os protótipos utilizados foram construídos e instalados no Laboratório de Escoamentos Multifásicos em Tubulações do PEM/COPPE/UFRJ. As medições utilizam anemometria laser Doppler (ALD) e velocimetria por imagem de partícula (VIP) para a caracterização dos perfis de velocidade. As perdas de pressão ao longo da tubulação são monitoradas. Os regimes de escoamento serão caracterizados por sensores eletro-resistivos bem como por técnicas fotográficas. Para este fim também serão utilizadas a ALD e a VIP.

Material Disponível:

• Simulador de escoamento em tubulação lisa permeável;

• Simulador de perda de carga.

Para visualizar os simuladores, é necessário o Wolfram Mathematica Player. Faça o download aqui

Estudo experimental de um escoamento bi-fásico horizontal considerando os efeitos da solubilidade da fase gasosa

O presente trabalho objetiva investigar os efeitos da solubilidade da fase gasosa em um escoamento bifásico horizontal. Diante de cenários desafiadores como o Pré-Sal, onde os poços apontam para objetivos cada vez mais profundos, tanto em lâmina d'água, como em profundidade dos reservatórios, adicionando-se à crescente necessidade de aprimoramento dos aspectos relativos à segurança de poço, a indústria está desenvolvendo novas técnicas de perfuração visando possibilitar um maior controle sobre os parâmetros do poço, assim como tecnologias para fornecer dados de fundo de poço em tempo real, com maior precisão e confiabilidade. Dentro deste contexto é imperativo que se direcione esforços no sentido de se obter um melhor entendimento acerca dos fenômenos envolvidos no escoamentos dos fluidos, objetivando uma predição mais precisa da pressão ao longo do poço.

A combinação destes fatores será fundamental para viabilizar a exploração destas novas jazidas, reduzindo-se os custos e os riscos envolvidos. Este trabalho propõe uma abordagem pioneira para se investigar como os parâmetros característicos do escoamento variam na medida em que o gás se solubiliza, e como isso impacta na perda de carga. Foi montado um aparato com um tubo de acrílico de 19 mm de diâmetro e 8 m de comprimento.

A perda de carga foi medida através de um transmissor eletrônico de pressão, e os demais parâmetros foram adquiridos pela utilização de duas técnicas de medição de escoamentos: Dimensionamento por Sombras; e Velocimetria por Imagem de Partículas. Os resultados encontrados sinalizam que a solubilidade tem uma influência significativa no escoamento e, portanto, deve ser incorporada aos modelos hidrodinâmicos utilizados pela indústria.

Estudo experimental da dispersão de aditivos químicos em escoamentos em tubulações

Boa parte do transporte de hidrocarbonetos no mundo é feito através de dutos. Este tipo de transporte é vantajoso para aplicações envolvendo grandes quantidades e longas distâncias, sendo a indústria de petróleo e gás natural conhecida pelo volume de recursos envolvido em suas operações. Por isso, interrupções de operação e perdas no processo devem ser evitadas ao máximo.

Uma das formas de se melhorar o processo de transporte desses materiais é através da injeção de aditivos para uma melhoria das propriedades do fluido, incluindo a diminuição do arrasto com a parede da tubulação, a inibição de corrosão ou redução de incrustações devido à sedimentação de partes pesadas e a inibição da formação de hidratos.

No entanto, é importante garantir que o aditivo se misture ao fluido transportado, evitando sua estratificação. Este desafio nos leva à necessidade de descrever o escoamento para podermos prever o comportamento e decidir pela melhor maneira de injeção, pela vazão mínima para garantir certo grau de homogeneidade e etc.

Determinar de forma segura como um fluido aspergido se distribui na seção transversal de um duto durante seu escoamento não é tarefa fácil. Nos dias atuais não se dispõe de modelos simples e confiáveis para a determinação desta distribuição. A maioria dos trabalhos na literatura apresenta estudos experimentais ou estudos numéricos sobre o tema. Dificilmente observam-se ambas as simulações. Alguns autores até comparam o resultado das suas simulações numéricas com os resultados experimentais de outros autores, porém muitas vezes as condições iniciais utilizadas não são as mesmas.

O objetivo do estudo proposto é caracterizar a aspersão de fluidos em tubulações industriais através de simulações numéricas e experimentais de escoamentos característicos da aplicação em questão. Os resultados obtidos são comparados de forma a validar os modelos numéricos utilizados.

O entendimento de como o escoamento gerado por um bico aspersor interage com o escoamento principal, auxiliará a indústria a analisar questões voltadas ao aperfeiçoamento do processo de mistura, incluindo a determinação da melhor posição para injeção do fluido, qual a concentração e vazão ideais, além da geometria indicada para o bocal.