Abstract:
Nos campos de petróleo a exploração e o transporte exigem habilidades especiais, sobre as propriedades dos fluidos envolvidos, e os fatores que influenciam na configuração dos perfis de escoamento é crucial. Isso leva ao desenvolvimento de diferentes métodos de transporte. No entanto, os fatores mais considerados na melhoria dos métodos são custo e eficiência. Provavelmente, um meio de transporte mais eficiente tende a reduzir o custo. Assim, esta dissertação estudou uma das melhores formas de transporte de petróleo pesado bruto; escoamento anular (Core annular flow- CAF) com o objetivo de encontrar as condições necessárias para estabelecer um escoamento CAF. Estas condições são fração volumétrica (corte) de óleo e água na entrada do tubo, velocidade dos fluidos (óleo e água), diâmetro do tubo e material do tubo (vidro). Ao alcançar o escoamento CAF, avaliou-se a queda de pressão, perfil de velocidade, tensão cisalhante. O melhor CAF possui condições onde a queda de pressão para todo o processo é menor. Sobretudo, estes estudos foram feitos com o software COMSOL 5.0 no formato de perfil volumétrico em 3D usando uma malha computacional variando de 80.000 a cerca de 200.000 elementos, que representam as dimensões do tubo utilizado no laboratório e as propriedades de fluidos. Posteriormente, outras condições foram simuladas, usando o COMSOL multiphysics 5.0. Este software resolve uma equação de momento único compartilhada pelos dois líquidos (óleo e água). Além disso, traça a trajetória de cada fração volumétrica dos fluidos em todo o domínio computacional produzindo o perfil do escoamento (multifásico). A validação do software foi feita reproduzindo três grupos de perfis de escoamento multifásico (óleo e água) encontrados em artigos publicados: Duin, Hankes e Ooms (2018), Tripathi et al, (2017) e Rhoheth (2016). Depois da validação, estabeleceram-se as condições para simular um escoamento anular. Além disso, valores calculados da queda de pressão neste trabalho foram próximos ao valor obtido por simulação. Para estimar a tensão de cisalhamento atuando na parede durante o escoamento CAF, mapeou-se o tubo de vidro para obter a proporção de cada fluido em contato com a parede interna do tubo. Para isto, calculou-se uma razão relacionando a queda de pressão para escoamento de fluidos puros com escoamento multifásico.
In oil fields, exploration and transportation require special skills, the properties of the fluids involved and factors influencing the configuration of flow profiles are crucial. This leads to the development of different transport methods. In the same direction, the factors mostly considered in improving methods are cost and efficiency. Probably, a more efficient means of transport tends to reduce the cost. Thus, this dissertation studied one of the best forms of crude heavy crude transportation; Core annular flow (CAF) in order to find the necessary conditions to establish this kind of flow. These conditions are volumetric fraction (cut) of oil and water at the inlet of the tube, inlet fluids (oil and water) velocities, tube diameter and tube material (glass). When the CAF flow was established, the pressure drop, velocity profile and shear stress were evaluated. The best CAF has conditions where the pressure drop for the whole process is lower. Above all, these studies were done with COMSOL 5.0 software in 3D volumetric profile format using a computational mesh ranging from 80,000 to about 200,000 elements, representing tubes dimensions and properties used in the laboratory and the fluids properties. Subsequently, these conditions were modified and simulated using COMSOL multiphysics 5.0. This software solves a single moment equation shared by the two liquids (oil and water). In addition, the software traces the trajectory of each volumetric fraction of fluids throughout the computational domain producing the flow profile (multiphase). The validation of the software was done reproducing three groups of multiphase flow profiles (oil and water) found in published articles: Duin, Hankes and Ooms (2018), Tripathi et al. (2017) and Rhoheth (2016). After the validation, conditions were established to simulate a core annular flow. Calculated values of the pressure drop in this work were close to the value obtained by simulation. In order to estimate the shear stress acting on the wall during the CAF flow, the glass tube was mapped to obtain the ratio of each fluid in contact with the inner wall of the tube. From this, a ratio was calculated by relating the pressure drop to flow of pure fluids with multiphase flow.
