Duto anular (diâmetro hidráulico de 95 [mm])

O objetivo primordial do presente estudo é avaliar o conceito de diâmetro hidráulico, usualmente aplicado à modelagem de duto de geometria anular. Dada a possibilidade de operar com três fases (água, óleo e gás) no duto anular e tubo de referência, optou-se em realizar experimentos de inversão de fase em ambas as geometrias. Esses experimentos se mostraram muito promissores, pois não foi encontrado na literatura estudo que avaliasse a inversão de fase em escoamento trifásico em duto anular de grande diâmetro e tubo em condições equivalentes. Isso demonstra o ineditismo do presente estudo, principalmente a comparação direta de inversão de fase em escoamento trifásico em duas instalações equivalentes, cujas dimensões são muito próximas da escala real utilizada em poços de produção de petróleo.

Considerando as limitações do aparato experimental, experimentos de escoamento trifásico foram realizados em condições semelhantes no tubo de referência e no duto anular com objetivo de avaliar o efeito da geometria no ponto de inversão de fase e comparar valores de fração volumétrica. A condição mais promissora, considerando ambas as geometrias, foram:

Jl=0,075 [m/s], Jg=0,2 [m/s], μo=80 [mPa.s], Tubo de Referência

Rem =15755, Padrão de escoamento: Pistonado

Jl=0.075 [m/s], Jg=0,2 [m/s], μo=125 [mPa.s], Duto Anular

Rem =14375, Padrão de Escoamento: Bolhas

Devido a condições ambientais, não foi possível impor uma única viscosidade de óleo. Contudo, presume-se que uma comparação direta é possível. Isso é evidente quando se

considera o número de Reynolds de mistura médio em ambas às seções de teste. Diferentes padrões de escoamento foram observados. No duto anular foi observado o padrão bolhas, enquanto que o escoamento pistonado foi observado no tubo de referência.

Um pico no gradiente de pressão total indica a inversão de fase na Figura 4.25. No duto anular ela ocorreu em torno de Cw = 0,3 e no tubo de referência em torno de Cw = 0,4. Tem sido relatado na literatura que quanto maior a viscosidade de óleo, menor a razão de injeção de água em que ocorre a inversão de fase, o que esta de acordo com o observado no presente trabalho.

Um pico mais expressivo no ponto de inversão de fase foi observado no duto anular, o que pode ser explicado, em parte, com base na maior viscosidade do óleo. Esse comportamento é condizente com os resultados de inversão de fase no tubo vertical menor. Nas condições em que o óleo possuía maior viscosidade, maior pico no ponto de inversão de fase foi observado. Além disso, tanto no tubo de referência, quanto duto anular a inversão de fase é acompanhado de uma transição no padrão de escoamento. Na região dominada pela água, o Número de Reynolds é da ordem de 25000, o que caracteriza um escoamento turbulento, enquanto que na região dominada pelo óleo o regime é laminar, com número de Reynolds inferiores a 2000 (Figura 4.26a). Avaliando a Figura 4.26b, nota-se que a viscosidade da mistura também é afetada, com valores próximos a viscosidade da água (1 mPa.s) na região dominada pela água, enquanto que na região dominada pelo óleo nota-se um incremento da ordem de 60 vezes, quando se compara a viscosidade da mistura na região dominada pelo água. Além disso, observa-se claramente que o gradiente de pressão total (Figura 4.25) no duto anular é sempre maior que no tubo de referência, fato que se relaciona com padrão de escoamento. Note que o escoamento é dominado pela gravidade. Como o padrão pistonado foi observado no tubo de referência e, no duto anular, o padrão bolhas, espera-se que a fração de vazio seja maior no tubo de referência. Consequentemente, maiores medições de gradiente de pressão gravitacional são esperadas para o duto anular, o que foi confirmado pelos resultados experimentais.

Após a inversão de fase, na região dominada pelo óleo, observa-se uma queda acentuada e, em seguida, um aumento do gradiente de pressão total no tubo de referência. Por outro lado, no duto anular há uma diminuição sistemática do gradiente de pressão total com a diminuição de Cw, o que demonstra um efeito da geometria nesse fenômeno. Conjectura-se que as diferentes tendências no gradiente de pressão, na região dominada pelo óleo, estejam

relacionadas ao padrão de escoamento observado. Uma explicação é que no padrão pistonado, na região dominada pelo óleo, o aumento do razão de injeção de água pode induzir uma diminuição do holdup, o que provoca uma diminuição do gradiente de pressão gravitacional e, portanto, uma diminuição no gradiente de pressão total, haja vista que o escoamento é dominado pela gravidade. A injeção de um fluido menos viscoso (água) poderia resultar numa velocidade de deslizamento menor entre gás (bolha de Taylor) e líquido, pois haveria maior tendência do líquido ser arrastado pela bolha de Taylor. Consequentemente, haveria aumento da fração de vazio. Mais dados de inversão de fase em escoamento trifásico vertical no padrão pistonado são necessários para uma conclusão definitiva.

Figura 4.25-Gradiente de pressão total em função do razão de injeção de água em escoamento trifásico

ascendente vertical para tubo de referência, no qual foi observado o padrão pistonado para viscosidade de óleo μo

=80 (mPa.s), e duto anular no qual foi observado o padrão bolhas para viscosidade de óleo μo =125 (mPa.s).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 6000 7000 8000 Tubo de Referência, J g=0,2 [m/s], Jl = 0,075 [m/s], Jm = 0,275 [m/s], padrão pistonado

Duto Anular, J_g=0,2 [m/s], J_l = 0,075 [m/s], J_m = 0,275 [m/s], padrão bolhas

G radie n te d e p ressã o t o tal , [Pa/ m]

Razão de injeção de água, C

Figura 4.26-a) Número de Reynolds em função do razão de injeção de água para escoamento em duto anular e

tubo de referência para Jm=0,275 [m/s]; b) viscosidade de mistura em função do razão de injeção de água para

escoamento trifásico para duto anular e tubo de referência para Jm= 0,275 [m/s].

Avaliando a Figura 4.27, percebe-se que a inversão de fase é drasticamente influenciada pela velocidade superficial de ar, velocidades superficiais do óleo e, principalmente, pela viscosidade do óleo. Os experimentos no tubo de referência (Jm=2,2 [m/s], Rem=145249) e aparato experimental ―poço invertido‖ (Jm=4,25 [m/s], Rem=156967) são equivalentes e os dados seguem um comportamento semelhante, com a diferença que a magnitude do pico de inversão de fase no tubo vertical menor é maior que no tubo de referência, o que corrobora a hipótese que quanto maior a razão de injeção de ar (velocidade superficial de ar), maior o pico de inversão. Por outro lado, os dados das experiências no tubo de referência (Jm=0,275 [m/s]) e a duto anular (Jm=0,275 [m/s]), embora semelhantes, apresentada tendências diferentes, o que pode ser explicado pelo efeito da geometria do duto e diferentes padrões de escoamento. E ainda, experimentos indicam que o principal efeito da viscosidade do óleo é influenciar o ponto de inversão de fase e sua magnitude. Os testes realizados no tubo vertical menor (Jm=4,25 [m/s] e Jm=4,5 [m/s]) indicam que quanto maior a viscosidade do óleo, menor o

water cut de inversão e maior o pico.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 10000 20000 30000 Tubo de referência, J_{m = 0,275 [m/s]} Duto Anular, J_{m= 0,275 [m/s]} R ey n o ld s d a m is tu ra , R em

Razão de injeção de água, C_w

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 20 40 60 80 Tubo de referência, J_{m = 0,275 [m/s]} Duto Anular, Jm = 0,275 [m/s] V is co sid ad e d a m is tu ra , m [m P a.s ]

Figura 4.27-Gradiente de pressão total em função do water cut em escoamento trifásico para tubo vertical menor

(d = 0,050 [m]), tubo de referência (d= 0,095 [m]) e duto anular (dh= 0,095 [m]).