Medidores de vazão de ar (baixíssima, baixa, média e alta vazão)

13 Linha de testes

14 Separador líquido-gás

15 Bocais injetores

Os principais itens do aparato experimental serão detalhados nas seções subsequentes, tais como o desenvolvimento dos bocais injetores, a seção de testes, o sistema de aquisição de dados e a metodologia experimental aplicada. Maiores detalhes como potência, faixa de operação, marcas, modelos e capacidades específicas de cada equipamento estão detalhadas no Apêndice A.

3.1.1 Bocais injetores

Para uma completa caracterização do escoamento trifásico e bifásico, torna-se necessária a realização de experimentos em várias condições que simulem a maior quantidade de situações possíveis em escoamentos multifásicos. Considerando uma tubulação com fluidos com propriedades constantes, além da alteração das vazões de cada fase que altera de forma significativa as frações volumétricas e a queda pressão, outro fator que promove grades alterações em tais grandezas é a forma em que cada fase se distribui e flui no interior da tubulação. Ou seja, o padrão de escoamento e sua ampla variação também podem ser

considerados de grande importância para dados experimentais coletados em escoamentos multifásicos e para análises da fenomenologia do escoamento.

No entanto, apesar de os padrões de escoamentos em geral serem dependentes apenas das velocidades superficiais de cada fase em um sistema com propriedades constantes, em uma campanha experimental é necessário induzir o padrão de escoamento para a sua obtenção em regime permanente em um curto trecho de tubulação. Caso contrário, seria necessário um longo trecho de tubulação para a obtenção de determinados padrões de escoamentos. Pensando nisso, foram desenvolvidos diferentes bocais injetores da fase gasosa e das fases líquidas para a obtenção dos padrões bolhas, pistonado, agitante e anular.

O bocal injetor de óleo utilizado possuía diâmetro levemente menor que o diâmetro interno da tubulação, para que as fases óleo, ar ou ambas, fossem injetadas no centro do escoamento de água (Figura 3.2). Dessa forma, em escoamentos com velocidades superficiais de ar elevadas, foi possível induzir o padrão anular gás-líquido.

Figura 3.2 - Bocal injetor de óleo internamente ao escoamento de água.

Considerando que em produção de petróleo a fase gasosa pode surgir da descompressão de gases dissolvidos no petróleo, os bocais injetores de ar foram inseridos na linha de óleo, antes do bocal de injeção de óleo (Figura 3.2). Além disso, sabendo-se que os padrões bolhas, pistonado, agitante e anular ocorrem em vazões crescentes de ar, cada bocal foi elaborado focando a indução do padrão de escoamento e o aumento ou decréscimo da restrição ao fluxo de ar.

Bocal injetor de óleo

Sendo assim, para o padrão anular optou-se pela utilização de um bocal injetor com mínima perda de carga, conectando-se uma mangueira de diâmetro igual à da linha de ar (sem diminuições do diâmetro) diretamente na tubulação de óleo. Dessa forma, ao injetar ar em plena carga na tubulação, foi possível obter máximas vazões de ar.

Para o padrão pistonado e agitante foi utilizado um bocal do tipo orifício, no qual um orifício de aproximadamente 2 mm foi inserido na tubulação, no sentido do escoamento de óleo, através de um pequeno tubo. Com isso, com a restrição do orifício e o seu posicionamento, facilitou-se a formação de bolhas alongadas e o controle da vazão de ar.

Já para o padrão bolhas foi necessário o desenvolvimento de um elemento novo para causar grande restrição ao escoamento e promover a dispersão do ar na fase líquida. Para tanto, uma bancada temporária foi desenvolvida para testar diferentes bocais injetores (Figura 3.3).

Figura 3.3 - Bancada desenvolvida para desenvolvimento do bocal injetor do tipo bolhas.

A bancada ilustrada na Figura 3.3 continha um vidro de borossilicaro preenchido com água e um bocal injetor de ar intercambiável, permitindo o teste de vários tipos de bocais. Os bocais escolhidos para testes foram aqueles que mesclavam uma satisfatória geração de bolhas (bolhas pequenas e bem distribuídas) com reduzida ocupação de espaço físico e custo mínimo. Foram testados dois tipos principais de bocais, já utilizados no laboratório: pedras

porosas (dois elementos à direita na Figura 3.4) e filtros porosos de latão (os quatro elementos à esquerda na Figura 3.4).

Figura 3.4 - Bocais usualmente utilizados para o padrão bolhas.

Como resultado, as pedras porosas apresentaram maior capacidade de formação de bolhas sem coalescência, esféricas e menores, comparadas às bolhas obtidas pelos filtros de latão. Dos filtros de latão apresentados na Figura 3.4, os do tipo cônico apresentaram melhor desempenho.

No entanto, devido à fragilidade da pedra porosa, sua utilização torna-se inviável devido às elevadas diferenças de pressão que se obtém nos bocais injetores. Os filtros de latão possuem elevada resistência mecânica, tornando-se ideais para as aplicações do laboratório. Dessa forma, com o intuito de unir a boa capacidade de formação de bolhas das pedras porosas e a alta resistência mecânica dos filtros de latão, foi desenvolvido um bocal de latão preenchido por uma pedra porosa (Figura 3.5). Tal pedra porosa foi desenvolvida com areia peneirada em diversas peneiras (até a peneira nº 50), para a obtenção de grãos pequenos e de tamanhos uniformes, e uma pequena porção de cola (4% em massa da mistura), para fixação de forma da pedra.

Por fim os bocais injetores de ar foram instalados na linha de óleo conforme ilustrado pela Figura 3.6.

Figura 3.6 - Configuração dos bocais injetores de ar na linha de óleo.

Com esta configuração de bocais, ao realizar testes com água e ar, foram obtidos ótimos resultados, sendo possível observar todos os quatro principais padrões observados no trabalho de Taitel, Barnea e Dukler (1980). Os resultados experimentais estão expostos na seção de validação do aparato experimental do capítulo de resultados experimentais (Capítulo 4).

3.1.2 Seção de testes

A seção de testes onde foram realizadas as principais coletas de dados era composta por uma tubulação de borossilicato vertical com 3,6 metros de comprimento e 5 cm de diâmetro interno. A Figura 3.7 exemplifica a seção de teste com seus principais elementos.

Bolhas