Nos sistemas de produção de petróleo, o fluxo do reservatório até a unidade primária de armazenamento e processamento é tão importante que recebe a atenção de uma disciplina conhecida como garantia de fluxo, que busca realizar um estudo holístico desde a concepção do projeto. dos sistemas de produção ao monitoramento da operação (BROWN, 2002). Como exemplo das aplicações das rotinas computacionais desenvolvidas, é apresentado um estudo de caso de um típico sistema offshore de produção de petróleo e a simulação de uma linha de escoamento de gás natural com possível formação de condensado ao longo do escoamento.
Sistemas de produção de petróleo e escoamento multifásico
Na etapa de produção, o sistema já está totalmente conectado aos poços perfurados em reservatórios previamente analisados, e os fluidos se deslocam desde os poços produtores até a unidade de produção. Por fim, o líquido chega ao riser, que será a tubulação que transportará o líquido do fundo do mar até a unidade de produção.
Escoamento multifásico
Padrões de escoamento
Cheng, Ribatski e Thome (2008) realizaram uma revisão da literatura sobre as principais correlações desenvolvidas para prever padrões de fluxo. Bernea (1987) desenvolveu um modelo unificado para prever a transição de padrões de fluxo para diferentes inclinações de tubos de diferentes diâmetros.
Modelagem composicional
O modelo de composição permite o cálculo das propriedades de equilíbrio e termodinâmicas utilizando equações de estado para cada pressão, temperatura e ponto de composição durante a simulação do escoamento. Além disso, em software comercial, o padrão para calcular as propriedades termodinâmicas é pré-calcular essas propriedades e salvar os dados.
Modelos substitutos
Treinamento: Com as amostras coletadas e os resultados de simulação gerados do modelo físico, é possível treinar o modelo substituto de forma controlada. 2020) usaram redes neurais artificiais profundas, que são redes neurais artificiais com múltiplas camadas para estimar a retenção de fluidos e a perda de pressão para diferentes padrões de fluxo usando diferentes dados experimentais para treinar os modelos.
Visão geral da literatura e contribuição do presente trabalho
Mask, Wu e Ling (2019) exploraram uma grande quantidade de dados experimentais sobre fluxo multifásico para criar um modelo substituto capaz de prever perfis de fluxo em sistemas líquidos e de vapor. Neste trabalho, um modelo baseado em dados (modelo substituto) foi utilizado para prever o perfil de pressão e temperatura.
Equações gerais de conservação
Conservação de massa
Conservação de momento
Na expressão acima, os vetores 𝒗 e 𝒈 foram substituídos por escalar e o tensor de cisalhamento foi substituído pela força de cisalhamento Γ.
Conservação da energia
Neste caso, a propriedade conservada é a energia total do sistema, incluindo a energia interna e a energia cinética. 2 = −∇ ∙ 𝒒 + ∇ ∙ (𝕋 ∙ 𝒗) + 𝜌𝒈 ∙ 𝒗 + 𝑞̇ (19) Considerando o fluxo unidimensional onde a coordenada 𝑥 indica a direção do fluxo, assumindo propriedades de seção transversal média:.
Equações de conservação para o modelo de dois fluidos
- Conservação da massa
- Conservação de momento
- Conservação da energia
- Modelo de não escorregamento
A princípio, os modelos desenvolvidos assumem velocidades independentes para cada uma das fases, ou seja, é levado em consideração o escorregamento entre fases. A partir do modelo de fluxo de dois fluidos proposto, é possível fazer uma hipótese simplificadora que não leva em conta qualquer deslizamento entre as fases.
Padrões de escoamento
Horizontal
A transição entre os regimes intermitente e anular é puramente baseada na quantidade de fluido que ocupa o tubo. A transição entre os regimes intermitente e disperso com bolhas é determinada pela força necessária para fazer o gás flutuar abaixo do topo do tubo; se a vazão do líquido for alta o suficiente e o nível se aproximar do topo do tubo, o gás tende a fluir. misture o líquido na forma de bolhas espalhadas.
Vertical
Fluxograma
Equações de fechamento
Mecânica
- Estratificado
- Anular
- Bolhas
- Intermitente
Uma característica importante desses modelos é que eles assumem a conservação do momento equivalente ao mostrado nas equações (27 e (28), levando em consideração suposições apropriadas para cada padrão de fluxo. No padrão de fluxo do tipo bolha é a fase líquida a fase líquida. fase contínua e pequenas bolhas de vapor são dispersas.
Energética
Para que este sistema seja definitivamente definido, ainda é necessário calcular os comprimentos associados a cada região (𝐿 e 𝐿 ) e a retenção 𝐻 de todo o volume de controle. Novamente, a conservação global da massa é considerada para todo o volume de controle da fase líquida, considerando as regiões do filme e do slug, para um comprimento total de 𝐿 = 𝐿 + 𝐿. Esta simplificação constitui uma equação de fechamento energético do sistema, estabelecendo a relação entre o fluido dentro do tubo e seu entorno, ou ambiente externo.
Equação de estado
É interessante notar que as expressões geradas até agora são válidas tanto para um componente puro quanto para uma combinação de componentes. Quando a equação de estado é aplicada a uma mistura, diferentes regras de mistura podem ser utilizadas para os cálculos dos parâmetros 𝑎 e 𝑏. Nas equações acima, 𝑥 é a fração molar de um determinado componente e 𝛿 é um parâmetro de interação binária que pode ser ajustado experimentalmente para uma determinada mistura.
A equação de estado não é usada apenas para calcular o fator de compressibilidade, mas também para calcular propriedades termodinâmicas adicionais, como entalpia residual, massa específica e coeficiente fugitivo, cujos cálculos são apresentados nas seções a seguir.
Flash termodinâmico
A equação (119) pode ser descrita por 𝐾 para aplicação direta à equação de Rachford-Rice. Existem diversas formulações para resolver o equilíbrio numericamente, sendo as principais a utilização de substituições sucessivas ou o método de Newton-Raphson para convergência. Nesta dissertação, decidimos utilizar o método flash convencional resolvendo a equação de Rechford-Rice utilizando o método de substituição sucessiva.
Para inicializar o algoritmo flash, é necessária uma estimativa inicial para a distribuição de fases, feita a partir de uma estimativa inicial para o parâmetro 𝐾.
Propriedades físicas
- Massa específica
- Viscosidade
- Tensão superficial
- Entalpia
ZURRO; CLARK, 1964), mas como a correlação utiliza metano como fluido de referência para cálculo de viscosidade, fluidos com componentes mais pesados tendem a apresentar desvios maiores. Para calcular a massa específica do metano, foi utilizada a equação de estado de Peng-Robinson. A correlação para calcular a viscosidade do líquido leva em consideração o número de carbonos efetivos na mistura para contabilizar a viscosidade.
A entalpia é calculada usando a equação de estado de Peng-Robinson para calcular a entalpia residual juntamente com correlações para calcular a entalpia do gás ideal.
Método integrador
- Conservação da massa
- Conservação de momento
- Conservação de energia
- Sistema final
- Análise de graus de liberdade
- Resolução
Para resolver o sistema acima pode-se reorganizar os termos para isolar as derivadas ou resolver um sistema linear diretamente para encontrar as derivadas. Esta abordagem é um problema de valor inicial cujas únicas variáveis são pressão e temperatura. A vazão global do sistema é constante e as frações volumétricas das fases são obtidas por flash termodinâmico.
Este método é semelhante aos métodos Adam/BDF e pode ser usado para resolver problemas de valor inicial, utilizando detecção automática de rigidez e controle de pitch.
Diferenças finitas
- Conservação de massa
- Conservação de momento
- Conservação de energia
- Sistema final
- Análise de graus de liberdade
- Resolução
Neste método de solução, a matriz de coeficientes pode ser alterada para levar em conta as condições de contorno na entrada ou saída do sistema. Ao resolver as equações de diferenças finitas, o sistema pode ser especificado, por exemplo, através da pressão de saída do sistema. As pressões podem ser descritas na entrada ou na saída do sistema, desta forma as variáveis de pressão 𝑃 terão a magnitude do número de pontos do sistema menos 1.
Resolver o sistema por diferenças finitas proporciona maior flexibilidade, pois podem ser utilizadas diferentes abordagens para especificar condições de contorno.
Espaço de projeto
Amostragem
Treinamento
Teste
Arquitetura
Validação do modelo termodinâmico
As propriedades foram calculadas para um conjunto de 159 pares de pressão e temperatura dentro do envelope de fases da mistura, pois desta forma também poderia ser avaliada a fração vaporizada. A Figura 13 mostra o diagrama de fases da mistura gerada pelo HYSYS e os pontos de pressão e temperatura utilizados. A implementação da equação de estado mostra-se bem sucedida através dos gráficos de massa específica, entalpia e fração vaporizada, uma vez que as três propriedades dependem de cálculos envolvendo a equação de estado cúbica.
Além disso, o algoritmo de flash aplicado também pôde ser confirmado por uma boa correlação entre os dados da fração vaporizada conforme mostrado na Figura 18 e o coeficiente de correção apresentado na Tabela 11.
Comparação da viscosidade e da tensão superficial com
A aplicação da tensão superficial também se mostrou razoável, mesmo assumindo uma simples regra de mistura para cálculo da propriedade.
Validação da detecção de padrões de escoamento
Comparação do modelo fluidodinâmico
As Figuras 24 e 25 apresentam os valores de queda de pressão para cada um dos modelos da literatura no conjunto de problemas simulados. A avaliação destes números mostra uma dispersão considerável entre as previsões dos diferentes modelos da literatura. As simulações do modelo proposto, cujos resultados ficaram fora da faixa prevista pelos modelos da literatura, envolveram valores de queda de pressão inferiores aos calculados na literatura.
No caso do escoamento vertical, apenas 4% dos exemplos resultaram em valores de queda de pressão simulados com o modelo proposto inferiores à faixa baseada em modelos da literatura.
Simulação de um sistema de produção offshore
Os perfis de retenção apresentam maior variação entre os modelos porque dependem fortemente da previsão do modelo de fluxo. Na Figura 37 é possível visualizar os resultados dos padrões de fluxo para cada modelo utilizado nas simulações. Os modelos não escorregadio e Beggs e Brill permanecem inalterados no padrão de escoamento: o modelo não escorregadio permanece sempre no modelo anular e o modelo Beggs e Brill no modelo descontínuo.
Diferentes padrões de fluxo são observados porque cada modelo usa um mapa de padrão de fluxo diferente.
Simulação do escoamento – Formação de condensado
Ao avaliar os perfis de temperatura da Figura 39, é possível compreender a relação entre a temperatura da mistura e o coeficiente de transferência global. Valores mais elevados para o coeficiente de transferência de calor implicam uma maior redução de temperatura. No caso 1, o baixo coeficiente de transferência de calor, mesmo com temperatura de entrada de 60 °C, impediu que a temperatura da mistura atingisse o ponto de orvalho.
Para o Caso 6, mesmo considerando uma temperatura de entrada mais elevada, a falta de isolamento, representada pelo elevado coeficiente global de transferência de calor, levou a uma maior perda de calor para o ambiente, fazendo com que a temperatura atingisse o ponto de orvalho do ambiente.
Implementação do modelo substituto
Nesta etapa de teste foi calculado o coeficiente de correlação R² para as variáveis de saída, que são pressão e temperatura. As tabelas mostram as redes neurais cujos coeficientes de correlação foram superiores a 0,9 para ambas as variáveis de saída, pressão e temperatura. As redes neurais que obtiveram coeficiente de correlação R2 superior a 0,9 para todos os casos (poço, linha de fluxo e riser) são apresentadas na Tabela 30.
As redes neurais criadas e treinadas apresentaram coeficientes de correlação satisfatórios na comparação entre o valor calculado e o valor esperado das variáveis de saída.
Desempenho Computacional
Experimental study and development of a mechanistic model for two-phase flow through vertical pipes. Numerical study on constitutive modeling of two-phase fluid flow and heat transfer in vertical wells. A critical evaluation of frictional pressure drop prediction methods for gas and liquid flow in horizontal pipes.
Comparison of well-placed criteria of two-fluid models for numerical simulation of gas-liquid two-phase flows in vertical pipes. Flow pattern observations and flow pattern map for adiabatic two-phase flow of carbon dioxide in vertical upward and downward directions. Differential-algebraic numerical approach to the one-dimensional power-flux model applied to a multicomponent hydrocarbon two-phase flow.
