GUILHERME DA CUNHA PONTES
ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO
DE BOMBA CENTRÍFUGA SUBMERSA NO
SISTEMA ENCAPSULADO E NO SISTEMA
FLANGE/FLANGE
CAMPINAS
2019
GUILHERME DA CUNHA PONTES
ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO
DE BOMBA CENTRÍFUGA SUBMERSA NO
SISTEMA ENCAPSULADO E NO SISTEMA
FLANGE/FLANGE
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Térmica e Fluidos.
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro
Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno Guilherme da Cunha Pontes e orientada pelo Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro
Assinatura do Orientador
CAMPINAS
2019
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo (s): FUNCAMP - 2014/00352-7
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE ENERGIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO
DE BOMBA CENTRÍFUGA SUBMERSA NO
SISTEMA ENCAPSULADO E NO SISTEMA
FLANGE/FLANGE
Autor: Guilherme da Cunha Pontes
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro, Presidente DE/FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Valdir Estevam DE/FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Rigoberto Eleazar Melgarejo Morales DAMEC/CT/UTFPR
A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
DEDICATÓRIA
À Deus, à minha amada Família, em especial ao meus pais, meu exemplo de amor incondicional, garra e determinação.
AGRADECIMENTOS
O caminho até́ aqui foi longo e cansativo. Muitas foram as oportunidades, os ensinamentos e o aprendizado. Enfim, deu certo e chegou o momento de agradecer aos que contribuíram para a realização dessa conquista.
Em primeiro lugar, à Deus, pelas bênçãos e por ter permitido que com determinação, eu lutasse pelos meus sonhos e conseguisse superar os momentos difíceis, as decepções, o medo e a fadiga;
Aos meus pais por todos os sacrifícios e esforços, pelos cuidados, apoio, conforto e amorosidade sem igual.
Ao prof. Dr. Marcelo de Souza Castro por ser meu orientador e pela oportunidade fornecida, além das inúmeras ajudas e conselhos.
Gostaria de agradecer, em especial, ao Dr. William Monte Verde, pela sua enorme paciência, seus conselhos e ajudas para este mestrado.
À minha namorada Ingrid Yone, pelo suporte, pela paciência, pela força e principalmente pelo carinho.
Meus agradecimentos aos meus amigos, Diogo, Natan, João, Henrique e Rodrigo, irmãos na amizade que fizeram parte da minha caminhada e que vão continuar presentes em toda minha vida.
Ao pessoal do LABPETRO, em especial ao Luisão e ao Claudio, pelo suporte enorme em todos os momentos do trabalho, sem eles eu não seria capaz, e pela amizade.
Aos pesquisadores Dr. Jorge Luiz Biazussi e ao Dr. Charlie Van Der Geest, por discussões e ajudas na elaboração e compreensão do estudo.
À Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e ao Centro de Estudos de Petróleo (CEPETRO) e, por fim, à UNICAMP pelo suporte oferecido.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001
RESUMO
As bombas centrifugas submersas (BCS) são equipamentos instalados em poços de petróleo visando o aumento da produção. Nas instalações em sistema encapsulado é formado um anular através do qual o escoamento multifásico atinge a entrada (intake) da bomba, a mesma geometria observada nas BCSs instaladas no sistema S-BCSS. No entanto, a grande maioria dos estudos ligados às BCSs foram feitos conectando um tubo diretamente à bomba (sistema flange/flange) sem considerar o escoamento no duto anular e a segregação gás-líquido que pode ocorrer após o intake. Para este estudo, buscou-se uma comparação entre os dois sistemas, o sistema BCS Encapsulado que retrata com similaridade os poços reais de petróleo, e o sistema BCS Flange/Flange que é elaborado na maioria de estudos encontrados na literatura. Desta forma, no Laboratório Experimental de Petróleo - LabPetro, no CEPETRO-UNICAMP (Brasil), foram construídos dois aparatos experimentais visando esta análise comparativa dos sistemas. Neste estudo, foram adquiridos dados sobre os padrões de escoamento na entrada, ganho de pressão e desempenho de BCS usando ar e água como fluidos de trabalho para várias inclinações de tubulação, rotações e vazões. Filmagens com câmera de alta velocidade foram utilizadas para análise dos escoamentos em ambos os sistemas. As análises realizadas variando as inclinações, rotação da bomba, vazão de líquido e diferentes padrões de escoamentos de entrada, apresentaram influência no desempenho da BCS para os dois sistemas, sob várias condições. Para uma discussão completa sobre os resultados, se fez necessárias uma series de análises sobre os dados médios gerados, sendo realizada uma junção de curvas médias de desempenho com as imagens do escoamento e análises de cada estágio da BCS, mostrando assim uma grande influência das altas frações de gás nas altas rotações da BCS. Em algumas condições de quedas no desempenho da bomba foram constatados os fenômenos de surging e
gas locking nos sistemas. Além de que sequências de bolhas alongadas e pistões de líquido
favorecem o desempenho, fator este devido a fase líquida de slug conseguir carregar todo o gás para fora da BCS. E a análise comparativa dos sistemas flange/flange e do sistema encapsulado mostrou que não se tem grande influência no desempenho da BCS quanto à geometria de entrada na sucção da bomba, fator este de grande relevância.
Palavras-chave: Bomba Centrífuga Submersa, Visualização de Escoamento, Geometria de Sucção, Intake, Escoamento Bifásico Gás-Líquido, Curva de Desempenho.
ABSTRACT
Electrical Submersible pumps (ESP) are equipment installed in oil wells aimed at increasing production. In its installation an annulus is formed through which the multiphase flow reaches the intake of the pump, the same geometry observed in the ESPs installed inside the ESP SKID system. However, the vast majority of ESP studies were done by connecting a pipe directly to the pump (flange/flange system) without considering the flow in the annular duct and gas-liquid segregation that may occur after intake. For this study, a comparison was made between the two systems, the Encapsulated ESP system that similarly depicts the actual oil wells, and the ESP Flange/Flange system that is elaborated in most studies found in the literature. In this way, two experimental apparatuses were built in the Experimental Petroleum Laboratory - LabPetro, CEPETRO-UNICAMP (Brazil), aiming at this comparative analysis of the systems. In this study, data on the flow, head and ESP performance were acquired using air and water as working fluids for various pipeline slopes. High speed camera footage was used to analyze the flows in both systems. The analyzes performed varying the slopes, pump rotation and liquid flow showed an influence on the performance of the ESP for the two systems, presenting different flow patterns under various conditions. For a complete discussion about the results, a series of analyzes on the average data generated was necessary, with a combination of average performance curves with the flow images and analyzes of each stage of the ESP, thus showing a great influence of the high gas fractions at high speeds of the ESP. In some conditions where the performance of the systems fall it was observed the phenomena of surging and gas locking. In addition, it was observed that sequences of elongated bubbles and liquid slugs favors performance, this factor due to the slug liquid phase can carry all gas out of the BCS. And the comparative analysis of the flange/flange and encapsulated systems showed that there is no great influence on BCS performance due to the suction inlet geometry, which is a very important factor.
Key-words: Electrical Submersible pumps, Flow Visualization, Suction Geometry, Intake, Two-Phase Flow Gas-Liquid, Performance Curve.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 – Bomba centrífuga (BCS) de múltiplos estágios (Adaptado GE Oil & Gas ESP
Catálogo, 2016). ... 19
Figura 1.2 – Sistema de boosting S-BCSS(Tarcha et al., 2016)... 21
Figura 2.1 – Padrões de escoamento em tubulações horizontais (Adaptado de Falvey,1980). 26 Figura 2.2 – Padrões de escoamento em tubulações verticais (Adaptado de Falvey, 1980). ... 27
Figura 2.3 – Rotores e difusores de uma bomba centrífuga submersa (Biazussi, 2014). ... 30
Figura 2.4 – Mapa de Padrões de Escoamento observado por Kelessidis e Dukler (1989) em geometria anular concêntrica. ... 33
Figura 2.5 – Padrões de Escoamento observado por Caetano (1992) em geometria anular concêntrica. ... 35
Figura 2.6 – Efeito da inclinação no mapa do padrão de fluxo ar-água para o anular com (𝐷𝑒) = 12,5 mm e (𝐷𝑖) = 8 mm – Wongwises e Pipathattakul (2006). ... 36
Figura 2.7 – Aparato experimental do trabalho de Lea e Bearden (1982). ... 42
Figura 2.8 – Aparato experimental (Viloria, 1999). ... 43
Figura 2.9 – Padrão de escoamento Gas Pocket Flow – Surging (Monte Verde, 2016) ... 46
Figura 2.10 – Padrão de escoamento Segregated Flow. - Gas Locking (Monte Verde, 2016) 46 Figura 2.11 – Detalhes geométricos dos rotores (Mansour, 2018) ... 48
Figura 2.12 – Sistema S-BCSS (Costa et al., 2013). ... 53
Figura 2.13 – Instalação do S-BCSS (Tarcha et al., 2015). ... 54
Figura 2.14 – Aparato experimental S-BCSS(Vieira, 2018). ... 55
Figura 3.1 – Bancada basculante – LabPetro – Unicamp. ... 56
Figura 3.2 – Layout da Bancada Experimental... 57
Figura 3.3 – Layout da seção de teste – sistema BCS encapsulado. ... 59
Figura 3.4 – Projeto sistema BCS encapsulado. ... 60
Figura 3.5 – Flanges especiais projetadas (a) entrada e (b) saída... 61
Figura 3.6 – Layout da seção de teste – sistema BCS flange/flange ... 62
Figura 3.7 – Projeto do sistema BCS Flange/Flange ... 63
Figura 3.8 – Desempenho da BCS GN5200 operando a 3500 rpm conforme catálogo do fabricante (Monte Verde 2016). ... 64
Figura 3.9 – Instrumentação da BCS GN5200, alterado de (Monte Verde, 2016) ... 67
Figura 4.1 – Comparação entre o desempenho experimental e o previsto pelo fabricante para a BCS GN5200 operando com água na rotação de 3500 rpm. ... 74 Figura 4.2 – Elevação adimensional da BCS GN5200 Encapsulado operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 76 Figura 4.3 – Elevação adimensional da BCS GN5200 Flange operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 76 Figura 4.4 – Potência adimensional da BCS GN5200 Encapsulado operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 77 Figura 4.5 – Potência adimensional da BCS GN5200 Flange operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 77 Figura 4.6 – Eficiência adimensional da BCS GN5200 Encapsulado operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 78 Figura 4.7 – Eficiência adimensional da BCS GN5200 Flange operando com água, nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm em diferentes inclinações (0, 60° e 90°). ... 78 Figura 4.8 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, na Inclinação de 5°, vazão de líquido de BEP. ... 80 Figura 4.9 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 3,5%, na inclinação 5°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm. ... 82 Figura 4.10 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 7%, na inclinação 5°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm. ... 83 Figura 4.11 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°. 84 Figura 4.12 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°, 84 Figura 4.13 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°, 85 Figura 4.14 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, na Inclinação de 90° vazão de líquido de BEP ... 86 Figura 4.15 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 3,5%, na inclinação 90°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm. ... 87 Figura 4.16 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 7%, na inclinação 90°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm. ... 88 Figura 4.17 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações. ... 89 Figura 4.18 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações. ... 90
Figura 4.19 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações. ... 90 Figura 4.20 – Influência da inclinação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, na rotação 3500rpm e no BEP. ... 92 Figura 4.21 – Imagens da BCS encapsulado e com fração de gás de 3,5%, na rotação 3500rpm: (a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°. ... 93 Figura 4.22 – Imagens da BCS encapsulado e com fração de gás de 7%, na rotação 3500rpm: (a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°. ... 95 Figura 4.23 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na Inclinação de 5°, vazão de líquido do BEP. ... 96 Figura 4.24 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na inclinação 5°, (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm. ... 97 Figura 4.25 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 7%, na inclinação 5°, (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm. ... 98 Figura 4.26 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações. ... 99 Figura 4.27 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações. ... 100 Figura 4.28 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações. ... 100 Figura 4.29 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na Inclinação de 90°, vazão de líquido do BEP. ... 101 Figura 4.30 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na inclinação 90°, (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm. ... 102 Figura 4.31 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 6,5%, na inclinação 90°, (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm. ... 103 Figura 4.32 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações. ... 104 Figura 4.33 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações. ... 104
Figura 4.34 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações. ... 105 Figura 4.35 – Influência da inclinação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na rotação 3500rpm e no BEP ... 106 Figura 4.36 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na rotação 3500rpm (a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°. ... 107 Figura 4.37 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 6,5%, na rotação 3500rpm (a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°. ... 108 Figura 4.38 – Comparação de desempenho sistemas Encapsulado x Flange/Flange – 5° - 3500rpm – BEP. ... 109 Figura 4.39 – Comparação de desempenho sistemas Encapsulado x Flange/Flange – 60° - 3500rpm – BEP. ... 110 Figura 4.40 – Comparação de desempenho sistemas Encapsulado x Flange/Flange – 5° - 2400rpm – BEP. ... 111 Figura 4.41 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange com fração de gás 7%, na rotação 2400rpm, inclinação de 5° e BEP. ... 111 Figura 4.42 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema encapsulado com fração de gás 7%, na rotação 2400rpm, inclinação de 5° e BEP. ... 112 Figura 4.43 – Comparação de desempenho sistemas Encapsulado x Flange/Flange – 90° - 3500rpm – BEP. ... 113 Figura 4.44 – Imagem do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema flange/flange com fração de gás 6,5%, na rotação 3500rpm, inclinação de 90° e BEP. ... 113 Figura 4.45 – Imagem do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema encapsulado com fração de gás 6,5%, na rotação 3500rpm, inclinação de 90° e BEP. ... 114 Figura 4.46 - PDF dos sinais de Pressão – Inclinação 5° - fração de gás 3% - Sistema Encapsulado. ... 115 Figura 4.47 - PDF dos sinais de Pressão – Inclinação 5° - fração de gás 7% - Sistema Encapsulado. ... 116 Figura 4.48 - PDF dos sinais de Pressão – Inclinação 5° - fração de gás 3% - Sistema Flange/Flange. ... 117 Figura 4.49 - PDF dos sinais de Pressão – Inclinação 5° - fração de gás 7% - Sistema Flange/Flange. ... 118
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Resumo estudos ligados ao escoamento bifásico em dutos anulares ... 39
Tabela 2.2 – Resumo estudos ligados a BCSs Operando com Escoamento Bifásico ... 50
Tabela 3.1 – Equipamentos utilizados na Montagem Experimental. ... 58
Tabela 3.2 – Dimensões tubo de acrílico – Sistema Encapsulado... 61
Tabela 3.3 – Dimensões tubo de acrílico Flange/Flange ... 63
Tabela 3.4 – Variáveis medidas no sistema de aquisição de dados. ... 65
Tabela 3.5 – Instrumentos utilizados e suas características... 65
Tabela 3.6 – Pontos de melhor eficiência e limites operacionais com água - BCS GN5200. .. 72
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Abreviações
BCS Bombeio Centrífugo Submerso ou Bomba Centrífuga Submersa BCSS BCS com Árvore de Natal Molhada - ANM
S-BCSS S-BCSS
BEP Best Efficiency Point
BHP Brake Horsepower
LISTA DE SÍMBOLOS
Letras Romanas
𝐴𝐺 Área transversal ao escoamento ocupada pelo gás m2 𝐴𝐿 Área transversal ao escoamento ocupada pelo líquido m2 𝐴𝑡 Área da seção transversal ao escoamento m2
𝐶𝐷 Coeficiente de Arrasto -
𝐷 Diâmetro característico do difusor m
𝐷𝑇 Diâmetro do duto m
𝐷𝑒 Diâmetro do tubo externo mm
𝑑𝑏 Diâmetro de bolhas mm
𝐷𝑖 Diâmetro do tubo interno mm
𝐹𝑟𝜔 Número de Froude centrífugo -
𝑔 Aceleração da gravidade m/s2
h Holdup -
ℎ𝑒 Entalpia específica na entrada da bomba J/kg ℎ𝑠 Entalpia específica na saída da bomba J/kg
𝐻 Altura de elevação m
𝐼𝑠 Indicador de Surging -
𝐿𝑇 Comprimento do Tubo m
𝑚̇ Vazão mássica kg/s
𝑚̇𝐺 Vazão mássica de gás kg/s
𝑚̇𝐿 Vazão mássica de líquido kg/s
𝑚̇𝑀 Vazão mássica de mistura gás-líquido kg/s
𝑃 Pressão Pa
𝑃ℎ Potência hidráulica Watt
𝑞 Vazão volumétrica m3/s
𝑞𝐺 Vazão volumétrica de gás m3/s
𝑞𝐿 Vazão volumétrica de líquido m3/s
𝑞𝑀 Vazão volumétrica de mistura gás-líquido m3/s
𝑇 Temperatura K
𝑉̅𝑒 Velocidade média na entrada da bomba m/s 𝑉̅𝑠 Velocidade média na saída da bomba m/s
𝑉𝐺 Velocidade média do gás m/s
𝑉𝐿 Velocidade média do líquido m/s
𝑉𝑀 Velocidade da mistura gás-líquido m/s
𝑉𝑆𝐺 Velocidade superficial do gás m/s
𝑉𝑆𝐿 Velocidade superficial do líquido m/s
𝑉𝑆𝐿𝐼𝑃 Velocidade de escorregamento m/s
𝑧𝑒 Cota da entrada da bomba m
𝑧𝑠 Cota da saída da bomba m
Letras Gregas
𝛼 Fração de vazio -
𝛼𝐺 Fração de vazio da fase gás -
𝛼𝐿 Fração de vazio da fase líquido -
𝜂 Eficiência -
𝛱 Coeficiente de potência -
𝜌 Massa específica kg/m3
𝜌𝐿 Massa específica do líquido kg/m3
𝜌𝐺 Massa específica do gás kg/m3
𝛷 Coeficiente de vazão -
𝜙 Parâmetro de desempenho de Turpin -
𝛹 Coeficiente de elevação -
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 19 1.1 Motivação ... 21 1.2 Objetivos ... 22 1.3 Organização da dissertação ... 23 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24 2.1 Conceitos Básicos ... 24 2.1.1 Escoamento Bifásico ... 242.1.1.1 Padrões de Escoamento em Tubos ... 25
2.1.1.2 Parâmetros Dimensionais e Adimensionais para Escoamento Bifásico ... 27
2.1.2 Bombas Centrífugas ... 29
2.1.3 Bombas Centrífugas Submersas ... 30
2.1.4 Parâmetros de Desempenho de Bombas Centrifugas ... 31
2.2 Escoamento Bifásico em dutos anulares ... 33
2.3 BCSs Operando com Escoamento Bifásico Gás-Líquido ... 41
2.4 S-BCSS ... 52
DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ... 56
3.1 Instalações Experimentais ... 56
3.2 Seção de teste - Sistema BCS Encapsulado ... 59
3.2.1 Tubo de acrílico - Encapsulado ... 61
3.3 Seção de teste - Sistema BCS Flange/Flange ... 62
3.3.1 Tubo de acrílico – Flange/Flange ... 63
3.4 BCS GN5200 ... 64
3.5 Instrumentação e Sistema de Aquisição de Dados ... 64
3.7 Procedimentos Experimentais ... 69
3.7.1 Experimentos de Desempenho com Escoamento Monofásico. ... 69
3.7.2 Experimentos de Desempenho com Escoamento Bifásico... 70
3.8 Matriz de Testes ... 72
3.8.1 Experimentos Monofásicos ... 72
3.8.2 Experimentos Bifásicos ... 72
RESULTADOS ... 74
4.1 Testes Monofásicos ... 74
4.2 Experimentos Bifásicos Água-Ar ... 79
4.2.1 Sistema BCS Encapsulado ... 79
4.2.1.1 Efeito da Rotação da Bomba ... 80
4.2.1.2 Influência da Inclinação ... 91
4.2.2 Sistema BCS Flange/Flange ... 96
4.2.2.1 Efeito da Rotação da Bomba ... 96
4.2.2.2 Influência da Inclinação ... 106
4.3 Comparação Experimentos Bifásicos – Sistemas Encapsulado x Flange/Flange .... 109
4.4 Análise de Sinais – Escoamento Bifásico ... 114
CONCLUSÕES ... 119
REFERÊNCIAS ... 121
- CALIBRAÇÃO DOS INSTRUMENTOS...127
- RESULTADOS SISTEMA ENCAPSULADO...132
- RESULTADOS SISTEMA FLANGE/FLANGE ... 142
INTRODUÇÃO
O aumento no fator de recuperação em um reservatório de petróleo é uma meta imprescindível na indústria petrolífera, visto que, ao se utilizar somente a energia natural do reservatório tem-se como resultado um volume produzido relativamente baixo em comparação com o volume original armazenado. Em função desse baixo fator de recuperação alguns métodos alternativos foram desenvolvidos e ainda são objetos de aperfeiçoamento, com o objetivo de obter uma maior produção dos reservatórios. Essas técnicas são conhecidas como métodos de elevação artificial. Atualmente, os métodos de elevação artificial mais utilizados são: Bombeio Mecânico (BM), Gas-Lift, Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP), Bombeio Hidráulico (BH) e Bombeio Centrífugo Submerso (BCS).
Dentre esses métodos, o Bombeio Centrífugo Submerso (BCS) é um dos métodos de elevação artificial mais utilizados na indústria de petróleo. Este método tem como principais características as elevadas vazões de produção, capacidade de elevação em grandes profundidades, operação sob diferentes condições dinâmicas, boa eficiência e versatilidade. Tal método consiste na utilização de uma bomba centrífuga de múltiplos estágios, conhecida como Bomba Centrífuga Submersa (BCS) apresentada na Figura 1.1, geralmente instalada na extremidade da coluna de produção, dentro do poço de petróleo.
Figura 1.1 – Bomba centrífuga (BCS) de múltiplos estágios (Adaptado GE Oil & Gas ESP Catálogo, 2016).
Em muitas aplicações de campo, o sistema BCS oferece várias vantagens operacionais quando comparado com outros métodos de elevação, como por exemplo, é apropriado para poços de alta produção, além de sua ampla faixa de aplicação para os tipos de poços: levemente desviados, poços verticais e poços horizontais desde que respeitem a taxa de inclinação máxima para que possa ser instalado o conjunto motor, selo e bomba.
No entanto, vários desafios operacionais devem ser considerados durante a execução do bombeamento, como no caso da vida útil das bombas centrifugas que podem ser seriamente comprometidas em ambientes com alta quantidade de areia e conteúdo de sólidos. Além disso, é comum o fluido produzido no poço ser uma mistura bifásica líquido-gás, esta presença de gás causa mudanças nas propriedades do fluido, tais como variação de massa específica e viscosidade, o que pode causar severos impactos no desempenho das BCSs.
Desse modo, o estudo do comportamento do escoamento bifásico em bombas centrífugas passou a ter uma grande importância, o qual é realizado com o objetivo de buscar conhecer e controlar as condições de operações da bomba para uma maior eficiência e/ou vida útil tendo como base algumas propriedades como: vazão, temperatura, pressões e a fração de gás.
Nos casos de instalações convencionais, as BCSs são alojadas no interior dos poços produtores possibilitando, dessa maneira, a operação em maiores pressões, com menos gás livre e, assim, com maiores eficiências de bombeio. Tal fato proporciona maiores vazões, fatores de recuperação e tempos médios entre falhas. Entretanto, em um contexto offshore, as falhas das BCSs geram grandes custos financeiros devido ao lucro cessante e ao elevado custo das operações de intervenção nos poços. Sendo assim, a Petrobras desenvolveu algumas alternativas para instalar a BCS fora do poço produtor, tendo como propósito a redução dos custos de instalação e manutenção.
Dentre tais alternativas, tem-se o sistema de boosting S-BCSS (Bombeio Centrífugo Submerso Submarino), apresentado na Figura 1.2, o qual tem como objetivo criar um sistema de bombeio por BCS instalado fora do poço, no leito marinho. Esse sistema é projetado em dois módulos: o módulo da bomba e a base de fluxo. O módulo da bomba compreende duas BCSs em série com uma inclinação de cinco graus a partir da horizontal. Já a base de fluxo é acoplada em uma unidade separada localizada abaixo do módulo da bomba servindo para recepção e direcionamento dos fluidos.
Figura 1.2 – Sistema de boosting S-BCSS (Tarcha et al., 2016).
1.1 Motivação
Segundo Flatern (2015), estima-se que a quantidade de bombas centrífugas em operação, em todo mundo, seja entre 150 e 200 mil, tornando o BCS o segundo método de elevação artificial mais utilizado, superado apenas pelo bombeio mecânico. Dessa forma, pode-se compreender a importância dos estudos ligados a espode-se método de elevação, gerando, assim, melhores resultados para a produção de petróleo.
Alguns dos grandes problemas apresentados na produção de petróleo, utilizando o sistema BCS, são devidos à produção de poços com elevadas razões gás-óleo e à operação com fluidos de elevada viscosidade. Nesses casos ocorre a degradação do desempenho da bomba ou, até mesmo, instabilidades operacionais podendo interromper a produção.
Todos os trabalhos realizados até agora têm sido fundamentais para compreender o comportamento e para fornecer informações sobre o desempenho real de sistemas de BCSs operando com misturas bifásicas e elevadas razões gás-óleo. Contudo, ainda não há na literatura nenhum estudo que relacione o desempenho da BCS operando com escoamentos bifásicos, cuja bomba esteja submersa em um fluido, comportamento igual ao que ocorre nos poços ou skids reais. A grande maioria dos trabalhos encontrados até o momento realiza experimentos com a tubulação de entrada conectada diretamente à bomba sem utilização de um intake, por exemplo. Dessa forma, diante dos problemas apresentados, buscou-se primeiramente dar ênfase ao estudo da BCS operando com escoamento gás-líquido em um duto anular, sendo que há um grande interesse em conhecer seu desempenho em um sistema de S-BCSS. Como tal
sistema consiste em uma nova tecnologia, não há ainda conhecimento e estudos consolidados sobre o seu comportamento. Um exemplo de condição a ser estudada é como as bombas centrifugas submersas se comportam em duto anular com a acumulação de gás em determinadas regiões com posterior descarga do mesmo.
Assim, o trabalho propõe a elaboração de dois aparatos experimentais, sendo o primeiro a BCS encapsulado em uma tubulação de acrílico, buscando compreender a influência de parâmetros do escoamento bifásico gás-líquido no anular entre a bomba e o tubo. Já o segundo aparato é o sistema flange/flange, em que o escoamento bifásico vindo em um tubo é injetado diretamente na bomba centrífuga, modelo utilizado pela maioria dos trabalhos existentes na literatura. Desta forma, busca-se identificar experimentalmente as características de operação e as diferenças de performance de uma mesma bomba em cada uma das configurações.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo geral uma análise experimental da influência do tipo de sucção (sistema encapsulado e flange/flange) no desempenho bifásico gás-líquido de BCSs.
Os objetivos específicos deste trabalho consistem em:
Analisar o desempenho separadamente das duas configurações de sucção e a influência de cada uma para a bomba centrifuga submersa.
Gerar uma análise comparativa do desempenho da bomba centrífuga submersa no sistema encapsulado com o sistema flange/flange.
Verificar os efeitos da rotação e inclinação no desempenho da bomba quando operando com misturas gás-líquido em ambos os sistemas.
Análise de imagens do escoamento antes da entrada na bomba para estudo detalhado dos efeitos causados pelo escoamento, tanto para o sistema flange/flange quanto para o sistema encapsulado.
Para atingir os objetivos, foram realizadas as seguintes atividades:
Desenvolvimento e construção de um aparato experimental para testes de desempenho de BCS operando em um sistema encapsulado.
Elaboração de uma matriz de teste para análise da influência do escoamento bifásico gás-líquido na configuração encapsulado.
Desenvolvimento e construção de um aparato experimental para testes de desempenho de BCS operando em um sistema flange/flange.
Elaboração de uma matriz de teste para análise da influência no escoamento bifásico gás-líquido na configuração flange/flange.
1.3 Organização da dissertação
Esta dissertação de mestrado está organizada em 5 capítulos, contando com este de introdução, e 3 apêndices.
No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica. Primeiramente os conceitos básicos (Escoamento Bifásicos e Bombas Centrifugas) são apresentados e logo após uma revisão de literatura de três temas: Escoamentos Bifásicos em dutos anulares, BCSs operando com escoamento bifásico gás-líquido e por fim estudos sobre o S-BCSS.
No Capítulo 3 são apresentadas as instalações experimentais, equipamentos utilizados, configurações dos aparatos experimentais, bomba centrífuga, instrumentação, sistema de aquisição de dados e os equipamentos de visualização. Além dos procedimentos experimentais realizados e as matrizes de testes desenvolvidas.
No Capítulo 4 os resultados encontrados são apresentados e discutidos. Na primeira seção são apresentados os dados de testes monofásicos com água, comparação com os dados fornecidos pelo fabricante da bomba além do estudo dos dados adimensionalizados para validação dos aparatos experimentais. Na seção dois os dados dos testes bifásicos para as duas configurações das bancadas, primeiramente para o sistema encapsulado em seguida para o sistema flange/flange são apresentados. Na seção três é feita a análise comparativa dos dois sistemas para análise completa do objetivo proposto. Por fim na última seção desse capítulo é feita a análise de sinais de pressão no tempo para os dois sistemas, apresentando as PDFs para algumas inclinações.
No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do estudo, e ideias de trabalhos futuros para melhorias e continuidade deste assunto.
Por final, são apresentados três apêndices. No apêndice A são apresentadas todas as curvas e métodos utilizados para a calibração dos equipamentos de medições. Nos apêndices B e C são apresentados, respectivamente, os resultados dos sistemas encapsulado e flange/flange que não foram colocados no capítulo 4. E no Apêndice D são apresentadas as lições aprendidas durante o desenvolvimento experimental.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo realizou-se uma revisão de conceitos e dos trabalhos presentes na literatura acerca dos assuntos correlatos a este estudo. Dividiu-se a revisão em três seções. Na primeira buscou-se apresentar conceitos básicos, além das teorias e definições sobre bombas centrífugas e escoamentos bifásicos. Na segunda seção é apresentada uma revisão bibliográfica sobre estudos de escoamentos bifásicos em dutos anulares e sobre bombas centrífugas submersas abordando seu desempenho ao operar com escoamento bifásico gás-líquido. Por fim, na terceira seção é apresentada uma revisão dos poucos trabalhos realizados sobre o sistema
S-BCSS, apresentado assim, a necessidade de mais estudos a respeito desse assunto.
2.1 Conceitos Básicos
Nesta primeira sessão são introduzidos os conceitos básicos e definições sobre escoamentos bifásicos e BCSs que são necessários para a compreensão do presente trabalho. Uma breve análise sobre escoamentos bifásicos gás-líquido e a terminologia adotada, bem como uma revisão de bombas centrífugas e seus parâmetros de desempenho são apresentadas.
2.1.1 Escoamento Bifásico
Uma análise sobre os conceitos do escoamento bifásico se torna de grande importância, pois, além da complexidade deste escoamento dentro dos rotores e difusores das BCS, os diferentes tipos de padrões de escoamento na entrada (intake) da bomba podem influenciar no desempenho desses equipamentos.
Basicamente, compreende-se por escoamento bifásico quando duas fases, que podem ser diferentes fluidos ou o mesmo fluido em diferentes estados da matéria, escoam simultaneamente em uma tubulação. Em geral, a presença de uma segunda fase aumenta a perda de carga ao se comparar com aquela que resultaria caso apenas uma fase estivesse escoando com a mesma vazão mássica. As misturas de gás-líquido em determinados arranjos geométricos das fases, denominados padrões de escoamento, podem escoar com velocidade diferentes. Com isso, a fase mais densa tende a escoar mais devagar e requer mais tempo para atravessar o mesmo comprimento de tubo, o que é denominado escorregamento entre as fases (Coates e Pressburg, 1959).
Além disso, cada fase ocupa apenas uma porção da seção transversal da tubulação, o que é denominado de fração de fase ou fração volumétrica. Essa condição acarreta grande dificuldade para cálculos acurados de gradiente de pressão em escoamentos bifásicos, por exemplo.
2.1.1.1 Padrões de Escoamento em Tubos
Escoamentos gás-líquido em tubos apresentam diferentes padrões de escoamento (Shoham, 2006). Dessa maneira, o termo padrão de escoamento se refere ao arranjo geométrico das fases na tubulação resultando, assim, em características diferentes no escoamento, tais como velocidades, distribuição das fases e perda de carga.
Nas últimas décadas, diversos estudos foram realizados e buscaram uma classificação de padrões para escoamentos horizontais e verticais gás-líquido abrangente, porém, ainda não existe um consenso de qual deve ser usado em muitos casos. Entretanto, para escoamentos gás-líquido em tubos já há certo consenso e a classificação segundo Shoham (2006) e Falvey (1980) para escoamentos gás-líquido será a utilizada neste trabalho.
Padrões de escoamento em tubulações horizontais:
Para estes tipos de escoamento o efeito da força gravitacional tem influência na disposição das fases líquida e gasosa, sendo que a fase mais densa (fase líquida) ocupa a parte inferior da tubulação, na maioria dos casos (Shoham, 2006). Como pode ser observado na Figura 2.1 os seguintes padrões de escoamento em tubulações horizontais são observados: bolhas, bolhas alongadas, estratificado liso, estratificado ondulado, golfadas e anular,
Cada um dos padrões de escoamento tem características próprias:
(i) Escoamento de Bolhas: pode ser identificado por pequenas bolhas escoando de maneira assimétrica na tubulação. Ocorre em altas vazões de líquido, sendo que as duas fases escoam na mesma velocidade. Com isso, o escoamento é considerado homogêneo sem escorregamento.
(ii) Escoamento de Bolhas Alongadas: é identificado pela presença de bolhas longas situadas na parte superior do tubo, devido à gravidade, e de dimensão da ordem do diâmetro da tubulação.
(iii) Escoamento Estratificado Liso: As fases estão totalmente separadas devido à ação da gravidade, ocorrendo em baixas vazões de líquido e de gás.
(iv) Escoamento Estratificado Ondulado: caracteriza-se, também, pelas fases totalmente separadas, porém, na interface surgem ondas, as quais são causadas pela tensão de cisalhamento entre as duas fases.
(v) Escoamento de Golfadas: escamento intermitente que consiste numa sucessão de bolhas e pistões de líquido que ocupam toda a tubulação e carregam bolhas dispersas em seu interior.
(vi) Escoamento anular: ocorre quando se tem altas vazões de gás, com o gás escoando no centro em alta velocidade e no seu entorno se forma um filme de líquido fino e ondulado.
Figura 2.1 – Padrões de escoamento em tubulações horizontais (Adaptado de Falvey, 1980).
Padrões de escoamento em tubulações verticais:
Os padrões de escoamento na vertical têm, em geral, simetria radial. Para tais escoamentos, os principais padrões podem ser classificados como bolhas, bolhas dispersas, intermitente, agitante e anular (Shoham, 2006), conforme apresentado na Figura 2.2.
(i) Escoamento em Bolhas: escoamento no qual a fase gasosa é distribuída uniformemente na forma de pequenas bolhas discretas em uma fase líquida contínua. Ocorre em baixas vazões de líquido, com bolhas em formato esférico ou alongadas.
(ii) Escoamento em Bolhas Dispersas: escoamento igual ao escoamento em bolhas, porém as bolhas de formato esférico são as únicas observadas. As bolhas se movem aproximadamente de forma retilínea no sentido ascendente, carreadas pela fase contínua líquida.
(iii) Escoamento Intermitente: escoamento reconhecido pela presença da chamada bolha de Taylor, envolta por um filme fino de líquido. Ppossui uma simetria através do eixo da tubulação, conforme Shoham (2006). (iv) Escoamento Agitante: segundo Shoham (2006), esse escoamento é singular
pela sua natureza caótica sendo caracterizado por grandes oscilações de líquido e não possuir uma interface bem definida entre as fases.
(v) Escoamento Anular: padrão com mesmo formato tanto nas tubulações verticais quanto nas horizontais. A fase gasosa escoa com alta velocidade na região central da tubulação, enquanto que um filme líquido escoa com velocidade inferior junto à parede da tubulação, formando um anel líquido simétrico.
Figura 2.2 – Padrões de escoamento em tubulações verticais (Adaptado de Falvey, 1980).
2.1.1.2 Parâmetros Dimensionais e Adimensionais para Escoamento Bifásico Neste tópico, a termologia adotada para escoamento multifásico em tubos, será a mesma para análise do escoamento no estudo de bombas centrífugas operando com mistura gás-líquido conforme proposto por Shoham (2006).
Vazão Mássica da Mistura (𝑚̇𝑀):
A vazão mássica da mistura (gás-líquido) 𝑚̇𝑀 é definida como a soma das vazões mássicas das fases, onde 𝑚̇𝐿 e 𝑚̇𝐺 são as vazões mássicas do líquido e do gás, respectivamente:
𝑚̇𝑀 = 𝑚̇𝐿+ 𝑚̇𝐺
(2.1) Vazão Volumétrica da Mistura (𝑞𝑀):
A vazão volumétrica da mistura 𝑞𝑀 é definida como a soma da vazão volumétrica do líquido, 𝑞𝐿, mais a vazão volumétrica do gás, 𝑞𝐺:
𝑞𝑀 = 𝑞𝐿+ 𝑞𝐺
(2.2) As vazões volumétricas do líquido, 𝑞𝐿 e do gás, 𝑞𝐺 são:
𝑞𝐿 =𝑚̇𝐿 𝜌𝐿
; 𝑞𝐺 =𝑚̇𝐺
𝜌𝐺 (2.3)
onde 𝜌𝐿 e 𝜌𝐺 são as massas específicas do líquido e do gás, respectivamente. Velocidades Superficiais (do líquido 𝑉𝑆𝐿 e do gás 𝑉𝑆𝐺):
As velocidades superficiais são definidas como sendo a vazão volumétrica da fase dividida pela área da seção transversal do tubo:
𝑉𝑆𝐿 = 𝑞𝐿 𝐴𝑡 ; 𝑉𝑆𝐺 = 𝑞𝐺 𝐴𝑡 (2.4)
onde 𝐴𝑡 é a área da seção transversal do tubo.
As velocidades superficiais, são as velocidades médias que cada fase teria se escoasse sozinha na tubulação.
Velocidade da Mistura (𝑉𝑀):
Definida como a soma das velocidades superficiais de cada fase, assim:
𝑉𝑀 = 𝑉𝑆𝐿+ 𝑉𝑆𝐺
(2.5) Fração de vazio (𝛼):
Trata-se da razão entre as áreas transversais do tubo ocupadas pelo gás e pelo líquido.
𝛼𝐺 =𝐴𝐺
𝐴𝑡 (2.6)
onde 𝐴𝐺 é a área ocupada pelo gás e 𝐴𝑡 é a área da seção transversal, ou também área ocupada por todas as fases.
De forma análoga a fração de vazios, tem-se a área transversal ocupada pela fase do líquido, chamada de holdup (h):
ℎ =𝐴𝐿
𝐴𝑡 = 1 − 𝛼𝐺 (2.7)
Velocidade de escorregamento (𝑉𝑆𝐿𝐼𝑃):
A velocidade de escorregamento é causada devido a diferença entre as velocidades locais das fases, o que resulta no “escorregamento” de uma fase em relação a outra. Nos casos de escoamentos gás-líquido, o gás escoa mais rápido que o líquido, exceto em escoamentos descendentes. A velocidade de escorregamento entre as fases é dada por:
𝑉𝑆𝐿𝐼𝑃 = 𝑉𝐺 − 𝑉𝐿 (2.8)
onde 𝑉𝐺 e 𝑉𝐿 são as velocidades in situ ou reais do escoamento, definidas pelas Eqs. 2.9 e 2.10:
𝑉𝐺 = 𝑉𝑆𝐺 𝛼 (2.9) 𝑉𝐿 = 𝑉𝑆𝐿 (1 − 𝛼) (2.10)
2.1.2 Bombas Centrífugas
Fox (2004) define que bombas centrífugas são máquinas que deslocam fluidos por meio da força centrífuga gerada pela rotação de um rotor dentro de uma carcaça, fazendo com que este ganhe simultaneamente pressão e energia cinética.
Segundo Fox (2004) as bombas podem ser classificadas em dinâmicas e de deslocamento positivo. No caso das bombas do tipo dinâmico, sua ação motriz é exclusivamente rotacional, e seu componente essencial de transmissão da energia é o rotor e seu princípio de funcionamento é regido pelas equações de Euler. Já as bombas de deslocamento positivo, também podem ser chamadas de ação recíproca e rotativa, tendo como principal característica a transmissão através de deslocamentos volumétricos oriundos de êmbolos, engrenagens, entre outros.
2.1.3 Bombas Centrífugas Submersas
A bomba centrífuga submersa de múltiplos estágios é a principal peça do sistema de elevação artificial chamado bombeio centrífugo submerso. Sendo esta responsável pelo ganho de energia ao reservatório, tendo a função de elevar o fluido ao topo do poço produtor (Varon, 2013).
Cada bomba é caracterizada através de curvas de desempenho, as quais são traçadas como relações entre a vazão volumétrica e a elevação ou altura manométrica (em inglês – head), a potência mecânica requerida para operar a bomba e a sua eficiência. Cada estágio é formado por duas partes fundamentais que são o rotor e o difusor, como pode ser observado na Figura 2.3. O tamanho e a forma do difusor e do rotor determinam a vazão a ser bombeada. Existem bombas com vazões situadas entre 20 e 10.000 m3/dia, com capacidade de elevações (head) de até 5.000 metros, depende do número de estágios presentes na bomba.
Figura 2.3 – Rotores e difusores de uma bomba centrífuga submersa (Biazussi, 2014).
O fluido que passa pelo rotor é submetido a um campo centrífugo e se move na direção radial para, posteriormente, ingressar na zona do difusor. A energia cinética é transformada em pressão até atingir o estágio seguinte, no qual o ciclo ocorre novamente. Dessa forma, o ganho de pressão é incremental ao longo da série de estágios da bomba até atingir a elevação total. As bombas centrífugas submersas são caracterizadas pelas elevadas vazões de produção, podendo operar em poços verticais, desviados ou horizontais, em aplicações terrestres ou marítimas (Varon, 2013).
2.1.4 Parâmetros de Desempenho de Bombas Centrifugas
Neste tópico uma revisão dos parâmetros chaves de desempenho de bombas centrífugas é apresentada.
Potência hidráulica
Para um escoamento considerado adiabático em regime permanente, se tem a equação:
𝑃ℎ = 𝑚̇ [(ℎ𝑠− ℎ𝑒) +(𝑉̅𝑠 2− 𝑉̅
𝑒2)
2 + 𝑔(𝑧𝑠− 𝑧𝑒)] (2.11)
onde 𝑃ℎ é a potência hidráulica transferida ao fluido, 𝑚̇ é vazão mássica de fluido, ℎ é a entalpia específica, 𝑉 é a velocidade média, 𝑧 é a cota e 𝑔 é a aceleração da gravidade. Os sub índices 𝑒 e 𝑠 fazem referência a entrada e saída da bomba, respetivamente.
Para escoamentos isotérmicos, reversíveis e fluidos incompressíveis, a Equação (2.11) pode ser reescrita como:
𝑃ℎ = 𝜌𝑔𝐻𝑞 (2.12) sendo: 𝐻 = (𝑃 𝜌𝑔+ 𝑉̅2 2𝑔+ 𝑧) 𝑠𝑎í𝑑𝑎 − (𝑃 𝜌𝑔+ 𝑉̅2 2𝑔+ 𝑧) 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (2.13) onde 𝐻 é definido como altura de elevação manométrica da bomba em metros de coluna de fluido, 𝑃 é a pressão, 𝑧 é a cota e 𝑔 é a aceleração da gravidade.
Altura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar o fluido do reservatório para a descarga, com uma determinada vazão.
BHP
A potência mecânica, ou brake horsepower (BHP), necessária para acionar a bomba é dada por:
𝐵𝐻𝑃 =𝜔𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 (2.14)
Eficiência
Devido às perdas hidráulicas e mecânicas no interior da bomba, a potência efetivamente transferida ao fluido é menor que a potência mecânica consumida no acionamento da bomba. Portanto, a eficiência da bomba é definida como:
𝜂 = 𝑃ℎ 𝐵𝐻𝑃=
𝜌𝑔𝐻𝑞
𝜔𝑇𝑒𝑖𝑥𝑜 (2.15)
onde 𝑃ℎ é a potência hidráulica transferida ao fluido. Análise Dimensional
A análise dimensional possibilita o transporte por escala das características de desempenho entre as diferentes condições de funcionamento. Dessa maneira, é aplicada em bombas a fim de determinar os parâmetros adimensionais que caracterizam o desempenho. Buscando uma análise mais sucinta, somente os principais parâmetros que serão utilizados, para os dados monofásicos serão apresentados nessa seção.
Esta análise é uma garantia da correção das medidas realizadas, assim como uma verificação complementar da operação adequada da BCS.
Os adimensionais são: Coeficiente de elevação (𝛹): 𝛹 = 𝑔𝐻 𝜔2𝐷2 (2.16) Coeficiente de vazão (𝛷): 𝛷 = 𝑞 𝜔𝐷3 (2.17) Coeficiente de potência (𝛱): 𝛱 = 𝐵𝐻𝑃 𝜌𝜔3𝐷5 (2.18)
onde g é a aceleração da gravidade, H é altura de elevação, q é a vazão, D é o diâmetro característico do rotor, ω é a rotação, BHP é a potência mecânica e ρ é a massa específica.
2.2 Escoamento Bifásico em dutos anulares
O estudo de escoamentos bifásicos em dutos anulares tornou-se importante para este trabalho pelas características de um dos aparatos experimentais utilizados nos experimentos, que é o sistema encapsulado. Assim, esta seção apresenta detalhes de escoamentos nessa geometria com os padrões de escoamento observados.
Kelessidis e Dukler (1989) estudaram os padrões de escoamento gás-líquido na vertical em dutos anulares concêntricos e excêntricos (excentricidade de 50%). Tal trabalho propôs um novo método para identificação de padrões de escoamento com base na análise da função de densidade de probabilidade de sinais através de uma sonda de condutância. Os experimentos foram conduzidos em tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 6,97 m, tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 76,2 mm, um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 50,8 mm, ambos os tubos de acrílico. Os mapas de padrão de escoamento (Figura 2.4) foram construídos e modelos matemáticos propostos para determinar as transições dos padrões de escoamento. O trabalho apresentou uma boa concordância dos modelos juntamente com os dados experimentais obtidos pelos autores. Os padrões de escoamento observados foram: bolhas, pistonado, agitante e anular.
Figura 2.4 – Mapa de Padrões de Escoamento observado por Kelessidis e Dukler (1989) em geometria anular concêntrica.
Kelessidis e Dukler (1990) avaliaram o comportamento da bolha de Taylor em um canal de geometria anular na posição vertical na mesma bancada utilizada por Kelessidis e Dukler (1989). Os autores observaram que, em duto anular vertical as bolhas de Taylor sobem mais rápido com simetria axial, porém têm taxas mais baixas do que as observadas experimentalmente em tubos. Em contraste, as bolhas assimétricas assumem uma forma elíptica que resulta em maiores velocidades de subida. Assim, um modelo teórico para a velocidade de subida de uma bolha elíptica foi desenvolvido e a comparação com os dados experimentais foi satisfatória. As medições das velocidades da ascensão da bolha de Taylor foram conduzidas para diversas condições.
O estudo de Caetano (1992) foi um dos pioneiros sobre escoamento em dutos anulares. Apresentou dados experimentais de fator de atrito para escoamento monofásico, velocidade de bolha de Taylor e mapas de escoamento bifásicos em tal geometria. O trabalho experimental desenvolvido pelo autor em escoamentos gás-líquido utilizou água e querosene como fase líquida e ar comprimido como fase gasosa. Buscou-se avaliar os escoamentos ascendentes verticais ar-água e ar-querosene, com medições globais de queda de pressão e fração volumétrica. A bancada experimental construída para este estudo era composta por um tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 76,2 mm, um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 42,2 mm e de comprimento total (𝐿𝑇)16 m.
A caracterização do escoamento foi feita visualmente e apresentou cinco padrões de escoamento: bolhas, bolhas dispersas, pistonado, agitante e anular, apresentados na Figura 2.5. O trabalho de Caetano (1992) possui grande contribuição, pois propõe algumas modificações para os critérios de transição de padrão de escoamento vertical gás-líquido em duto anular, promovendo previsões melhores para o caso de dutos anulares que os propostos por Kelessedis e Dukler (1990).
Figura 2.5 – Padrões de Escoamento observado por Caetano (1992) em geometria anular concêntrica.
O trabalho de Hasan e Kabir (1992) foi desenvolvido a partir de escoamento gás-líquido em duto de geometria anular, buscando a previsão da fração de vazio. Nesse trabalho, foi possível observar os seguintes padrões de escoamento: bolhas, intermitente e agitante. Esse estudo concentrou-se em avaliar os parâmetros de distribuição 𝐶𝑜, efeitos bidimensionais e a velocidade terminal da bolha. Os experimentos foram realizados em tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 5,5 m, tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 127 mm e foi feito uma variação dos tubos internos, sendo escolhidos os diâmetros (𝐷𝑖): 48 mm, 57 mm e 87 mm, além de diversas inclinações. Constatou-se que os parâmetros de distribuição, 𝐶𝑜, tende a não ser afetado pela geometria anular. Conclui-se que os parâmetros de distribuição para a configuração tubular são adequados também para a geometria anular.
Ekberg et al. (1999) estudaram o escoamento horizontal gás-líquido em duto anular concêntrico. Tal trabalho gerou dados experimentais globais, como padrão de escoamento, queda de pressão e fração de vazio para escoamentos bifásicos água-ar. Os testes foram realizados em duas seções, sendo a primeira parte uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 0,46 m, tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 8,6 mm, um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 6,6 mm. Já a segunda parte era uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 0,46 m, tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 35,2 mm, um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 33,2 mm. Ambas as seções operaram na faixa de velocidades superficiais de líquido (0,02 – 5,7 m/s ) e gás (0,1 – 6,1 m/s). Nesse trabalho, os padrões de
escoamento observados foram: bolhas, intermitente, agitante, estratificado e anular. Dessa forma, Ekberg et al. (1999) geraram um mapa de padrões de escoamento diferente dos mapas de padrões de escoamento em tubos horizontais encontrados na literatura. Os dados de fração vazio foram comparados com previsões do modelo de Lockhart e Matinelli (1949) e mostraram uma boa concordância.
Wongwises e Pipathattakul (2006) realizaram um estudo em escoamento horizontal e ascendente (inclinações de 30º e 60º em relação a horizontal) gás-líquido em um canal de geometria anular concêntrico de pequeno diâmetro. O experimento foi realizado em uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 0,8 m, com tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 12,5 mm e um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 8 mm. Nesse estudo, dados globais do escoamento como padrão de escoamento, fração de vazio e queda de pressão foram apresentados. Observaram-se os seguintes padrões de escoamento: intermitente, anular, anular/intermitente, bolhas, bolhas/intermitente, agitante e bolhas dispersas, mostrando, assim, que a inclinação tem uma influência significativa na transição de padrão de escoamento, queda de pressão e fração volumétrica. Na Figura 2.6 abaixo, pode-se analisar como a inclinação tem influência nas fronteiras de transição de padrões de escoamento.
Figura 2.6 – Efeito da inclinação no mapa do padrão de fluxo ar-água para o anular com (𝐷𝑒) = 12,5 mm e (𝐷𝑖) = 8 mm – Wongwises e Pipathattakul (2006).
Ozar et al. (2008) investigaram o escoamento gás-líquido vertical em duto anular, em uma instalação com uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 4,37 m, com tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 38,1 mm e um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) = 19,1 mm. Os autores mediram a fração de vazio local, a concentração de área interfacial e a velocidade interfacial das bolhas e observaram os padrões de escoamento bolhas, intermitente e agitante-turbulento. O trabalho gerou uma nova correlação de coeficiente de distribuição. A correlação foi testada no modelo de mistura (drift-flux), utilizando a velocidade de deslizamento proposta por Ishii et al. (1977), obtendo uma boa concordância com os dados experimentais.
O estudo de Mendes et al. (2011) teve como principal objetivo investigar os padrões de escoamento e mapas para escoamento gás-líquido em um duto anular com várias inclinações. Os dados experimentais foram coletados em uma seção de testes inclinável de 0 a 90°, com uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 10,5 m, tubo externo de diâmetro (𝐷𝑒) 111 mm, um tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 75 mm, sendo que ar comprimido, água e óleo constituíram as fases gasosa e líquida, respectivamente. As velocidades superficiais do ar, água e óleo estavam na faixa de 0,02-30 m/s, 0,02-5 m/s e 0,005-0,5 m/s, respectivamente. Na posição horizontal foram identificados os seguintes padrões de escoamento: estratificado liso, estratificado ondulado, intermitente e bolhas dispersas. Na inclinação de 45º, observaram-se os padrões bolhas, pistonado, agitante e bolhas dispersas. A técnica objetiva de assinatura de pressão foi utilizada para identificação de padrões de escoamento e sua potencialidade foi avaliada.
Carvalho (2013) estudou o padrão bolhas dispersas em duto anular concêntrico, no qual se utilizou o modelo de mistura unidimensional para modelar o escoamento água-ar em duto de geometria anular de grande dimensão. O autor utilizou o mesmo aparato experimental utilizado por Mendes et al. (2011). Os dados experimentais obtidos para escoamento vertical ascendente água-ar e para escoamento água-ar a 45º foram comparados às previsões de fração volumétrica média e queda de pressão. Na conclusão do trabalho, mostrou-se que as correlações propostas por Hibiki e Mishima (2001) são adequadas para a previsão de gradiente de pressão em duto anular, além de o modelo de mistura fornecer previsões adequadas para prever o gradiente de pressão na geometria anular. Dentre os parâmetros estudados, o valor do coeficiente de distribuição experimental, para o duto posicionado na vertical, está em concordância com os valores encontrados na literatura. Já para duto inclinado, nada pode-se afirmar sobre o valor do coeficiente de distribuição calculado, pois não há valores na literatura. Além disso, mostra-se que o modelo de mistura é sensível ao valor do coeficiente de
distribuição, tornando-se necessário, para dutos anulares de grande diâmetro, novas correlações para a determinação do mesmo.
No trabalho de Chaves et al. (2015), buscou-se aplicar o modelo de mistura para a previsão da queda de pressão por fricção em duto anular. Os dados experimentais do escoamento de bolhas (gás-líquido) no duto anular coletados por Carvalho (2013) e Caetano (1986) foram utilizados para propor algumas modificações no coeficiente de distribuição das correlações de Hibiki e Ishii (2003) e Petalas e Aziz (1998). As novas correlações propostas geraram melhores concordâncias entre valores teóricos e experimentais quando comparadas com correlações propostas por Hibiki e Ishii (2003) e Petalas e Aziz (1998).
Colmanetti (2016) realizou um trabalho sobre escoamento trifásico em dutos anulares, buscando avaliar o escoamento líquido-líquido-gás para três viscosidades de óleo, além de avaliar o fenômeno de inversão de fase em escoamento ascendente vertical em duto anular de grande diâmetro. Dessa maneira, elaborou-se um aparato experimental inclinável com uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 10,5 m, utilizando água, óleo e ar comprimido como fluidos de trabalho em escoamento ascendente vertical em duas geometrias: (i) um tubo com diâmetro (𝐷𝑒) 95 mm e (ii) um duto de configuração anular e concêntrico, com diâmetro hidráulico de valor igual ao diâmetro do tubo. A avaliação do fenômeno de inversão de fase em escoamento trifásico foi conduzida em condições equivalentes em três geometrias: (i) tubo vertical menor com diâmetro de (𝐷𝑒) 50 mm, (ii) tubo com diâmetro de (𝐷𝑒) 95 mm e (iii) um duto anular concêntrico. Nesse estudo, apresentaram-se dados globais de escoamento como: padrões de escoamento, queda de pressão e fração volumétrica. Com isso, pode-se analisar que os resultados apresentados para escoamento líquido-gás, obtidos para o duto anular, indicam que a geometria influencia sistemática e significativamente os aspectos do escoamento bifásico, notadamente no padrão de escoamento. Os padrões de escoamento identificados foram: bolhas, intermitente e agitante em duto anular vertical.
Após uma análise da revisão bibliográfica dos estudos ligados ao escoamento bifásico em dutos anulares, elaborou-se a Tabela 2.1 que consta a seguir, apresentando um breve resumo das principais características de cada trabalho citado.
Tabela 2.1 – Resumo estudos ligados ao escoamento bifásico em dutos anulares
Autores Dados Gerados Fluidos Utilizados Orientação do Escoamento Comprimento da Tubulação (m) 𝑫𝒆 (𝒎𝒎) 𝑫𝑰 (𝒎𝒎) Padrões de Escoamento Caetano (1992)
Fração de vazio; gradiente de pressão; velocidade da bolha
de Taylor
Água/ar e
querosene/ar Vertical 13,7 76,2 42,2
Bolhas, bolhas dispersas, intermitente, agitante e anular
Kelessidis e Dukler (1989)
Transição de padrão de
escoamento Água/ar Vertical 6,93 76,2 50,8
Bolhas, intermitente, agitante e anular
Kelessidis e
Dukler (1990) Bolhas de Taylor Água/ar Vertical 6,97 76,2 50,8 Intermitente Hasan e Kabir
(1992)
Fração de vazio e velocidade
de bolha de Taylor Água/ar
Vertical/
inclinado 5,5 127
48 - 57 - 87
Bolhas, intermitente, agitante e anular
Ekberg et al. (1999)
Fração de vazio; queda de
pressão Água/ar Horizontal 0,46 8,6-35,2 6,6-33,2
Bolhas, intermitente, bolhas dispersar estratificado e
padrão anular
Wongwises e Pipathattakul
(2006)
Fração de vazio; queda de
pressão Água/ar Horizontal/ inclinado 0,88 12,5 8 Intermitente, anular, anular/intermitente, bolhas, bolhas/intermitente, agitante e bolhas dispersas
Autores Dados Gerados Fluidos Utilizados Orientação do Escoamento Comprimento da Tubulação (m) 𝑫𝒆 (𝒎𝒎) 𝑫𝑰 (𝒎𝒎) Padrões de Escoamento Ozar et al. (2008)
Fração de vazio local; velocidade de interface da
bolha
Água/ar Vertical 4,37 38,1 10 Bolhas, intermitente, e agitante
Mendes et al. (2011)
Padrão de escoamento, queda de pressão dinâmica Água/ar e óleo/ar Horizontal/ inclinado 10,5 111 75 Estratificado liso, estratificado ondulado, intermitente, bolhas dispersas,
bolhas e agitante. Carvalho (2013) Coeficiente de distribuição /
Velocidade de Deslizamento Água/ar
Vertical /
Inclinado 45° 10,5 111 75 Bolhas e pistonado Chaves et al.
(2015)
Modelo de mistura para a previsão da queda de pressão
por fricção em duto anular
Água/ar Vertical / Inclinado 45° x x x Bolhas, pistonados e estratificados. Colmanetti (2016) Escoamento trifásico em
dutos anulares Água/ar/óleo
Vertical /
Inclinado 10,5 95 50
Bolhas, intermitente e agitante.
Uma das maiores motivações deste trabalho é buscar compreender como o escoamento gás-líquido ocorre no anular de um S-BCSS. Não são encontrados trabalhos na literatura utilizando tal configuração. Outro grande fator considerado nos estudos, é que poucos autores buscaram avaliar o comportamento do escoamento em um duto anular com o efeito de sucção de uma BCS. Como essa condição é comum em poço equipados com BCS, torna-se importante analisar o efeito desse tipo de escoamento ao desempenho desse sistema de elevação artificial.
2.3 BCSs Operando com Escoamento Bifásico Gás-Líquido
Nesta seção são apresentados em detalhes trabalhos sobre BCSs operando com misturas gás-líquido, com foco em trabalhos com geometria similar aos utilizados neste trabalho e mais recentes. Uma grande revisão da literatura sobre o tema pode ser encontrada em Monte Verde (2016).
Lea e Bearden (1982) foram os primeiros a estudarem a respeito de bombas centrífugas operando com escoamento bifásico gás-líquido aplicado à indústria do petróleo. Os autores investigaram o impacto do gás livre no desempenho de uma bomba centrífuga submersa sob diferentes condições, utilizando ar e água e diesel e CO2 como fluidos de trabalho. Três modelos de BCSs foram testados: bombas radiais Centrilift I-42B e C-72 e a bomba de fluxo misto K-70 com a mistura Diesel e CO2, e o modelo I-42B foi testado também com a mistura água-ar.
No caso dos testes realizados com a mistura água-ar, usou-se uma montagem experimental (Figura 2.7) na qual a BCS foi instalada submersa dentro de um tubo de acrílico com o intuito de simular a geometria anular onde fluido escoa até a sucção da bomba.
Nos testes com a mistura água-ar usou-se pressão de sucção variando entre 25 e 30 psig (172,4 e 206,8 kPa) e frações homogêneas de gás entre 0 e 17%. Nos testes com Diesel e CO2 utilizou-se a mesma montagem experimental acrescida de um circuito fechado para o Diesel e para o CO2, sendo utilizada uma pressão de sucção máxima de 400 psig (2758 kPa) e fração homogênea máxima de gás de 50%.
Figura 2.7 – Aparato experimental do trabalho de Lea e Bearden (1982).
A partir dos resultados experimentais obtidos, os autores chegaram às seguintes conclusões:
Para uma fração de gás constante, a degradação do desempenho diminui com o aumento da pressão de sucção, sendo que, quando a fração de gás alcança um valor crítico, o escoamento se torna instável. Tal condição operacional é denominada pelos autores de Surging;
O desempenho de uma bomba é em função tanto da fração de gás livre quanto da pressão a montante;
O rotor de fluxo misto é mais tolerante à presença de gás do que os rotores radiais;
Nos estudos feitos por Turpin et al. (1986), foram utilizados os resultados experimentais obtidos por Lea e Bearden (1982) e, com isso, propuseram uma correlação empírica para modelar o desempenho das BCSs que foram testadas. Tal correlação determina que o desempenho bifásico da bomba é função da pressão de sucção, da vazão de líquido e da razão entre a vazão de gás e a vazão de líquido.
Dessa maneira, os autores propuseram o parâmetro 𝜙, onde 𝜙 < 1 indica operação estável da bomba e o modelo pode ser aplicado. No entanto, para 𝜙 > 1 ocorre o surging. Portanto, a condição operacional de surging pode ser calculada igualando esse fator a unidade.