[pt] Volume of Fluid (VOF) é um método amplamente empregado na predição de escoamentos multifásicos devido à sua simplicidade, boas características de conservação de massa e natural tratamento de interfaces topologicamente complexas. No entanto, para escoamentos dominados por tensão interfacial, a literatura tem mostrado que a precisão nas estimativas da tensão interfacial ainda é um problema em questão, que pode levar a correntes parasíticas e previsão imprecisa da condição de salto de pressão através das interfaces. Isto ocorre principalmente devido às variações abruptas do campo de fração volumétrica através das interfaces, que leva a imprecisão no cálculo das curvaturas interfaciais. Portanto, diferentes abordagens têm sido apresentadas para mitigar este problema, incluindo funções-altura, suavização da fração volumétrica, ajuste parabólico, entre outros. Este trabalho propõe uma nova abordagem para estimativa de curvatura em VOF, mas não limitado a este, que lança uma nova luz a este problema persistente. A ideia é amostrar a interface por nuvens de pontos e normais na isosuperfície de nível 0.5 do campo de fração volumétrica e calcular a curvatura para cada ponto da nuvem por uma técnica de Computação Gráfica (ajuste de normais). As curvaturas são, então, projetadas na malha Euleriana de maneira tal como no método Front-Tracking. O novo método foi implementado no código padrão de VOF do OpenFOAM (interFoam) resultando em melhorias nas estimativas de salto de pressão e em significativa redução das correntes espúrias. Simulações numéricas foram realizadas e resultados comparados a dados de referência demonstrando a viabilidade da ideia. / [en] Volume of Fluid (VOF) is a widely employed method for multiphase flows prediction for its simplicity, good mass conservation characteristics and natural handling of topologically complex interfaces. For surface tension dominated flows, however, literature has shown that accuracy in surface tension estimations is still an issue, what may cause parasitic currents and inaccurate prediction of pressure jump condition across interfaces. It occurs mainly due to abrupt changes in the volume fraction field across the interfaces, which takes to inaccurate estimates of interfacial curvatures. Therefore, different approaches have been proposed to mitigate this problem including height-functions, volume fraction smoothing, parabolic fittings, among others. This work proposes a novel approach for curvature estimation in VOF, but not limited to it, that sheds a new light on this persistent problem. The idea is to sample the interfaces with clouds of points and normals at the 0.5 level isosurface of the volume fraction field and to compute the curvature for each point of the cloud by a Computer Graphics technique (normal fitting). The curvatures are then projected onto the Eulerian grid in a Front-Tracking fashion. The new method was implemented in the standard OpenFOAM VOF solver (interFoam) resulting in improvements on the pressure jump estimations and in significant reduction of spurious currents. Numerical simulations were performed and results compared to benchmark data showing the feasibility of the idea.

[pt] Sistemas de escoamento multifásico se formam ao longo de um poço de produção de petróleo. A análise do comportamento do escoamento através da coluna de produção é realizada com o apoio de ferramentas computacionais e é essencial para o projeto e operação de um sistema de produção de petróleo. Os simuladores comerciais disponíveis para esse tipo de análise exigem aquisição de licença, cujo custo é elevado, restringindo seu uso às grandes companhias petrolíferas e aos renomados institutos de pesquisa. Além disso, esses programas não permitem a visualização da metodologia utilizada para o tratamento do problema físico e para a solução numérica empregada, e nem a alteração de parâmetros internos, tornando seu uso restrito a certas classes de problemas. Apesar da grande demanda e utilidade desse tipo de software ainda há poucos trabalhos desenvolvidos nessa área. Esta pesquisa tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um simulador de escoamento multifásico simplificado e aberto, com aplicação na otimização da produção de óleo e gás. Dentre as aplicações do programa podemos citar a obtenção das curvas de gradiente de pressão e a otimização de gás-lift. Um estudo paramétrico foi conduzido, mostrando a influência de parâmetros como, por exemplo, o diâmetro da tubulação. Os resultados obtidos foram comparados com a literatura e são fisicamente coerentes. Sendo assim, o programa desenvolvido mostra-se promissor. / [en] Multiphase flow systems are formed along an oil production well. The analysis of the flow behavior through the production column is performed with the aid of computational tools, and is very important to the design and optimization of the oil well production operation. In general, the commercial softwares available to analyze this process are very expensive, which restrict its use to some particular companies. In addition, the methodology used to analyze the physical problem, and the numerical solution are fixed and closed, which restrict its use to certain classes of problems, since it is not possible to change or improve the numerical solution. Despite the great demand and use of this kind of software, there are few researches in this area. This research aims to present the development of a simplified multiphase flow simulator open to public, with application to the optimization of oil and gas production wells. Among the applications are the plot of pressure-distribution curves and the optimization of gas-lift. A parametric study is performed, showing the influence of some governing parameters, such as tubing diameter, in the production flow rate. The results obtained were compared with pertinent literature and are physically reasonable, showing that the software developed is promising.

[pt] O escoamento de bolhas de gás em fluidos não-newtonianos é muito importante em diversas aplicações, tais como biorreatores, processamento de alimentos e operações de perfuração e cimentação de poços de petróleo, contudo poucos estudos abordam este tema. No presente trabalho é analisado o escoamento ascendente de bolhas de gás em fluido viscoplástico, modelado aqui como fluido Herschel-Bulkley. Utilizou-se uma abordagem bidimensional, aproximada por placas paralela. O escoamento multifásico foi numericamente simulado fazendo uso do método de volumes finitos VOF (volume of fluid), o qual resolve as equações de conservação de massa e momento aclopado a uma equação para a fração volumétrica dos fluidos. A influência de fatores tais como tensão limite de escoamento, dimensão da bolha, número de bolhas e distância entre as bolhas escoando em um fluido viscoplástico foram investigadas. Os resultados indicaram que a tensão limite de escoamento tem grande impacto na velocidade de deslocamento da bolha. No caso de mais de uma bolha escoando foi também observado que o deslocamento de uma bolha altera a velocidade de ascenção das outras, fazendo com que elas se unam, e a medida em que a distância entre as bolhas aumenta a interferência é eliminada e as mesmas escoam como bolhas individuais. Além disso, foi verificado que, dependendo do tamanho da bolha escoando, a parede interfere na sua velocidade de ascenção. Por fim foi analisada a mudança no formato da bolha, podendo-se observar que em número de Reynolds menores a mesma apresenta um formato esférico e a medida em que este parâmetro aumenta, a bolha vai se deformando e adquire uma forma elipsoidal. Os resultados qualitativos do presente estudo numérico foram comparados com alguns trabalhos experimentais encontrados na literatura e corresponderam relativamente bem. / [en] The gas bubble displacement in non-Newtonian fluids is important in many applications, including bioreactors, food processing and drilling and cementing of oil wells however a few studies have investigated this issue. The motion of gas bubbles in a viscoplastic fluid, modeled as a Herschel-Bulkley fluid, is analysed in the present work. A bidimensional approach was used, approximated by parallel plates. The multiphase flow was numerically simulated using the finite volume technique VOF (volume of fluid), which solves the conservation equations of mass and momentum coupled to an equation for the volume fraction of the fluids. Is was investigated the influence of factors such as fluid yield stress, bubble size, number of bubbles rising in the viscoplastic fluid and also the distance between them. The results indicated that the yield stress has great impact on the bubble rising velocity. In the case of multiple bubbles flowing it was also observed that the displacement of one bubble influences the rising velocity of the others, causing them to join together. As the distance between the bubbles increase the interference is eliminated and the bubbles flow separately. Furthermore, it was found that there was an wall interference depending on the size of the bubble. Lastly, it was analysed the change in the shape of the bubble. It could be observed that for lower Reynolds number the bubbles presented an spherical shape and as this parameter increases it turns into an elipsoidal shape. The qualitative results of the present study agreed relatively well with experimental works found in the literature.

[pt] Óleos brutos altamente parafínicos podem causar problemas operacionais significativos, tais como bloqueio de um oleoduto devido à precipitação e deposição de componentes de parafina durante a produção e transporte de petróleo bruto. O custo de gerenciamento da parafina é enorme e aumenta significativamente com o aumento da produção de petróleo em áreas marítimas profundas. Mas estes custos podem ser significativamente reduzidos se a deposição de parafina em dutos puder ser prevista com precisão. Nesta pesquisa, o fenômeno de deposição foi analisado numericamente. O modelo de deslizamento foi utilizado para prever o fluxo multifásico e a deposição de parafina foi determinada a partir de um modelo de convecção. Este modelo previu com precisão as taxas de deposição de escala de laboratório em regime de fluxo laminar e turbulento. A taxa de deposição de parafina apresentou uma boa concordância com os resultados do software comercial OLGA. A comparação com a produção de petróleo de um poço real foi modelado, e bons resultados foram obtidos no impacto da queda de pressão devido à redução da área seção transversal causada pela deposição de parafina progressiva na parede do tubo. Os resultados deste trabalho mostraram uma boa consistência física e um acordo razoável com os dados experimentais e de campo comparados. / [en] Highly waxy crude oils can cause significant operational problems such as blockage of a pipeline due to the precipitation and deposition of select wax components during the production and transportation of the crude oil. The cost of wax management is enormous and rapidly increasing because of increased oil production in deep sea areas. Wax management costs can be significantly reduced if wax deposition in pipeline can be accurately predicted. In this research, the wax deposition phenomenon was numerically investigated. The drift flux model was employed to predict the multiphase flow and the wax deposition was determined based on a convective model. This model accurately predicted the deposition rates for lab scale under laminar and turbulent flows. The wax deposition rate presented a good agreement with the results of commercial software OLGA. A comparison with an existing oil production well was performed, and good results were obtained in the impact in pressure drop due to cross section area reduction caused by progressive wax deposition on the pipe wall. The results of this work showed a good physical consistency and a reasonable agreement with the compared experimental and field data.

[pt] Nas últimas décadas, grandes investimentos foram feitos no desenvolvimento de modelos e métodos numéricos para prever e analisar os diferentes aspectos do processo de recuperação de óleo e gás. Neste contexto, os simuladores modernos devem ser capazes de incorporar uma grande variedade de opções para responder questões relacionadas ao gerenciamento de reservatórios de forma rápida e precisa. Neste trabalho, nós apresentamos um simulador de reservatórios baseado em uma arquitetura de plugins, onde diferentes formulações, solvers e modelos podem ser desenvolvidos, estendidos e aprimorados. A partir desta abordagem, utilizamos o modelo black-oil para implementar técnicas tradicionais e do estado da arte, como os métodos totalmente e adaptativamente implícito, os métodos de Newton-Raphson e Newton Inexato, controladores heurístico e PID para passo de tempo adaptativo e aproximações de fluxo de um ponto baseados no potencial de fase tradicional e C1-contínuo. Diversas configurações de plugins foram testadas e validadas com simuladores comerciais e seus desempenhos foram utilizados para determinar quais as mais adequadas para resolver problemas de escoamento multifásico. / [en] During the last decades, large investments were made towards the development of numerical models and methods to forecast and analyze the different aspects of oil and gas recovery. In this context, modern simulators must be able to incorporate a wide variety of options to answer questions related to reservoir management accurately and effectively. In this work, we present a reservoir simulator based on a plugin architecture, where different formulations, solvers, and models can be developed, extended, and enhanced. With this approach, we use the black-oil model to implement traditional and state-of-the-art techniques, including fully- and adaptiveimplicit methods, heuristic and PID time-step controllers, Newton-Raphson and Inexact Newton, and C1-continuous and conventional phase-potential single-point upstream weighting. Several plugin configurations were tested and validated with commercial simulators, and their performances were used to determine which are the most suitable to solve multiphase flow problems.