[pt] Os hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, semelhantes ao gelo, formados pela associação de moléculas de água e de gás numa determinada estrutura organizada. Sua ocorrência é uma preocupação inegável para a Indústria de Petróleo e Gás, dado o risco potencial de garantia de escoamento, podendo ocasionar paradas não programadas em operações como a perfuração e produção. Portanto, grandes investimentos são feitos a fim de prevenir a formação de hidratos. No entanto, os cenários cada vez mais desafiadores de produção de petróleo estão incentivando a busca de metodologias de avaliação de risco, procurando identificar as condições para a formação de hidratos, mas com pouca possibilidade de entupimento. Neste contexto, o entendimento de reologia de hidratos é um elemento chave, pois permite detectar a formação do hidrato a partir de variações das propriedades reológicas. Entretanto, uma dificuldade desta abordagem ocorre devido à condição necessária para a formação de hidrato, a combinação de alta pressão e baixa temperatura. Este trabalho se insere neste contexto: para avaliar o processo de formação de hidrato em condições mais favoráveis utiliza-se em geral um fluido modelo que forma hidratos à pressão atmosférica. Este trabalho visa analisar os efeitos dos cortes de água e de tensoativos na viscosidade, nos módulos de armazenagem e dissipação de um fluido modelo, uma emulsão de água-em-óleo. A formação de hidrato ocorre com a adição de ciclopentano a este modelo de emulsão. / [en] Natural gas hydrates are solid crystalline, similar to the ice, formed by the association of water molecules and gas of a given organized structure. Its occurrence is an undeniable concern for Oil and Gas, given the potential risk of flow assurance and may cause unscheduled downtime in operations, such as drilling and production. Therefore, large investments are made in order to prevent the formation of hydrates. However, the increasingly challenging scenarios of oil production are encouraging the pursuit of new methodologies for risk assessment, seeking to identify the conditions hydrates will form, but with little chance of clogging. In this context, the understanding of rheology of hydrate is a key element, it allows detecting the formation of hydrate as of changes in rheological properties. However, a difficulty of this approach occurs due to need for hydrate formation conditions, the combination of high pressure and low temperature. This work fits in this context: to evaluate the process of hydrate formation on conditions more favorable is used usually a fluid model that form hydrates at atmospheric pressure. This work aims to analyze the effects of the water cuts and surfactants on viscosity, in storage and dissipation modules of model fluid water emulsion in oil. The hydrate formation occurs adding on this model fluid cyclopentane.

[pt] As dispersões bifásicas (ex. espumas e emulsões), de grande relevância prática na química e na engenharia, são termodinamicamente instáveis devido à diminuição de energia livre no processo de coalescência. Esta limitação é comumente minimizada através de mecanismos de estabilização eletrostática e estérica. Recentemente, há um interesse crescente na estabilização de emulsões e espumas usando partículas sólidas (tipo Pickering), devido à forte adsorção das mesmas nas interfaces para formar uma película sólida. Dependendo do tamanho e do ângulo de contato, a adsorção das partículas pode tornar-se irreversível, melhorando a estabilidade em comparação com sistemas estabilizados por surfactante. Como nanopartículas de molhabilidade intermédia são relativamente raras, o ajuste deste parâmetro é o principal desafio para obter dispersões estáveis. No presente estudo, nanopartículas de sílica (SiNPs) foram modificadas superficialmente com 3-aminopropil trimetoxisilano e hexadeciltrimetoxisilano como agentes sililantes, para se obter três tipos diferentes de nanopartículas híbridas de maior hidrofobicidade, visando a formulação de dispersões bifásicas altamente estáveis usando um método de baixa energia (agitação manual). As SiNPs modificadas foram caracterizadas através de testes qualitativos, infravermelho, analise termogravimétrica, analise elementar e ressonância magnética nuclear de carbono treze e de silício vinte nove no estado sólido para confirmar o enxerto dos grupos funcionais. As propriedades das NPs em relação à sua dispersabilidade e comportamento em interfaces foram avaliadas por espalhamento de luz dinâmica e a tensão superficial crítica de molhabilidade. Finalmente, foram preparadas espumas líquidas e emulsões água-em-óleo (A/O) utilizando as partículas híbridas obtidas e pequenas quantidades de surfactantes, para facilitar o processo de dispersão. Os resultados mostraram que as NPs mais hidrofílicas estabilizam melhor a interface ar/água (espumas), enquanto a estabilização máxima em emulsões é obtida com as NPs mais hidrofóbicas, uma vez que a interação com a fase contínua é otimizada. Além disso, a presença de grupos funcionais na superfície das SiNPs oferece a possibilidade de obter efeitos de sinergia com os surfactantes, controlando a adsorção mista na interface. As aplicações potenciais destes resultados podem abranger diversas áreas, tais como biomedicina, ciência dos materiais, recuperação de petróleo, cosméticos e alimentos. / [en] Biphasic dispersions (e.g. foams and emulsions) are of practical relevance to many chemical and engineering fields. These dispersions are thermodynamically unstable, since their decay results in a decrease of the free energy. Different mechanisms can prevent the coalescence of the dispersion, such as electrostatic and steric stabilization. Recently, there has been an increased interest in the study of stabilization of emulsions and foams using solid particles (Pickering type), since particles can strongly adsorb at interfaces to form a solid film, replacing the incompatible water-oil(ar) interface by the more favorable oil(ar)-particle and particlewater interfaces. Depending on their size and contact angle of selective wetting, particle adsorption can become irreversible, with increased stability of particle-stabilized dispersions compared to surfactant-stabilized systems. Since particles of intermediate wettability by nature are relatively rare, tailoring particle wettability is the major challenge to obtain stable dispersions. In the present study, hybrid silica nanoparticles (SiNPs) were prepared by modification of their surface using 3 aminopropyltrimethoxysilane and hexadecyltrimethoxysilane as silanizing agents, to obtain three different nanoparticles with increased hydrophobicity, aiming to achieve highly stable biphasic dispersions using a low-energy method. The modified SiNPs were characterized using qualitative tests, FTIR, TGA, CHN and NMR (Si) to confirm grafting of functional groups. In addition, nanoparticle properties regarding aqueous dispersions and behavior at interfaces were evaluated by DLS and critical wetting surface tension. Liquid foams and water-in-oil (W/O) emulsions were prepared using the obtained hybrid particles and small amounts of different surfactants, to facilitate the dispersion process. The results showed that while more hydrophilic NPs stabilize better the air/water interface (foams), maximum stabilization in W/O emulsions is achieved with the most hydrophobic NPs, since interaction with continuous phase is optimized. In addition, the presence of different functional groups at the surface of the SiNPs offers the possibility for increased synergy with surfactants, controlling the mixed adsorption at the interface. The potential applications of these results can cover diverse fields such as biomedicine, materials science, oil recovery, cosmetics and food.

[pt] Emulsões podem ser utilizadas como agentes de controle de mobilidade em diferentes processos de recuperação melhorada de petróleo e armazenamento de carbono em reservatórios porosos. A aplicação desta técnica, com a escolha correta das características das emulsões injetadas e a determinação das condições de operação ótimas, requer um entendimento adequado do escoamento de emulsões em meios porosos. As características macroscópicas do fluxo de emulsões através de meios porosos estão diretamente ligadas ao escoamento bifásico na escala de poros. Modelos de rede de capilares permitem a implementação dos mecanismos de fluxo das gotas nas gargantas de poros e fornecem parâmetros macroscópicos do escoamento. Neste trabalho, o escoamento de emulsões em meios porosos é analisado através de um modelo dinâmico de rede de capilares tridimensional e não-estruturada. A distribuição de pressão nos poros, e consequentemente o fluxo em cada capilar da rede, é determinada pelo balanço de massa em cada poro. O efeito das gotas da fase dispersa no comportamento do escoamento em cada elemento da rede é descrito por um fator de bloqueio de fluxo baseado em resultados experimentais de escoamento de emulsões através de micro capilares com gargantas. O fator de bloqueio descreve a mudança da condutividade de cada elemento e é uma função da geometria da garganta, do tamanho e concentração volumétrica da fase dispersa e do número de capilaridade local. A distribuição de concentração da fase dispersa ao longo da rede é descrita através de uma equação de transporte de massa, permitindo assim o estudo do processo de filtragem de gotas nos poros e o estudo da injeção alternada de água e emulsão. A integração no tempo do modelo dinâmico é feita por um método semi-implícito e o sistema de equações não linear obtido a cada passo de tempo é resolvido através de um método iterativo. Os resultados apresentam a evolução da redução da permeabilidade e concentração de gotas na saída do meio poroso em função do tamanho das gotas, da vazão de injeção, da concentração da emulsão injetada e do volume injetado de emulsão. A análise da injeção alternada de água-emulsão mostra claramente o bloqueio de poros por gotas da emulsão e a alteração no padrão de escoamento após reiniciada a injeção de água. / [en] Emulsions can be used as mobility control agents in different enhanced oil recovery and carbon storage methods in oil reservoirs. The application of this technique, with the correct choice of the injected emulsion characteristics and the determination of optimal operating conditions, requires an adequate understanding of the emulsion flow in porous media. The macroscopic characteristics of the emulsion flow through porous media are directly linked to the two-phase flow at the pore scale. Capillary network models allow the implementation of the drop flow mechanisms in the pore throats and the determination of macroscopic flow parameters. In this work, emulsion flow in porous media is analyzed through an unstructured 3D dynamic network model. The pressure distribution, and consequently the flow rate in each capillary of the network, isdetermined by mass balance equation in each pore. The effects of the drops of dispersed phase in the flow behavior within each element of the network is described by a flow blocking factor based on experimental results on emulsion flow through single microcapillary tubes with throats. The blocking factor describes the changes in the conductivity of each element and it is a function of the throat geometry, the size and volumetric concentration of the dispersed phase and the local capillary number. The concentration distribution of the dispersed phase along the network is described by a mass transport equation, allowing the study of the filtration process of the drops in the pores and the analysis of the alternate injection of water and emulsion.Time integration in the dynamic model is performed by a semi-implicit method and the non-linear system of equations obtained in each time step is solved by an iterative method. The results illustrate the evolution of the permeability reduction and the effluent concentration of drops as a function of the drops size, injection flow rate, concentration of the injected emulsion and injected volume of emulsion. The analysis of the emulsion/water alternate injection clearly shows the pore blockage by the emulsion drops and the change in the flow pattern after the reinjection of water.

[pt] Na produção de petróleo, durante a recuperação secundária, a injeção de água no reservatório de petróleo com o objetivo de deslocar o óleo até o poço produtor pode levar a um regime de escoamento bifásico onde ocorre a formação de emulsões. As emulsões são um problema para a indústria do petróleo porque produzem perda de carga nas linhas de produção e tornam difíceis os processos de separação óleo-água, gerando altos custos. Este fenômeno ainda não é bem entendido e não é exclusivo do que ocorre no meio poroso porque também está presente nas diferentes etapas da produção de petróleo. Este trabalho foi focado na formação de emulsões no meio poroso de um reservatório, considerando especialmente o escoamento bifásico na escala de poros. Assim foi utilizada uma junção de micro canais em T para descrever o que poderia acontecer na união de duas gargantas de poros em um reservatório de petróleo. Neste caso utilizamos a técnica de formação de gotas por fluxo cruzado estudada e desenvolvida, nas últimas décadas, na área de micro-fluídica. Através da injeção de dois líquidos imiscíveis nos canais que formam a junção, foi estabelecido um regime estável de formação de gotas. Para estudar a influência das diferentes variáveis do processo na formação de gotas, foram variadas as vazões dos líquidos injetados e suas propriedades, como viscosidades e tensão interfacial. Os resultados mostram que os diferentes regimes de escoamento e formação de gotas observados não são só uma função do número de capilaridade da fase contínua, como sugere a literatura para junções micro-fluídicas T de seção retangular. Nos experimentos desenvolvidos neste trabalho, nos quais a seção reta dos canais é oval e a fase contínua é a fase aquosa, as características da fase dispersa, como vazão e viscosidade, tiveram uma grande influência no processo de formação de gotas. / [en] In oil production, during secondary recovery, water injection into the reservoir to displace oil towards the production well generates different phenomena, among which is emulsion formation. Emulsions are a problem for the oil industry, because they change the pressure drop in production lines and hardens the process of separating oil-water, generating high operating costs. Emulsion formation in oil production is not yet well understood and it does not only occur in porous media, emulsion formation also occurs during different stages of oil production. This work was focused on the emulsion formation in porous media specifically considering the pore scale two phase flow. A T-junction microfluidic device was used as a model of the union of two pore throats in a porous media. We studied droplet formation in cross-flowing streams, a technique studied and developed in the past decade in the area of microfluidics technologies. Through the injection of two immiscible liquids in the channels of the device, we established a stable droplet formation regime. To study the influence of different variables that govern drop formation, we varied the flow rates of both immiscible phases and their properties, such as viscosity and interfacial tension. The results show that the different regimes observed are not only a function of capillary number, defined based on the continuous phase, as suggested in the literature for microfluidic T junctions with rectangular cross section. In our experiments the cross section of the channel had an elliptic shape and the continuous phase was aqueous, and the characteristics of the dispersed phase had a great influence in the process of drop formation.

[pt] Evidências experimentais demonstram o potencial da injeção de emulsões no aumento do fator de recuperação de óleo. O mecanismo responsável por esta melhor varredura do reservatório é a redução da mobilidade da água em regiões do reservatório já varridas por água. Esta redução pode ser associada ao bloqueio parcial de gargantas do meio poroso por gotas da fase dispersa da emulsão. A eficiência deste bloqueio parcial depende fortemente da geometria do poro, das características morfológicas e propriedades físicas da emulsão injetada. A utilização eficiente deste método de recuperação é limitada pela falta de entendimento fundamental de como emulsões escoam através de um meio poroso. Este trabalho tem como objetivo estudar o escoamento de emulsões através de gargantas de poros, que são modeladas fisicamente por micro- capilares com garganta nos experimentos desenvolvidos nesta pesquisa. Os resultados mostram como a permeabilidade varia com as propriedades e características morfológicas da emulsão e parâmetros geométricos do micro-capilar. Estes dados definem as propriedades necessárias de emulsões em função das características do reservatório para a obtenção do efeito de bloqueio parcial desejado e servem de entrada de dados para modelo de rede de capilares de escoamento de emulsões em meios porosos. / [en] Experimental evidences show the potential of emulsion injection in the improvement of oil recovery factor. The responsible mechanism for this better reservoir sweep is the water mobility reduction in regions already swept by water. This reduction can be associated with partial blockage of porous media throats by droplets of emulsion dispersed phase. The efficiency of this partial blockade strongly depends on pore geometry, morphological characteristics and physical properties of the injected emulsion. The efficient use of this recovery method is limited by the lack of fundamental understanding of how emulsions flow through a porous medium. This work aims to study the flow of emulsions through pores throats, which are physically modeled by constricted micro- capillaries in the experiments presented here. The results show how permeability varies with geometrical parameters of micro-capillaries, emulsion properties and morphological characteristics. These data define the necessary properties of emulsions according to the reservoir characteristics to obtain the desired blocking effect and serve as input data to capillaries network model of flow of emulsions in porous media.

[pt] A produção de óleo diminui e a produção de água aumenta com o passar do tempo na vida de um reservatório. A mistura de óleo e água é geralmente produzida na forma de uma emulsão. A formação da emulsão começa no escoamento bifásico no interior do reservatório e sua estrutura muda na medida em que os líquidos escoam através de tubulações, bombas e válvulas até as instalações de superfície. Durante a produção, as gotas maiores da fase dispersa quebram-se mudando a distribuição do tamanho das gotas. É importante conhecer a distribuição de tamanho de gota da fase dispersa da emulsão a fim de projetar as unidades de separação e prever as quedas de pressão ao longo do escoamento. O objetivo do presente trabalho é o estudo do processo de quebra de gotas em capilares retos e válvulas agulha a fim de prever o tamanho das gotas resultantes em função das condições de escoamento. O principal desafio é entender como os diferentes parâmetros operacionais de escoamento afetam o processo de quebra. Duas bancadas experimentais foram utilizadas para o estudo do processo. Na primeira, foi realizada uma análise paramétrica de formação de emulsões em um escoamento laminar através de capilares retos. Os experimentos foram realizados utilizando duas seringas conectadas através de um capilar. A emulsão óleo-emágua foi forçada a uma passagem de ida e vinda através do capilar. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa foram obtidos em função da vazão de injeção, taxa de cisalhamento, tempo de residência e trabalho dissipado na parede do capilar. Como esperado, o diâmetro médio da fase dispersa diminui com o aumento do tempo de cisalhamento atingindo um valor assintótico e possui uma grande dependência com a taxa de cisalhamento na parede do capilar. Na segunda bancada, foi realizada uma análise paramétrica de um escoamento turbulento de emulsão óleo-em-água através de uma válvula agulha. Os experimentos foram realizados utilizando uma bomba helicoidal para controlar a vazão através da válvula. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa a montante e a jusante da válvula foram obtidos em função da queda de pressão, vazão e taxa de dissipação de energia na válvula. O diâmetro médio da fase dispersa diminui e a superfície específica aumenta com o aumento da queda de pressão na válvula agulha até atingir um valor assintótico. / [en] Oil production decreases and water production increases as time goes by in the life of a hydrocarbon reservoir. The mixture of oil and water is usually produced as an emulsion. Emulsion formation starts in the two-phase flow inside the reservoir. The emulsion structure changes as it flows through pipes, pumps and valves up to the surface facilities. During all stages, large drops of the dispersed phase break up leading to smaller drops. It is important to know the droplet size distribution of the dispersed phase in order to design separation units and predict the pressure drop along the flow. The aim of the this work is to study the droplets break-up process that takes place in capillaries and in a needle valve in order to make predictions of the size of the resulting droplets that emerge from this process. The main challenge is to understand how the different operating flow parameters affect the break up process. In order to achieve this goal, two laboratory scale experimental set-ups have been used. In the first experiment, we conducted a parametric analysis of oil-water emulsion formation in laminar flow through straight capillaries. The experiments were carried out using two syringe pumps connected by a double-hubbed capillary pipe. The oil-water emulsion is forced back and forth through the pipe. The mean diameter and the specific surface area of the dispersed phase were obtained as a function of flow rate, shear rate, residence time and rate of energy dissipation at the capillary wall. As expected, keeping all other variables fixed, the dispersed phase mean diameter decreases with the shearing time, reaching an asymptotic value, which was a strong function of the shear rate at the capillary wall. Secondly, we conducted a parametric analysis of turbulent oil-in-water emulsion flow through a needle valve. The experiments were carried out using a helicoidal pump to control the flow rate through the needle valve. The mean diameter and the specific surface area of the dispersed phase upstream and downstream of the valve were obtained as a function of the pressure drop in the valve, flow rate, and rate energy dissipation of the flow. The dispersed phase mean diameter falls and the specific surface area rises with the pressure drop in the valve until reaching an asymptotic value.

[pt] Objetivo: Transporte de emulsões num meio poroso é relevante para diversas aplicações em sub-superfície. Muitos processos de recuperação melhorada de petróleo envolvem formação de emulsões. A modelagem do fluxo de emulsões num meio poroso é extremamente desafiante. As descrições disponíveis baseadas na viscosidade efetiva não são validas quando o tamanho das gotas é da mesma ordem de magnitude que o tamanho dos corpos de poros num meio poroso. Neste caso, intercepção e captura de gotas podem bloquear parcialmente a passagem dos poros e um modelo apropriado deve ser capaz de descrever estas mudanças locais de mobilidade. O modelo desenvolvido neste trabalho é baseado na relação vazão e queda de pressão do escoamento de emulsões através de capilares com constri ção. Um modelo de redes de capilares é construído com objetivo de obter parâmetros macroscópicos a partir do comportamento microscópico. Os resultados mostram a variação da permeabilidade com o número de capilaridade e propriedades da emulsão. Para baixas vazões, ou baixos números de capilaridade, as gotas maiores bloqueiam parcialmente os poros pequenos, resultando em uma redução da permeabilidade. Para altas vazões, o gradiente de pressão em cada capilar é alto o suficiente para forçar as gotas fluir através da constrição. Consequentemente, a permeabilidade aumenta com o número de capilaridade. Um programa, escrito na linguagem Fortran, é desenvolvido neste trabalho para simular o escoamento monofásico e bifásico de emulsões através de um meio poroso utilizando o modelo de rede de capilares. Na modelagem monofásica, os resultados apresentam uma boa concordância com as medidas experimentais feitas em mostras de arenito. Na modelagem bifásica, a comparação dos resultados entre a injeção da fase continua da emulsão e a injeção de emulsões (fase continua mais gotas) sobre uma rede inicialmente saturada com óleo mostra um aumento no fator de recuperação de óleo e uma frente de deslocamento mais uniforme no caso de injeçãode emulsão. / [en] Objective: Transport of emulsions in porous media is relevant to several subsurface applications. Many enhanced oil recovery processes involve emulsion formation and their flow in some form. Modeling the flow of emulsion in porous media is extremely challenging. The available descriptions based on effective viscosity are not valid when the drop size is of the same order of magnitude as the pore-throat size. In this case, drop straining and capturing may partially block the pore passage and an accurate model should be able to describe this local changes on mobility. The model developed in this work is based on the flow rate-pressure drop relationship of emulsion flow through constricted capillaries. A capillary network model is constructed in order to obtain macroscopic parameters from upscaling of the microscopic behavior. The results show how the permeability changes with Darcy velocity and emulsion properties. At low flow rates, the large drops partially block the smallest pores, leading to a low permeability. At high flow rates, the pressure gradient in each capillary is strong enough to force the drops to flow through the constrictions. Consequently, the permeability rises with capillary number. A program, written in Fortram language, based on network model is developed in this work to simulate the single phase and two phase flow of emulsion through a porous medium. In the single phase model, the results show good agreement with experimental measurements on samples of sandstone. In the two phase model, the comparison of results between the injection of the continuous phase of emulsion and the injection of emulsions (with drops) on a network initially saturated with oil shows an increase in the oil recovery factor and a more uniform displacement front in the case of emulsion injection.

[pt] Uma câmera de alta velocidade foi utilizada para visualizar o processo de quebra de gota em um misturador rotor - estator e através de um orifício em um duto em condições de escoamento turbulento. Dois casos especiais foram considerados: quebra de emulsões diluídas e quebra de gotículas de óleo individuais. Dois óleos minerais de viscosidade moderada foram dispersos em duas fases continuas diferentes, água da torneira e uma fase contínua formada por uma mistura de água do mar padrão e o surfactante aniônico STEOL CS-330 (Stepan Company). No caso de quebra no misturador rotor - estator, dois mecanismos foram identificados. Uma fragmentação inicial é causada pela combinação do vórtice (gerado pelo movimento circular do rotor) e a região de jato emergente dos furos do estator. O segundo mecanismo é uma quebra mecânica causada pelas altas taxas de cisalhamento que as gotas sofrem na abertura entre o rotor e o estator. No caso de quebra através do orifício, foi mostrado que a ruptura das gotículas ocorre somente a jusante da restrição, após percorrida certa distancia a partir da borda do orifício. Nesse comprimento de quebra, o gradiente radial de velocidade axial no escoamento é suficientemente grande para superar as tensões resistivas (exercidas pelas gotículas) e produzir a ruptura da gota. Esses resultados estão em concordância com as observações previas feitas por Galinat et al. (2005) para o caso de quebra de gota através de uma placa de orificio. No entanto, a partir das observações feitas neste trabalho, foi possível concluir que o comprimento do orifício não influencia os mecanismos de quebra. Também, a visualização permitiu analisar a influencia relativa da tensão interfacial e da viscosidade da fase dispersa para os dois casos considerados. Dados experimentais do tamanho de gota máximo estável foram obtidos para o caso de quebra de gota de emulsões de óleo em água diluídas nos dois casos estudados. A análise dos dados revelou que os tamanhos de gota máximos estáveis encontravam-se dentro da sub-faixa inercial, caracterizada exclusivamente pela taxa de dissipação de energia por unidade de massa, Épsilon. Um modelo mecanístico linear para a sub-faixa inercial, baseado na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov, foi desenvolvido para ajudar na interpretação dos dados e suprir uma base para correlação. O modelo foi ajustado aos dados experimentais utilizando uma ferramenta de otimização não linear baseada no código GRG2 (Generalized Reduced Gradient), e sua precisão calculada a partir da raiz quadrada media das diferenças entre os dados experimentais e os previstos. Boas previsões foram obtidas para o rompimento no misturador, no entanto, este não foi o caso da quebra através do orifício. A baixa precisão relativa do modelo utilizado para correlacionar a quebra através do orifício reside na falta de consideração da escala de tempo requerida para a ruptura. Além disso, uma regressão linear baseada em um modelo Power Law mostrou que os efeitos interfaciais dominam o processo de quebra de gota na restrição. / [en] A high-speed camera has been used to visualize the drop breakup process at turbulent conditions in a rotor - stator mixer and through an orifice in a pipe. Two special cases were considered: the breakup of diluted emulsions and the breakup of single oil droplets. Two mineral oils of moderate viscosity were dispersed in two different continuous phases, tap water and a continuous phase formed by a mixture of substitute ocean water and the anionic surfactant STEOL CS-330 (Stepan Company). For the case of breakup in the rotor - stator mixer, two mechanisms were identified. An initial fragmentation is caused by the combination of the vortex (generated by the circular motion of the rotor) and the jet zone emerging from the stator holes. The second mechanism is a mechanical breakup caused by the high shear stresses that droplets suffer in the rotor - stator gap. In the case of breakup through an orifice in a pipe, it was shown that breakage only occurs downstream of the restriction and takes place at a certain distance from the edge of the orifice. At this breakup length, the radial velocity gradient in the flow is large enough to overcome the resistance stresses (exerted by the droplet) and produce the rupture of the droplet. These results were in agreement with previous observations made Galinat et al. (2005) for the case of drop breakup through an orifice plate. However, from the observations made in this work, it was possible to conclude that the orifice length does not influence the breakup mechanisms. In addition, visualization has allowed to analyze the relative influence of interfacial tension and dispersed phase viscosity for both cases. Experimental values for the maximum stable drop diameter were obtained for the breakup of diluted oil-in-water emulsions in both studied cases. Analysis of the data revealed that maximum stable drop sizes were in the inertial sub range, characterized exclusively by the energy dissipation rate per unit mass, Epsilon. A linear mechanistic model for the inertial sub-range, based in Kolmogorov s theory of isotropic turbulence, was developed to aid in data interpretation and to provide a basis for correlation. The model was adjusted to experimental data using a nonlinear optimization tool based in the generalized reduced gradient code (GRG2), and its precision was calculated from the root mean squared difference between experimental and predicted data. Good predictions were obtained for the breakup in the mixer; however, this was not the case for the breakup through the orifice. The relative low precision of the model used to correlate the breakup through the restriction lied in the lack of consideration of the time scale required for the breakup. In addition, a linear curve fitting based in a power law model, showed that interfacial effects drive the breakup process in the restriction.

[pt] A produção de petróleo é geralmente acompanhada pela produção de água, que pode estar presente sob forma livre e emulsionada. As emulsões podem ser encontradas em quase todas as fases de produção: nos reservatórios, nos poços produtores, nas facilidades de produção, nos dutos de transporte, no processamento e no armazenamento O sistema de Bombeio Centrifugo Submerso (BCS) é um dos métodos utilizados na indústria para a elevação de petróleo para campos localizados tanto em terra como em mar. Ainda que seja o método de elevação artificial mais apropriado para a produção de petróleo quando há elevada produção de água, a eficiência da bomba é bastante reduzida quando há manuseio de misturas de água e óleo e a formação de emulsões. Este trabalho teve como objetivo o estudo do cisalhamento aos quais os fluidos estão expostos durante a passagem por um estágio de uma Bomba Centrífuga Submersa e seus efeitos no grau de emulsificação da mistura de água e óleo. Foi construído um aparato experimental composto por dois discos, um giratório e um fixo. Ao escoar através destes a mistura de fluidos sofre deformação cisalhante e extensional e seu grau de emulsificação, isto é, tamanho médio e distribuição dos diâmetros de bolhas, é medido a montante e a jusante do dispositivo. / [en] Oil production is usually associated with the production of water, which may be found as a continuous phase or as a dispersed phase, in emulsions. Emulsions may be found in almost all the production stages: in reservoirs, production wells, production facilities, pipelines, in processing and in storage. The Electric Submersible Pump (ESP) is one of the methods employed in the industry to lift oil from fields located on land as well as at sea. Though this is the most appropriate artificial lift method for oil production when a considerable amount of water is produced, a pump’s efficiency is a greatly reduced when mixtures of water and oil are handled and emulsions begin to form. This paper intends to study the shearing imposed to fluids when flowing through a stage in a Electric Submersible Pump, and its effects in the degree of emulsification of the water and oil mixture. An experimental device was assembled consisting in two disks, one that spins and the other fixed. When flowing through them, a mixture of fluids is subjected to shearing and extensional deformation, and its degree of emulsification, i.e.: the average size and the bubble diameter distribution, may be measured upstream and downstream from the device.

[pt] Todos os reservatórios de petróleo apresentam algum grau de fraturamento. Muitas vezes, a presença de fraturas afeta de forma significativa o fluxo dos fluidos nele contidos, seja por incrementarem a permeabilidade do meio, criando caminhos preferenciais de escoamento, seja por imporem algum tipo de barreira ao fluxo. Quando submetidos à injeção de água, reservatórios naturalmente fraturados podem apresentar graves problemas de produção prematura de água e baixíssimas eficiências de varrido. Os estudos realizados neste trabalho procuraram contribuir para o melhor entendimento dos processos de recuperação envolvidos na produção de reservatórios fraturados, bem como o impacto de cada um dos principais parâmetros que condicionam o fluxo no meio poroso fraturado. Foi realizada, ainda, uma análise de possíveis estratégias de drenagem para esse tipo de reservatório. Por fim, foram realizadas simulações para estudar possíveis ganhos da injeção de emulsão de óleo em água, como método de recuperação, em comparação com a injeção de água. / [en] All oil reservoirs have some degree of fracturing. Often, the presence of fractures affects significantly the flow of the fluids contained in the reservoir, increasing the permeability and creating preferential flow paths or by imposing some barrier to the flow. When subjected to waterflooding, naturally fractured reservoirs may have serious problems like early production of water or very low swept efficiencies. The analyses conducted in this study contemplated the understanding of recovery processes involved in the production of fractured reservoirs and the impact of each of the main parameters that influence the flow in fractured porous media. Also, an analysis of possible draining strategies for this type of reservoir was performed. Finally, simulations were performed to study the possible gains of emulsion injection, as a recovery method, compared with water injection.