Propõe-se o estudo do separador gravitacional de fundo de poço do tipo shroud invertido para poços direcionais e horizontais. A geometria inovadora é observada pela inclinação imposta, solução que transforma um escoamento vertical descendente, veloz e caótico, num escoamento inclinado e segregado em canal livre. Com a inclinação, minimizasse a incorporação de gás, no impacto do escoamento em superfície livre contra a interface de líquido formada pelo nível do anular interno (NAI), e a segregação é incrementada devido ao gradiente de velocidades e ao aparecimento da componente da gravidade na direção radial do poço de petróleo. O trabalho experimental tem como uma de suas metas o levantamento da eficiência de separação em função das vazões de líquido e gás, do ângulo de inclinação e o grau de interferência do escoamento no duto anular formado entre o separador e a parede do poço de petróleo, chamado neste trabalho de anular externo. Foi feito um trabalho de semelhança dimensional e foram detectados os números adimensionais pertinentes ao problema. Constatou-se que a vazão de gás e o escoamento no anular externo não interferem na eficiência de separação. Além disso, foi realizado um trabalho de caracterização dos padrões do escoamento gás-líquido em duto anular, através de visualização e análise no domínio do tempo e da frequência do sinal dinâmico da queda de pressão. Também são propostos dois modelos matemáticos, um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos fundamentais, que foi capaz de prever com eficácia a região de máxima eficiência do separador shroud invertido, e um modelo numérico, que reproduziu a fenomenologia do processo de separação do gás. / This research project proposes the study of the inverted-shroud gravitational gas separator for directional and horizontal wells. The innovative geometry is observed by the inclination that transforms a vertical, fast and chaotic downward flow into an inclined and segregated free channel flow. Due to inclination, the incorporation of gas at the internal gasliquid interface (NAI) is minimized; the segregation is increased due to the velocity gradient and the gravitational term that arises in the radial direction of the oil well. One of the aims of the experimental work is the obtaining of new data of gas separation efficiency as a function of the flow of liquid and gas, inclination angle and the evaluation of the degree of interference of the external annular duct flow. A dimensional analysis was undertaken to identify the relevant dimensionless numbers. It was found that the gas flow and the flow pattern in the external annular duct do not interfere in the separation efficiency. A flow pattern characterization was carried out through visualization and time and frequency domain analysis of differential pressure signature signal. Two mathematical models are proposed, a phenomenological model based on fundamental physical principles, which was able to predict with good accuracy the region of maximum separation efficiency, and a numerical model, which reproduced the phenomenology of the gas separation process.

O presente trabalho apresenta um estudo associado à separação de gás para escoamento gás-líquido em um duto anular inclinado. Esse tipo de escoamento e geometria são encontrados em separadores de gás do tipo shroud invertido na indústria de petróleo quando utilizadas técnicas de bombeamento para a exploração de poços. A presença de gás livre a montante da bomba é uma das maiores limitações dos sistemas de bombeamento, por acarretar cavitação e falhas dinâmicas nos equipamentos. O presente estudo tem por objetivo garantir a separação total de gás livre a montante da bomba através da proposição de um separador do tipo shroud invertido em tubulação inclinada para aplicação na exploração de petróleo em poços direcionais. Um estudo experimental com ar e água como fluidos de trabalho a pressão quase atmosférica foi desenvolvido visando a compreensão da fenomenologia do separador shroud invertido. Foram observados escoamentos em duto anular do tipo: bifásico gás-líquido ascendente, monofásico em canal livre e bifásico gás-líquido descendente devido ao fenômeno de aeração; foram coletados também dados de eficiência de separação em função do ângulo de inclinação, vazão do líquido e queda de pressão entre o shroud e a saída do tubo de produção. Encontrou-se uma variável de extrema importância no fenômeno de separação até agora não reportada na literatura: o nível do anular interno do shroud (NAI). Um modelo fenomenológico que prevê a separação total do gás foi desenvolvido a partir da interpretação dos fenômenos físicos observados experimentalmente. Uma correlação inédita para a modelagem do fenômeno de dissipação de energia cinética turbulenta vinculado à separação do gás é proposta. O modelo foi validado qualitativamente com dados da literatura e ajustado com os dados coletados neste trabalho, mostrando boa concordância. / This paper presents a study associated with gas separation in an inclined gas-liquid annular-duct flow. This type of flow and geometry are found in shroud-inverted gas separators applied to petroleum industries when using pumping technique for oil production. High void fraction at the pump suction of is one of the most important limitations of the SCP technique, causing cavitation and dynamics failures in the equipment. The present study aims to provide a solution for the total gas separation through the use of an innovative inclined inverted-shroud separator for directional wells. An experimental study, where air and water at near atmospheric pressure constituted the working fluids, was carried out to understand the phenomenology of the inclined inverted-shroud separator. Different annular-duct flows were observed: upward gas-liquid flow, single-phase open channel flow, downward gas-liquid flow due to the phenomenon of aeration; also new data of separation efficiency were collected as a function of inclination angle, liquid flow rate and pressure drop between the shroud and production pipe outlet. One of the most significant findings is that the liquid level of the inner annular channel (NAI) of the shroud is a very important variable in the phenomenon of separation; so far this was not reported in the literature. Based on the observations, a phenomenological model that predicts total gas separation is proposed. A new correlation for the modeling of the dissipation of turbulent kinetic energy associated with the gas separation is presented. The model was qualitatively compared with available data from the literature and quantitatively adjusted against the new experimental data obtained in this work, and the agreement was quite good.

O presente trabalho apresenta um estudo associado à separação de gás para escoamento gás-líquido em um duto anular inclinado. Esse tipo de escoamento e geometria são encontrados em separadores de gás do tipo shroud invertido na indústria de petróleo quando utilizadas técnicas de bombeamento para a exploração de poços. A presença de gás livre a montante da bomba é uma das maiores limitações dos sistemas de bombeamento, por acarretar cavitação e falhas dinâmicas nos equipamentos. O presente estudo tem por objetivo garantir a separação total de gás livre a montante da bomba através da proposição de um separador do tipo shroud invertido em tubulação inclinada para aplicação na exploração de petróleo em poços direcionais. Um estudo experimental com ar e água como fluidos de trabalho a pressão quase atmosférica foi desenvolvido visando a compreensão da fenomenologia do separador shroud invertido. Foram observados escoamentos em duto anular do tipo: bifásico gás-líquido ascendente, monofásico em canal livre e bifásico gás-líquido descendente devido ao fenômeno de aeração; foram coletados também dados de eficiência de separação em função do ângulo de inclinação, vazão do líquido e queda de pressão entre o shroud e a saída do tubo de produção. Encontrou-se uma variável de extrema importância no fenômeno de separação até agora não reportada na literatura: o nível do anular interno do shroud (NAI). Um modelo fenomenológico que prevê a separação total do gás foi desenvolvido a partir da interpretação dos fenômenos físicos observados experimentalmente. Uma correlação inédita para a modelagem do fenômeno de dissipação de energia cinética turbulenta vinculado à separação do gás é proposta. O modelo foi validado qualitativamente com dados da literatura e ajustado com os dados coletados neste trabalho, mostrando boa concordância. / This paper presents a study associated with gas separation in an inclined gas-liquid annular-duct flow. This type of flow and geometry are found in shroud-inverted gas separators applied to petroleum industries when using pumping technique for oil production. High void fraction at the pump suction of is one of the most important limitations of the SCP technique, causing cavitation and dynamics failures in the equipment. The present study aims to provide a solution for the total gas separation through the use of an innovative inclined inverted-shroud separator for directional wells. An experimental study, where air and water at near atmospheric pressure constituted the working fluids, was carried out to understand the phenomenology of the inclined inverted-shroud separator. Different annular-duct flows were observed: upward gas-liquid flow, single-phase open channel flow, downward gas-liquid flow due to the phenomenon of aeration; also new data of separation efficiency were collected as a function of inclination angle, liquid flow rate and pressure drop between the shroud and production pipe outlet. One of the most significant findings is that the liquid level of the inner annular channel (NAI) of the shroud is a very important variable in the phenomenon of separation; so far this was not reported in the literature. Based on the observations, a phenomenological model that predicts total gas separation is proposed. A new correlation for the modeling of the dissipation of turbulent kinetic energy associated with the gas separation is presented. The model was qualitatively compared with available data from the literature and quantitatively adjusted against the new experimental data obtained in this work, and the agreement was quite good.

Propõe-se o estudo do separador gravitacional de fundo de poço do tipo shroud invertido para poços direcionais e horizontais. A geometria inovadora é observada pela inclinação imposta, solução que transforma um escoamento vertical descendente, veloz e caótico, num escoamento inclinado e segregado em canal livre. Com a inclinação, minimizasse a incorporação de gás, no impacto do escoamento em superfície livre contra a interface de líquido formada pelo nível do anular interno (NAI), e a segregação é incrementada devido ao gradiente de velocidades e ao aparecimento da componente da gravidade na direção radial do poço de petróleo. O trabalho experimental tem como uma de suas metas o levantamento da eficiência de separação em função das vazões de líquido e gás, do ângulo de inclinação e o grau de interferência do escoamento no duto anular formado entre o separador e a parede do poço de petróleo, chamado neste trabalho de anular externo. Foi feito um trabalho de semelhança dimensional e foram detectados os números adimensionais pertinentes ao problema. Constatou-se que a vazão de gás e o escoamento no anular externo não interferem na eficiência de separação. Além disso, foi realizado um trabalho de caracterização dos padrões do escoamento gás-líquido em duto anular, através de visualização e análise no domínio do tempo e da frequência do sinal dinâmico da queda de pressão. Também são propostos dois modelos matemáticos, um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos fundamentais, que foi capaz de prever com eficácia a região de máxima eficiência do separador shroud invertido, e um modelo numérico, que reproduziu a fenomenologia do processo de separação do gás. / This research project proposes the study of the inverted-shroud gravitational gas separator for directional and horizontal wells. The innovative geometry is observed by the inclination that transforms a vertical, fast and chaotic downward flow into an inclined and segregated free channel flow. Due to inclination, the incorporation of gas at the internal gasliquid interface (NAI) is minimized; the segregation is increased due to the velocity gradient and the gravitational term that arises in the radial direction of the oil well. One of the aims of the experimental work is the obtaining of new data of gas separation efficiency as a function of the flow of liquid and gas, inclination angle and the evaluation of the degree of interference of the external annular duct flow. A dimensional analysis was undertaken to identify the relevant dimensionless numbers. It was found that the gas flow and the flow pattern in the external annular duct do not interfere in the separation efficiency. A flow pattern characterization was carried out through visualization and time and frequency domain analysis of differential pressure signature signal. Two mathematical models are proposed, a phenomenological model based on fundamental physical principles, which was able to predict with good accuracy the region of maximum separation efficiency, and a numerical model, which reproduced the phenomenology of the gas separation process.