Apresenta-se um modelo matemático que avalia numericamente a estabilidade do estado estacionário para escoamentos água-ar em sistemas pipeline-riser de geometria variável. Uma análise a partir da teoria de estabilidade linear é aplicada a um modelo matemático adequado ao escoamento água-ar no sistema pipeline-riser. O modelo considera equações de continuidade para a fase líquida e para a fase gasosa, admite-se escoamento unidimensional e em condição isotérmica. O líquido é considerado incompressível enquanto que a fase gasosa é considerada um gás ideal. Admite-se uma equação de momento simplificada para mistura onde despreza-se a inércia (NPW - Modelo No Pressure Wave) e o padrão de escoamento local é definido com base nas condições do escoamento e na inclinação local. Assim, a intermitência severa é controlada principalmente pela gravidade no riser e pela compressibilidade do gás no pipeline. Tanto a correlação de fluxo de deriva quanto o cálculo da queda de pressão por atrito, adotados como lei de fechamento do modelo, são determinados em função do padrão de escoamento. Injeção de gás e válvula de choke são consideradas, respectivamente, na base e no topo do riser. O modelo é aplicado à sistemas pipeline-riser com escoamento água-ar citados na literatura. Os resultados da análise de estabilidade linear numérica são comparados aos resultados experimentais e numéricos apresentando uma excelente concordância. / A mathematical model that numerically evaluates the stability of the stationary state for hilly terrain air-water flows systems is presented. Numerical linear stability analysis is performed to a suitable mathematical model for the two-phase flows in a pipeline-riser system. The mathematical model considers the continuity equations for the liquid and gas phases, one-dimensional flow and isothermal conditions. The liquid is assumed incompressible while the gas phase is considered as an ideal gas. A simplified momentum equation for the mixture, neglecting inertia (NPW - No pressure wave model) is considered and the local flow pattern is defined based on the flow conditions and the local inclination. In this way, severe slugging is controlled mainly by gravity in the riser and compressibility in the pipeline. The void fraction and friction pressure drop, utilized as closure laws, are determined based on the local flow pattern. Gas injection at the bottom of the riser and a choke valve at the top are considered. The model is applied to air-water pipeline-riser systems reported in the literature. Numerical linear stability analysis results are compared with experimental and numerical results reported in the literature with excellent agreement.

Apresenta-se um modelo matemático que avalia numericamente a estabilidade do estado estacionário para escoamentos água-ar em sistemas pipeline-riser de geometria variável. Uma análise a partir da teoria de estabilidade linear é aplicada a um modelo matemático adequado ao escoamento água-ar no sistema pipeline-riser. O modelo considera equações de continuidade para a fase líquida e para a fase gasosa, admite-se escoamento unidimensional e em condição isotérmica. O líquido é considerado incompressível enquanto que a fase gasosa é considerada um gás ideal. Admite-se uma equação de momento simplificada para mistura onde despreza-se a inércia (NPW - Modelo No Pressure Wave) e o padrão de escoamento local é definido com base nas condições do escoamento e na inclinação local. Assim, a intermitência severa é controlada principalmente pela gravidade no riser e pela compressibilidade do gás no pipeline. Tanto a correlação de fluxo de deriva quanto o cálculo da queda de pressão por atrito, adotados como lei de fechamento do modelo, são determinados em função do padrão de escoamento. Injeção de gás e válvula de choke são consideradas, respectivamente, na base e no topo do riser. O modelo é aplicado à sistemas pipeline-riser com escoamento água-ar citados na literatura. Os resultados da análise de estabilidade linear numérica são comparados aos resultados experimentais e numéricos apresentando uma excelente concordância. / A mathematical model that numerically evaluates the stability of the stationary state for hilly terrain air-water flows systems is presented. Numerical linear stability analysis is performed to a suitable mathematical model for the two-phase flows in a pipeline-riser system. The mathematical model considers the continuity equations for the liquid and gas phases, one-dimensional flow and isothermal conditions. The liquid is assumed incompressible while the gas phase is considered as an ideal gas. A simplified momentum equation for the mixture, neglecting inertia (NPW - No pressure wave model) is considered and the local flow pattern is defined based on the flow conditions and the local inclination. In this way, severe slugging is controlled mainly by gravity in the riser and compressibility in the pipeline. The void fraction and friction pressure drop, utilized as closure laws, are determined based on the local flow pattern. Gas injection at the bottom of the riser and a choke valve at the top are considered. The model is applied to air-water pipeline-riser systems reported in the literature. Numerical linear stability analysis results are compared with experimental and numerical results reported in the literature with excellent agreement.

O trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental na bancada do Laboratório Multipropósito de Escoamento Multifásico com o intuito de estudar o fenômeno de intermitência severa em um sistema pipeline-riser com os fluidos água e ar. A intermitência severa pode ocorrer em sistemas pipeline-riser onde o pipeline é descendente seguido de um riser vertical, além de ser necessário a presença de baixas vazões de fluidos. Esse fenômeno é caracterizado por ser cíclico em que há acúmulo de líquido na base do riser e por acabar causando perdas na produção de petróleo e gás devido a grandes flutuações de pressão e vazão que podem durar horas a depender do comprimento do sistema. Os picos de pressão e vazão também podem causar o desligamento do sistema de separação na plataforma. O estudo se dividiu em várias etapas onde inicialmente foram definidos os procedimentos experimentais a serem utilizados. A calibração de placas de orifício foi necessária para o controle de vazão mássica de gás. Os resultados experimentais foram divididos em casos estáveis e instáveis onde a instabilidade é caracterizada pela presença de ciclos de pressão que podem ser observados em históricos de pressão na base do riser. Mapas de estabilidade foram criados e a região instável obtida experimentalmente foi comparada com a curva de estabilidade obtida pelo uso da teoria de estabilidade linear. Os históricos de pressão na base do riser para os casos instáveis obtidos foram comparados com dois modelos numéricos. A variação da pressão no separador foi usada para verificar a mitigação da intermitência severa e/ou da condição instável obtida no sistema para alguns casos instáveis. / The objective of this work is to do an experimental study of the severe slugging phenomenon in the pipeline-riser system of the Multipurpose Multiphase Flow Laboratory by using the fluids air and water. Severe slugging may occur for low flow rates in pipeline-riser systems where a downward pipeline is followed by a vertical riser. In this phenomenon there is liquid accumulation at the bottom of the riser resulting in production losses due to the great fluctuations of pressure and flow rate during its cycles which may last for hours depending on the length of the system. The high pressure values can also cause shutdown of the platform separation system. The first stage of this study was to define the experimental procedure to be adopted. It was necessary to perform a calibration of the orifice plates in order to have a precise control of the gas mass flow rate. The experimental results were divided in stable and unstable cases. The instability is defined by the presence of pressure oscillations at the bottom of the riser. Stability maps were created to compare the stabiliy curve obtained by the stability linear theory with the experimental results. The experimental pressure oscillations were compared with two numerical models. The pressure variation at the separator was studied to verify the mitigation effects during unstable and/or severe slugging conditions.

Um modelo matemático e simulações numéricas são apresentados para investigação da dinâmica do escoamento de gás, óleo e água em sistemas pipeline-riser. O pipeline é modelado como um sistema de parâmetros concentrados e considera dois estados comutáveis: um em que o gás é capaz de penetrar no riser e outro no qual há uma frente de acúmulo de líquido, prevenindo a penetração do gás. O modelo do riser considera um sistema de parâmetros distribuídos, no qual nós móveis são usados para avaliar as condições locais ao longo do subsistema. Efeitos de transferência de massa são modelados utilizando a aproximação de black-oil. O modelo prediz a localização da frente de acúmulo de líquido no pipeline e do nível de líquido no riser, de maneira que é possível determinar qual tipo de intermitência severa ocorre no sistema. O método das características é usado para simplificar a diferenciação no sistema de equações mistas hiperbólicas-parabólicas resultante. As equações são discretizadas e integradas usando um método implícito com um esquema preditor-corretor para o tratamento das não-linearidades. Simulações correspondentes às condições de intermitência severa são apresentadas e comparadas aos resultados obtidos com o código computacional OLGA, resultando em uma boa concordância. Apresenta-se uma descrição dos tipos de intermitência severa para o escoamento trifásico de gás, óleo e água em um sistema pipeline-riser com efeitos de transferência de massa, assim como um estudo da influência de parâmetros geométricos e de caracterização dos fluidos sobre os mapas de estabilidade. / A mathematical model and numerical simulations are presented to investigate the dynamics of gas, oil and water flow in a pipeline-riser system. The pipeline is modeled as a lumped parameter system and considers two switchable states: one in which the gas is able to penetrate into the riser and another in which there is a liquid accumulation front, preventing the gas from penetrating the riser. The riser model considers a distributed parameter system, in which movable nodes are used to evaluate local conditions along the subsystem. Mass transfer effects are modeled by using a black oil approximation. The model predicts the location of the liquid accumulation front in the pipeline and the liquid level in the riser, so it is possible to determine which type of severe slugging occurs in the system. The method of characteristics is used to simplify the differentiation of the resulting mixed hyperbolic-parabolic system of equations. The equations are discretized and integrated using an implicit method with a predictor-corrector scheme for the treatment of the nonlinearities. Simulations corresponding to severe slugging conditions are presented and compared to results obtained with OLGA computer code, showing a very good agreement. A description of the types of severe slugging for the three-phase flow of gas, oil and water in a pipeline-riser system with mass transfer effects is presented, as well as a study of the influence of geometric and fluid characterization parameters on the stability maps.

O trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental na bancada do Laboratório Multipropósito de Escoamento Multifásico com o intuito de estudar o fenômeno de intermitência severa em um sistema pipeline-riser com os fluidos água e ar. A intermitência severa pode ocorrer em sistemas pipeline-riser onde o pipeline é descendente seguido de um riser vertical, além de ser necessário a presença de baixas vazões de fluidos. Esse fenômeno é caracterizado por ser cíclico em que há acúmulo de líquido na base do riser e por acabar causando perdas na produção de petróleo e gás devido a grandes flutuações de pressão e vazão que podem durar horas a depender do comprimento do sistema. Os picos de pressão e vazão também podem causar o desligamento do sistema de separação na plataforma. O estudo se dividiu em várias etapas onde inicialmente foram definidos os procedimentos experimentais a serem utilizados. A calibração de placas de orifício foi necessária para o controle de vazão mássica de gás. Os resultados experimentais foram divididos em casos estáveis e instáveis onde a instabilidade é caracterizada pela presença de ciclos de pressão que podem ser observados em históricos de pressão na base do riser. Mapas de estabilidade foram criados e a região instável obtida experimentalmente foi comparada com a curva de estabilidade obtida pelo uso da teoria de estabilidade linear. Os históricos de pressão na base do riser para os casos instáveis obtidos foram comparados com dois modelos numéricos. A variação da pressão no separador foi usada para verificar a mitigação da intermitência severa e/ou da condição instável obtida no sistema para alguns casos instáveis. / The objective of this work is to do an experimental study of the severe slugging phenomenon in the pipeline-riser system of the Multipurpose Multiphase Flow Laboratory by using the fluids air and water. Severe slugging may occur for low flow rates in pipeline-riser systems where a downward pipeline is followed by a vertical riser. In this phenomenon there is liquid accumulation at the bottom of the riser resulting in production losses due to the great fluctuations of pressure and flow rate during its cycles which may last for hours depending on the length of the system. The high pressure values can also cause shutdown of the platform separation system. The first stage of this study was to define the experimental procedure to be adopted. It was necessary to perform a calibration of the orifice plates in order to have a precise control of the gas mass flow rate. The experimental results were divided in stable and unstable cases. The instability is defined by the presence of pressure oscillations at the bottom of the riser. Stability maps were created to compare the stabiliy curve obtained by the stability linear theory with the experimental results. The experimental pressure oscillations were compared with two numerical models. The pressure variation at the separator was studied to verify the mitigation effects during unstable and/or severe slugging conditions.

Um modelo matemático e simulações numéricas são apresentados para investigação da dinâmica do escoamento de gás, óleo e água em sistemas pipeline-riser. O pipeline é modelado como um sistema de parâmetros concentrados e considera dois estados comutáveis: um em que o gás é capaz de penetrar no riser e outro no qual há uma frente de acúmulo de líquido, prevenindo a penetração do gás. O modelo do riser considera um sistema de parâmetros distribuídos, no qual nós móveis são usados para avaliar as condições locais ao longo do subsistema. Efeitos de transferência de massa são modelados utilizando a aproximação de black-oil. O modelo prediz a localização da frente de acúmulo de líquido no pipeline e do nível de líquido no riser, de maneira que é possível determinar qual tipo de intermitência severa ocorre no sistema. O método das características é usado para simplificar a diferenciação no sistema de equações mistas hiperbólicas-parabólicas resultante. As equações são discretizadas e integradas usando um método implícito com um esquema preditor-corretor para o tratamento das não-linearidades. Simulações correspondentes às condições de intermitência severa são apresentadas e comparadas aos resultados obtidos com o código computacional OLGA, resultando em uma boa concordância. Apresenta-se uma descrição dos tipos de intermitência severa para o escoamento trifásico de gás, óleo e água em um sistema pipeline-riser com efeitos de transferência de massa, assim como um estudo da influência de parâmetros geométricos e de caracterização dos fluidos sobre os mapas de estabilidade. / A mathematical model and numerical simulations are presented to investigate the dynamics of gas, oil and water flow in a pipeline-riser system. The pipeline is modeled as a lumped parameter system and considers two switchable states: one in which the gas is able to penetrate into the riser and another in which there is a liquid accumulation front, preventing the gas from penetrating the riser. The riser model considers a distributed parameter system, in which movable nodes are used to evaluate local conditions along the subsystem. Mass transfer effects are modeled by using a black oil approximation. The model predicts the location of the liquid accumulation front in the pipeline and the liquid level in the riser, so it is possible to determine which type of severe slugging occurs in the system. The method of characteristics is used to simplify the differentiation of the resulting mixed hyperbolic-parabolic system of equations. The equations are discretized and integrated using an implicit method with a predictor-corrector scheme for the treatment of the nonlinearities. Simulations corresponding to severe slugging conditions are presented and compared to results obtained with OLGA computer code, showing a very good agreement. A description of the types of severe slugging for the three-phase flow of gas, oil and water in a pipeline-riser system with mass transfer effects is presented, as well as a study of the influence of geometric and fluid characterization parameters on the stability maps.