Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Marcelo Moreira Ganzarolli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-22T03:35:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Betonico_GustavodeCarvalho_M.pdf: 2382106 bytes, checksum: a84e8f76b2a2dcf28078dd9283ecef59 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para determinação da temperatura do motor de uma bomba centrífuga submersa (BCS) sob condições variáveis de vazão e carga. Este leva em consideração o comportamento acoplado entre o motor, a bomba e o sistema de produção. Assim, dada uma frequência ajustada no variador de frequência, a temperatura do motor é determinada como resultado do equilíbrio entre a produção de calor, calculada a partir da potência que a bomba demanda do motor, e a extração do calor, calculada a partir da vazão. Neste modelo, considera-se a BCS instalada num módulo de bombeamento submarino localizado perto do poço produtor. Foi estudada a transferência de calor por convecção no módulo de bombeio, onde um escoamento descendente ocorre no anular externo entre o revestimento e a camisa de refrigeração e um fluxo ascendente ocorre no anular interno entre a camisa de refrigeração e o motor. Um estudo de transferência de calor por convecção foi elaborado comparando modelos baseados no perfil de temperatura plenamente desenvolvido com modelos que consideram o desenvolvimento da camada limite térmica. Uma vez que o único ponto de medição da temperatura se localiza na extremidade inferior do enrolamento de estator, o modelo desenvolvido neste trabalho também determina a distribuição de temperatura do motor. Um estudo de caso foi realizado com diversas viscosidades de óleo e frações de água. Os resultados mostram a elevação da temperatura do motor, quando sua velocidade é continuamente aumentada. Também se mostrou que, negligenciar os efeitos do desenvolvimento da camada limite térmica, quando ocorre escoamento laminar, pode resultar num motor superaquecido, onde na verdade, a temperatura máxima do motor é muito menor do que o seu limite superior. Modelos baseados no perfil temperatura plenamente desenvolvidos sofrem de imprecisão, quando utilizados em aplicações de fluidos viscosos, devido ao grande comprimento entrada térmica / Abstract: A model to predict the motor temperature of an electrical submersible pump, under variable conditions of flow rate and loading, has been developed. This model takes into account the coupled behavior between motor, pump and production system. Thus, given a frequency set in the variable speed drive, the motor temperature is determined as a result of the equilibrium between the heat generation, calculated from the power that the pump demands from the motor, and the heat extraction, calculated from the flow rate. In this model, the electrical submersible pump is supposed to be installed in a subsea pumping module located near the producer well. It has been studied the convective heat transfer in the pumping module, where a downward flow occurs in the external annulus between the casing and the shroud, and an upward flow happens in the internal annulus between the shroud and the motor. A convective heat transfer study has been run comparing models based on fully developed temperature profile and models that consider the development of the thermal boundary layer. Since the only point of temperature measurement is located at the lower end of the stator winding, the model developed in this work also determines the temperature distribution of the motor. A case study has been run with several oil viscosities and water cut. The results show a motor temperature rise when motor speed is continuously increased. It is also showed that, when laminar flow occurs, neglecting the effect of the thermal boundary layer development may result in an overheated motor prediction where actually, motor maximum temperature is much smaller than its upper limit. Fully developed temperature profile models suffer of inaccuracy when used in viscous fluid applications, due to its big thermal entry length / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T00:41:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Foresti_BernardoPereira_M.pdf: 7267999 bytes, checksum: 1a200bffc0e39d2a529a64080b7ddad0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho buscou-se desenvolver uma metodologia que se valendo de dados de vibração estrutural de carcaça e da operação de uma bomba do bombeio centrífugo submerso (BCS) fosse capaz de identificar parâmetros da operação deste tipo de máquina, tais como: vazão mássica de líquido e gás, diferença de pressão, eficiência e potência mecânica. Para isso foram adaptados os seguintes métodos de diagnóstico de falhas: Método Baseado na Densidade Espectral de Potência, Método Baseado na Função Resposta em Frequência, Método Baseado na Medida de Coerência, Métodos Baseados nos Parâmetros do Modelo (Geométrico e Não-geométrico), Métodos Baseados nos Resíduos do Modelo (Baseado na Variância e Auto-covariância dos Resíduos) e Método Baseado em Modelos Funcionais. Tais métodos requerem a organização de um banco de dados, na fase de levantamento de referências utilizado para comparação com dados obtidos na fase de inspeção, visando à detecção, identificação e estimação da magnitude das falhas e defeitos, conceitos adaptados para o problema apresentado neste trabalho. A metodologia foi aplicada a dois casos: o primeiro, numérico, baseado em dados obtidos da simulação de um sistema de três graus de liberdade foi utilizado para operacionalização da metodologia e antecipação de problemas e dificuldades em sua aplicação. O segundo, experimental, principal foco deste trabalho, baseado em uma bomba utilizada no bombeio centrífugo submerso. Para aplicação da metodologia ao caso experimental, foi elaborado experimento utilizando uma bomba do BCS de quatro estágios instrumentada operando com escoamento bifásico ar-água em diferentes proporções. Resultados indicaram bom desempenho na detecção do tipo de escoamento (monofásico/bifásico), na identificação da vazão mássica de gás escoado e na estimação da vazão de líquido transportado pelo BCS / Abstract: In this research a method using structural vibration and operational data of a pump module normally used with and electrical submersible pump (ESP) has been developed to identify operational parameters, such as: liquid and gas flow rate, differential pressure, efficiency and shaft power. To this end, the following time-series fault detection and identification (FDI) methods were adapted: Power Spectral Density-based Method, Frequency Response Function-based Method, Coherence Measure-based Method, Parameter-based Method (Geometric and Non-geometric), Residual-based Methods (Residual Variance and Residual Uncorrelatedness) and Functional Model-based Method. For FDI, the methods require the set-up of a data base, in the baseline phase used for comparison with data obtained during inspection. The methodology was applied for two cases: A numerical problem based on a three degrees of freedom system, aiming at making functional the programs used and anticipating problematic issues and experimental data from a real ESP pump module, main focus of this work. The experiment consists of measuring structural vibration, and operational data of an ESP pump while varying liquid and gas flow rates keeping shaft speed and suction pressure constant. Results have indicated successful detection of flow type (monophasic/biphasic), identification of the gas flow and estimation of the liquid flow pumped by the ESP pump / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-26T04:52:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Biazussi_JorgeLuiz_D.pdf: 11756361 bytes, checksum: e163630c268ec8b0c1e2a20bc1bdebc9 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A bomba centrífuga submersa (BCS) é uma bomba de múltiplos estágios que tem recebido muita atenção nos últimos anos, devido à sua importância para a elevação artificial de petróleo em altas vazões. Como uma parte do sistema de Elevação Artificial, a BCS é geralmente instalada no interior do poço, a fim de aumentar a vazão ou até mesmo viabilizar a produção. A presença de gás livre no fluido na entrada da bomba provoca uma diminuição do ganho de pressão fornecido pela BCS e pode conduzir a instabilidades na curva de ganho de pressão versus vazão. O objetivo deste trabalho é desenvolver e avaliar o desempenho de um modelo de deslizamento para representar o ganho de pressão em uma ampla faixa de vazão de líquido de uma BCS. Para este propósito foram realizados testes experimentais em laboratório para três BCS diferentes que operam com misturas ar - água. Especificamente, o ganho de pressão e a potência de eixo foram medidos em diferentes vazões de líquido, de gás, de pressões de entrada e rotação. Os resultados dos testes de água monofásicos foram interpretados por ajuste dos dados com um modelo de correlação genérico para o ganho de pressão e potência, tentando descrever todos os fenômenos físicos envolvidos no escoamento nos canais rotativos. Os resultados dos testes bifásicos foram discutidos em termos dos efeitos da fração de vazio, da pressão de admissão, da velocidade de rotação e da geometria da bomba. Um modelo de deslizamento para escoamento em bolhas foi proposto para representar o ganho de pressão e também foi utilizado para expressar a potência de eixo. Os dois parâmetros envolvidos no modelo, ou seja, C0 e kb?, foram ajustados aos dados e mostrou a capacidade desta abordagem em capturar as principais tendências das curvas experimentais. O parâmetro de distribuição C0 foi, em todos os casos, significativamente menor do que um, confirmando os resultados de outros autores, em escoamento bifásico descendente em tubos. Além disso, este resultado indica que os perfis de velocidade e de distribuição de fase são distorcidos pelo campo centrífugo e de Coriolis. O parâmetro kb? foi significativo apenas para a bomba radial de menor vazão, o que confirma a ideia de que para altas vazões de líquido, as bolhas de gás são dispersadas através do líquido e o deslizamento torna-se insignificante / Abstract: The Electrical Submersible Pump (ESP) is a multiple stage pump which has been receiving a lot of attention in recent years in due to its importance for the Artificial Lift of petroleum at high flow rates. As a part of the AL system, the ESP is often installed inside the well in order to either viabilize the production or increase its flow rate. The presence of free gas within the fluid entering the pump causes a decrease in the head provided by the ESP and may lead to instabilities in the head-capacity curve. The aim of this work is to develop and evaluate the performance of a drift flux model to represent the head in the entire liquid flow rate range of an ESP. For this purpose, experimental performance tests to determine the characteristic curves were performed in laboratory for three different ESPs operating with water and water-air mixtures. Specifically, the head and brakehorsepower were measured at different flow liquid and gas flow rates, inlet pressures and rotation speeds. The results from the single-phase water tests were interpreted by fitting generic correlation models for the head and power to the data, trying to describe all basic phenomena involved in the rotating channel flow. The results from the two-phase runs were discussed in terms of the effects of the mixture composition, intake pressure, rotation speed and pump geometry. A drift flux model for bubbly flow was proposed to represent the head and also used to express the power. The two parameters involved in the model, namely C0 and kb? , were fitted to the data and showed good capability of this approach to capture the main trends of the experimental curves. The distribution parameter C0 was in all cases significantly lower than one, confirming the findings by other authors in two-phase downward pipe flow. Also, this result indicates that the velocity and phase distribution profiles are distorted by both the centripetal and Coriolis fields. The drift parameter kb? was significant for the smallest capacity radial pump only, confirming the idea that at sufficiently high liquid flow rates, the gas bubbles are dispersed through the liquid and drift becomes negligible / Doutorado / Explotação / Doutor em Ciências e Engenharia de Petróleo