Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1073681 bytes, checksum: 6d982431f3e257485aec3e0a61ea8934 (MD5) Previous issue date: 2011-11-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work points to a detailed study of the mechanisms involved in the expansion and flow in short tube orifices. The flow unlike the vast majority of available works in the literature is at the first step addressed through a viscous formulation using boundary layer equations. The equations in this proposal are presented in a way that make it difficult or impossible to approach a solution via the traditional mathematical techniques, such as separation of variables, Green's functions among others. To resolve the issue will be used in formulating the proposed Generalized Integral Transform technique, in addition to the equations of continuity and the momentum, be able to solve the energy equation in the enthalpy formulation. The enthalpy formulation is used to capture the effect of expansion in the short tube orifices. The results will be presented as adimensionalized for hydrodynamic and thermal fields and parameters of practical interest in engineering. / O presente trabalho aponta para um estudo aprofundado dos mecanismos envolvidos queda de pressão e escoamento em dutos curtos de orifício. O escoamento diferentemente da grande maioria dos trabalhos disponíveis na literatura é na primeira etapa abordado através de uma formulação viscosa através de equações de camada limite. As equações na presente proposta se apresentam numa forma que dificultam ou até impossibilitam uma abordagem de soluções via técnicas matemáticas tradicionais, tais como, separação de variáveis, funções de Green entre outras. Para resolver o problema na formulação proposta é empregada a técnica da Transformada Integral Generalizada, para além das equações da continuidade de movimento, poder resolver simultaneamente a equação da energia na formulação entálpica. A formulação entálpica será utilizada para quantificar o efeito da expansão nos short tube orifices. Os resultados obtidos serão apresentados na forma adimensionalizada para os campos Hidrodinâmico e Térmico e parâmetros de interesse práticos na engenharia.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-01-05T16:51:31Z No. of bitstreams: 1 LucasDaSilvaMoraes_DISSERT.pdf: 5039451 bytes, checksum: fb1fce3fc0cb32b8b90727afb4b2b99f (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-01-08T17:38:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 LucasDaSilvaMoraes_DISSERT.pdf: 5039451 bytes, checksum: fb1fce3fc0cb32b8b90727afb4b2b99f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-08T17:38:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LucasDaSilvaMoraes_DISSERT.pdf: 5039451 bytes, checksum: fb1fce3fc0cb32b8b90727afb4b2b99f (MD5) Previous issue date: 2014-11-03 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Os problemas relacionados ?s intera??es longitudinais em dutos enterrados se caracterizam como tridimensionais, podendo gerar in?meras situa??es particulares no comportamento solo-duto. Em rela??o ao avan?o nas pesquisas na ?rea de dutos enterrados, ainda ? pequena a aten??o ao tema ao longo das ?ltimas d?cadas, visto que a maioria dos trabalhos simplifica o problema analisado considerando-o em deforma??o plana. O presente trabalho tem como objetivo apresentar um estudo sobre o comportamento de dutos enterrados sujeitos a eleva??o ou recalque localizado, atrav?s de simula??es num?ricas em tr?s dimens?es. Como ferramenta num?rica foi utilizado o aplicativo computacional Plaxis 3D, o qual utiliza o m?todo dos elementos finitos. Foram avaliados aspectos espec?ficos da modelagem num?rica e realizadas an?lises param?tricas em que se investigaram os efeitos do arqueamento do solo de forma tridimensional. As principais vari?veis investigadas foram: densidade relativa do solo, deslocamento da zona de eleva??o ou recalque, faixa da zona elevada, altura de recobrimento e a rela??o di?metro/espessura do duto. As simula??es foram realizadas em duas etapas distintas, sendo na primeira feita a valida??o das an?lises num?ricas atrav?s dos modelos f?sicos de Costa (2005). Em seguida, foram realizadas an?lises num?ricas de um oleoduto em um caso espec?fico de obra, considerando o mesmo submetido ? eleva??o localizada. Os resultados obtidos permitiram a valida??o do modelo num?rico face aos resultados dos experimentos de Costa (2005), a iv avalia??o detalhada da redistribui??o das tens?es no maci?o e das deflex?es ao longo do duto, bem como a avalia??o do desenvolvimento do arqueamento no solo. Foi verificada a redu??o das tens?es no maci?o e nas deflex?es no duto ao se diminuir a altura de recobrimento do duto nas regi?es que possam deflagrar a eleva??o localizada. Tamb?m foi verificado que os esfor?os longitudinais foram superiores aos circunferenciais para situa??o analisada, inclusive ultrapassando as tens?es e deflex?es admiss?veis. Al?m disso, foram observados os benef?cios das t?cnicas de minimiza??o das tens?es como a falsa trincheira, ber?o compress?vel e a combina??o de ambas aplicadas ao oleoduto simulado / Problems associated to longitudinal interactions in buried pipelines are characterized as three-dimensional and can lead to different soil-pipe issues. Despite the progress achieved in research on buried pipelines, little attention has been given to the three-dimensional nature of the problem throughout the last decades. Most of researches simplify the problem by considering it in plane strain condition. This dissertation aims to present a study on the behavior of buried pipelines under local settlement or elevation, using three-dimensional simulations. Finite element code Plaxis 3D was used for the simulations. Particular aspects of the numerical modeling were evaluated and parametric analyzes were performed, was investigated the effects of soil arching in three-dimensional form. The main variables investigated were as follows: relative density, displacement of the elevation or settlement zone, elevated zone size, height of soil cover and pipe diameter/thickness ratio. The simulations were performed in two stages. The first stage was involved the validation of the numerical analysis using the physical models put forward by Costa (2005). In the second stage, numerical analyzes of a full-scale pipeline subjected to a localized elevation were performed. The obtained results allowed a detailed evaluation of the redistribution of stresses in the soil mass and the deflections along the pipe. It was observed the reduction of stresses in the soil mass and pipe deflections when the height of soil cover was decreased on regions of the pipe subjected to elevation. It was also shown for the analyzed situation that longitudinal thrusts were higher than vi circumferential trusts and exceeded the allowable stresses and deflections. Furthermore, the benefits of minimizing stress with technical as the false trench, compressible cradle and a combination of both applied to the simulated pipeline were verified

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um aparato experimental para estudar, em modelo físico de escala reduzida, o comportamento mecânico de um duto enterrado submetido a variações do estado de tensões da massa de solo circundante e a um potencial movimento de massa gravitacional, com avaliação concomitante das deformações desenvolvidas no solo por meio da técnica de correlação de imagens digitais. A alteração do estado de tensão no maciço foi feita por meio da aplicação de incrementos de inclinação ao modelo. Foram realizados ensaios com o duto nas posições transversal e longitudinal no interior da caixa de ensaios, enterrado em areia pura e seca, com razão entre altura de cobertura e diâmetro do duto de 3,55. A compacidade do maciço, controlada por meio da utilização da técnica de chuva de areia, foi avaliada nas situações densa (D = 111,5 %) e fofa (Dr = 58,2%). O comportamento mecânico do duto foi avaliado por meio de instrumentação para medição da deformação específica e deflexão da parede, sendo verificado efeito de flexão lateral no duto disposto na transversal, com maiores deformações observadas na situação de maciço fofo. Para o duto disposto na longitudinal, maiores deformações específicas foram observadas para a seção instrumentada central na situação de maciço denso, contudo verificou-se a necessidade de realização de ensaios adicionais para elucidação dos resultados, em termos da interação solo/tubo ao longo do comprimento do elemento. Para a utilização da técnica de correlação de imagens digitais, as imagens foram adquiridas em um ambiente com iluminação padronizada e resolução de partícula igual a 4. A qualidade da textura da imagem foi garantida por meio da preparação de material com adição de 20% de areia colorida. O refinamento da malha de análise, avaliado por meio da alteração do tamanho dos subsets e espaçamento entre subsets, não exerceu grande influência nos campos de deslocamentos obtidos, porém maiores refinamentos permitiram extrair observações mais detalhadas do campo de deformações. A utilização da técnica permitiu ainda avaliar a evolução dos vetores de deslocamento ao longo das etapas de inclinação e a influência do duto enterrado, na posição transversal, nos deslocamentos das partículas de solo circundante. / The present work aims the development of an experimental apparatus to study the behavior of a buried pipe under different soil stress states and potential landslides in a small-scale physical model. Digital image correlation technique is also used to evaluate soil deformation. A controlled slope increment squeme were responsible for soil stress state changes. The tests were performed with the model pipe buried in pure dry sand with a buried depth ratio of 3.55. A series of four tests involving two pipe configurations inside the test box (transversal and longitudinal) and two relative density (111.5% and 58.2%) was conducted. Soil density was controlled by pluviation method. The model pipe was instrumented in order to evaluate its behavior in terms of linear strain and deflection of the pipe wall. For the transversely disposed pipe, it was observed lateral bending effect and larger strains when buried in loose sand. For the longitudinally diposed pipe, the largest strains occurred in the pipe central cross section and in the tests conducted in dense sand. Nevertheless, additional testing is needed to better clarify the results, in terms of soil/pipe interaction along the pipe length. Daily digital images were acquired under standardized conditions of illumination for the use of digital image correlation technique. The particle/pixel size ratio was set equal to 4. Image texture quality was improved by adding 20% colored sand to the material used in the investigation. The level of refinement of the analysis mesh, evaluated by varying the subset size and the spacing of subsets, did not shown significant effect in the displacement fields. However, finer meshes allowed more detailed observations in the engineering shear strain fields obtained. Additionally, the digital image correlation technique allowed the evaluation of the displacement vectors evolution along the different slope stages considered. Moreover, this technique also captured the effect of the transversely disposed pipe on surrounding soil particles displacements.

[pt] O presente trabalho descreve os experimentos realizados para estudar os efeitos da adição de polímeros sobre os perfis de velocidade de um escoamento turbulento desenvolvido. O objetivo é estudar os mecanismos de redução de arraste observando os efeitos causados nos perfis de velocidade e intensidade de turbulência utilizando a velocimetria por imagem de partículas (PIV) na sua forma estereoscópica como técnica experimental para medição do campo completo de velocidade tri-dimensional. Para a realização dos experimentos foi especialmente projetada e construída uma seção de testes que permitisse a realização de medidas de queda de pressão, além da medição de velocidades utilizando a técnica óptica SPIV. Conseguiu-se uma redução no atrito da ordem de 50% antes da degradação do polímero. Foi possível mostrar que o efeito da redução de arraste pela adição de polímeros depende diretamente do número de Reynolds do escoamento. Para Reynolds baixo (< 10(3)) não foi observada redução na perda de carga. No campo médio de velocidades foi observado um alargamento da camada de transição para o escoamento com a adição de polímeros, gerando um deslocamento do perfil de velocidades na região logarítmica. / [en] The present work is an experimental study of the characteristics of a drag reduced turbulent pipe flow. The main goal of the study is to measure the differences in the mean velocity and turbulence profiles between the Newtonian flow and the drag reduced flow using the stereoscopic particle image velocimetry (SPIV). It has been designed and built a loop test to perform the experiments. The loop test should allow the measurement of the pressure drop and the velocity field with the SPIV. It has been achieved a drag reduction of 50% before the polymer degradation. It was shown that drag reduction strongly depends on the Reynolds number. For low Reynolds number (< 10(3)) there was no drag reduction. In the mean velocity field it has been seen that the buffer layer is thickened, with causes an upward shift of the logarithmic profile for the drag reduced flow.

[pt] O fato que a dissolução de pequenas quantidades de polímero de cadeias moleculares longas em fluxo turbulento através dutos reduz drasticamente o atrito, é conhecido há muitos anos. No entanto, muitos aspectos fundamentais deste fenômeno ainda não são bem compreendidos, particularmente os mecanismos de interação entre o polímero e o solvente. O presente trabalho descreve os resultados de um estudo voltado para fornecer informações detalhadas sobre as características da turbulência no escoamento de água com aditivo polimérico através de tubos. Para isto, foram realizados experimentos para medir o campo instantâneo de velocidade em uma seção longitudinal de um tubo, empregando a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem, PIV, em sua versão bidimensional. As grandezas estatísticas turbulentas foram obtidas a partir de uma série de 2.500 campos instantâneos de velocidade medidos para cada configuração de escoamento caracterizada pelo número de Reynolds e pela concentração de polímero em água. Foram medidos campos de velocidade média, de flutuações de velocidade dadas por valores RMS e perfis de tensão turbulenta. Especial atenção foi dedicada ao projeto da seção de testes, de modo a minimizar as distorções de imagem junto à parede do tubo. Na região de visualização, a parede do tubo foi usinada com uma espessura de 500 μm para minimizar a refração óptica da superfície curva. Esta tubulação de paredes finas, em combinação com uma caixa de acrílico preenchida com água posicionada ao redor do tubo, permitiu medições de velocidade com a técnica PIV em posições a cerca de 250 μm da parede do tubo, o que equivale a menos de 10 unidades em coordenadas de parede. A análise dos campos de deslocamento das partículas traçadoras nas imagens capturadas empregou uma combinação da técnica PIV clássica com técnicas de acompanhamento de partículas, resultando em medidas com resolução espacial substancialmente melhorada. Os testes foram conduzidos para uma faixa de números de Reynolds de 23000 a 80000, e para 20 ppm de concentração de polímero Superfloc A110 em água. As medidas da queda de pressão indicaram reduções no coeficiente de atrito da ordem de 50%. Os resultados obtidos demonstraram que a presença do aditivo polimérico produz alterações na estrutura do escoamento turbulento junto à parede, o que se reflete em mudanças na camada de amortecimento do perfil de velocidade. / [en] The fact that dissolving a minuscule amount of long-chain polymer molecules in a turbulent pipe flow reduces drastically the frictional drag, has been known for many years. However, many fundamental aspects of this phenomenon are still not well understood, particularly the mechanisms of interaction between the polymer and the solvent. The present paper describes the results of an ongoing project aimed at providing detailed information on the turbulence characteristics of turbulent pipe flow of water with polymer additive. To this end, an experimental program was conducted for measuring the instantaneous longitudinal velocity field employing a two-dimensional Particle Image Velocimetry technique – PIV. Turbulence statistics were obtained from a series of approximately 2500 instantaneous velocity fields measured for each flow configuration characterized by the pipe Reynolds number and the polymer concentration. Profiles of Time-averaged velocity, RMS velocity fluctuations and turbulent shear stresses were measured. Special attention was dedicated to the test section design so as to minimize image distortions close to the pipe wall. At the visualization region, the pipe wall was machined to a thickness of 500 μm to minimize optical refraction of the curved surface. This thin-walled pipe in combination with a plexiglass box filled the water surrounding the pipe, allowed for PIV velocity measurements at approximately 250 μm from the pipe wall, which is equivalent to less than 10 wall units. A combination of classical PIV with particle tracking techniques was employed in the analysis of the particle displacements, what substantially enhanced the spatial resolution of the measurements. Tests were conducted for a Reynolds number range from 23000 to 80000, and for 20 ppm of Superfloc A110 polymer in water. Wall pressure measurements indicated reductions in the friction factor of the order of 50%. The results obtained demonstrated that the presence of the polymer additive alters the turbulence structure at the wall, what produces a shift in the buffer layer of the velocity profile.

[pt] O objetivo desta dissertação é analisar metrologicamente a aplicação de acelerômetros piezoelétricos à medição de vazão na indústria petrolífera. A motivação deste trabalho é analisar uma técnica de medição de vazão, recentemente desenvolvida, baseada na vibração captada por um acelerômetro ligado à superfície do duto. A metodologia do presente trabalho consistiu em realizar um estudo experimental para obtenção de dados em um laboratório acreditado de calibração de medidores de vazão, estimando-se uma vazão para cada vibração medida, acompanhada por uma análise de incertezas. Os resultados obtidos não estão conformes aos limites aceitáveis do ponto de vista da regulamentação para aplicação em medição de vazão na indústria petrolífera, no que se refere à medição fiscal e à medição para apropriação, segundo o Regulamento Técnico de Medição de Petróleo e Gás Natural (RTM). Contudo, a aplicação de acelerômetros ainda mostra-se oportuna à medição de vazão na indústria petrolífera, apesar da incerteza encontrada não adequar-se à regulamentação vigente para o setor, pois pode ser adotada para fins de medição operacional, na medição de água, sem interferir na instalação, de modo não invasivo e não intrusivo. / [en] The objective of this dissertation is to analyze metrologically the application of piezoelectric accelerometers in the measurement of flow rate in the oil industry. The motivation of this work is to analyze a technique of flow measurement, recently developed, based on the vibration captured by an accelerometer attached to the pipe surface. The methodology of this study consists of performing an experimental study to obtain data in an accredited laboratory for calibration of flowmeters, estimating a flow rate for each vibration measured accompanied by an uncertainty analysis. The results do not conform to acceptable limits from the viewpoint of the regulation for application in flow measurement in the oil industry, in that refers to the fiscal metering and to the measurement for appropriation, in accordance with the Technical Rules of Measurement of Petroleum and Natural Gas (RTM). However, the use of accelerometers still can be useful to measure flow rates in the oil industry, despite the uncertainty being not suitable for the current regulation of the sector, because it can be adopted in the operational measurement of water flow, without interfering in the installation, so being non-invasive and non-intrusive.

[pt] Este trabalho aborda uma análise do problema de interação solo-duto através de modelagem em centrífuga da movimentação lateral e axial de dutos em modelos de areia submersa. Foi quantificada a resposta do solo ante a movimentação do duto em termos de mobilização das resistências pico (breakout), da evolução das forças resistentes durante a formação das bermas, e das trajetórias de forças vertical-lateral/axial combinadas que definem uma possível envoltória de fluência. Foi adotada uma simplificação básica dos cenários encontrados comumente na prática offshore. Para tanto, foram realizadas duas séries de ensaios em centrífuga geotécnica, aplicando deslocamentos laterais e axiais controlados em dutos com células de carga horizontal e vertical. Analisou-se históricos de carregamento plausíveis de acontecer no processo de lançamento do duto. Avaliou-se a influência do relaxamento das forças verticais decorrentes do enterramento do duto na mobilização das resistências lateral e axial. Resultados típicos dos ensaios são apresentados. Foi identificada a variação da resistência mobilizada, em termos de forças de breakout e forças máximas nas bermas, em função à relação entre as forças verticais de enterramento e as forças verticais no início da movimentação do duto. Os resultados revelam superfícies de fluência parabólicas em condições de carregamento vertical e lateral/axial combinado. Foi observado que as distâncias de mobilização das resistências axiais de breakout aumentaram em relação à porcentagem de enterramento do duto (w/D) divergindo de valores estimados na prática offshore que propõem distâncias constantes. / [en] This study concerns the analysis of soil-pipeline interaction through centrifuge modelling of cyclic lateral and axial of pipeline movement in submerged sand models. Soil response related to pipeline movement was quantified in terms of breakout, evolution of resistance forces during berm formation, combined vertical-lateral/axial trajectories of forces that define a possible yield envelope. A simplification of common offshore scenarios was adopted. Two series of geotechnical centrifuge tests were accomplished by applying controlled lateral and axial movements to assess load history possible to occur in the process of pipeline laying. The influence of vertical stress relaxation due to pipeline embedment was assessed relative to vertical forces in the instance of the movements. Typical assay results are related. The variation of the mobilized resistance was identified in terms of breakout forces and maximum forces in the berms relative to vertical force history due to pipeline embedment. The results revealed parabolic yield surface in combined vertical-lateral/axial loading conditions. The mobilized distances of the breakout axial resistance increased in relation to pipeline embedment percentage (w/D) diverging from values estimated in offshore practice that propose constant distances.

[pt] Com o crescente aumento de lâminas d`água na área de exploração e produção de petróleo no mar, surgiu também o aumento de unidades de exploração e produção tipo semi - submersíveis. Os risers rígidos em catenária surgiram então como solução para exportar óleo e gás das plataformas semi- submersíveis até os dutos de transporte. Do ponto de vista de fadiga, existem duas regiões críticas onde ocorrem as maiores tensões, em um projeto de riser: o trecho junto ao ponto de conexão na plataforma e o trecho junto ao piso marinho (TDP). Os risers rígidos em catenária, SCRs ou steel catenary risers, constituem-se hoje em uma das principais soluções para águas profundas e ultra-profundas. Sua principal aplicabilidade baseia-se no fato de ser a única solução viável em lâminas d`água acima de 1500m, onde as linhas flexíveis ainda não podem ser utilizadas, em função da elevada pressão externa. Este trabalho apresenta um estudo da interação solo-duto de risers rígidos é constituído de duas partes: na primeira são relatados os resultados de um modelo físico realizado no IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas), e, na segunda os resultados de análises numéricas que procuraram reproduzir os ensaios no modelo físico. São apresentadas também comparações entre os dois modelos. Os resultados permitiram estabelecer um modelo constitutivo simplificado do comportamento do contato solo-duto em condições de carregamento lateral. / [en] The necessity for offshore oil exploration to reach greater depths, pushed the demands for semi-submersible exploration and production units. Presently, steel catenary risers (SCR) appear to be the best recommended technical solution for oil and gas exploration.Concerning to the fatigue analysis there are two critical stress points to be considered: close to the platform connection and a second one at the touch down point - TDP. SCR is currently one of the main solutions for deep and ultra deep water projects. It is the only technical solution available for water depths beyond 1500m where flexible lines cannot yet be used due to excessive external pressure.The present work presents a study on the interaction between SCRs and soil. It is divided in two parts. The first describes an experiment (physical model) which was carried out at the laboratories of IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) in São Paulo. The second part presents a numerical, finite element analysis of the soil-SCR interaction. The comparison between experimental and numerical results allowed the determination of a simplified constitutive model for the representation of soil-pipe contact under horizontal loads.

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.