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Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-07-31T15:13:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ObregonVara_RosaMaribel_M.pdf: 3876695 bytes, checksum: eab8e9bdc7ff92684aba33d3163bff1a (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Considerados de grande importância na indústria petroleira, os óleos pesados constituem uma grande reserva a ser explotada e produzida. Devido a dificuldades associadas às propriedades do óleo como densidade e viscosidade, tem-se procurado métodos para produzí-lo e transportá-lo de forma econômica. Uma dessas técnicas é o corejIow, que é basicamente a injeção lateral de pequenas quantidades de água, com o fim de lubrificar o óleo, formando uma configuração concêntrica anular, onde o óleo ocupa o centro e a água a parte externa. Neste trabalho fizeram-se testes experimentaispara obter diversas informaçõessobre os padrões de fluxo em duto horizontal de um escoamento óleo pesado - água, com ênfase no padrão corejIow. Estabeleceuse uma análise de estabilidade unidimensional geral para o padrão anular liquido - líquido horizontal, através da qual chegou-se a um critério geral de estabilidade, o qual inclui o critério de Kelvin-Helmhotz, conseguindo representar bem os resultados experimentais. Os dados coletados no laboratório também permitiram desenvolver um modelo para cálculo das perdas de pressão e da fração volumétrica com correlações que consideram os fenômenos fisicos relevantes: turbulência do anel, escorregamento entre as fases, molhabilidade e rugosidade da parede e as ondulações no núcleo de óleo. O uso do corejIow consegueu reduzir a perda de pressão em até 225 vezes em comparação com o óleo sozinho / Abstract: Heavy oi! has a growingimportancein the oi! industry,given the amountof its largeand unexploited reserves. Because of the natural difficulties reIated to its physical properties - higb viscosity and density - researchhas been focusedon how to produce and transportheavyoi] economically. Oneofthemostpromisingtecbniquesinvestigated, nownascore-annularflow 01 coreflow, is based on the lateral injection of few amounts of water, so as to lubricate the oil and form an annular liquid-liquid flow pattern, with the oi! in the center, surrounded by a watel annulus. In this work, experiments were performed in a horizontal pipe, in order to obtain detailed information on different heavy oil-water flow patterns, with special interest on the core flow pattern. A one- dimensional approach to the stability ofhorizontalliquid-liquid annular flow was developed and a general stability criterion was derived, which incIudes the Kelvin-HelInholtz criterion as a special case, and gives good agreement with the laboratory measurements. The data coIlected also allowed to develop pressure drop and holdup models taking into account alI relevant physical phenomena: annulus turbulence, slip between the phases, wall wettability and roughness and interface waviness. In the present experiments, pressure drop was reduced up to 225 fold in core flow compared with the flow of an equal amount of the oi! / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

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A ocorrência frequente de escoamentos multifásicos em tubulações tem motivado um grande interesse acadêmico nas últimas décadas. O caso particular de escoamentos líquidolíquido é geralmente encontrado na indústria do petróleo, onde uma série de aplicações envolve escoamentos óleo-água, tais como a produção de petróleo e seu transporte. No entanto, ele não tem recebido a mesma atenção quando comparado com escoamentos gás-líquido. Ainda não existe uma explicação física razoável para um número significativo de fenômenos observados em escoamento óleo-água, como o fenômeno de redução de atrito, observado em escoamento disperso, e a estrutura interfacial ondulada em escoamento estratificado. Os escoamentos trifásicos têm sido ainda menos estudados. Há técnicas de medição, desenvolvidas para escoamento gás-líquido, que supostamente são adaptáveis aos escoamentos líquido-líquido, mas várias delas ainda precisam de validação adequada. O sensor wire-mesh, um método híbrido baseado na medição de resistência ou capacitância, que combina medição local intrusiva da fração de fase e imagens tomográficas transversais, oferece uma boa resolução espacial e alta resolução temporal em comparação com outras técnicas atuais. Porém, a literatura existente em aplicações do sensor wire-mesh cobre quase apenas o escoamento gás-líquido e, até agora, não é possível avaliar o limite de viscosidade do fluido para a sua aplicação. Neste contexto, este projeto propõe o estudo de aspectos importantes da fenomenologia de escoamentos líquido-líquido e líquido-líquido-gás com o auxílio da tecnologia wire-mesh. O principal objetivo prático é a validação da técnica wire-mesh como ferramenta de referência para o desenvolvimento de instrumentação para aplicações em campos petrolíferos, com especial atenção devotada ao efeito da viscosidade do óleo sobre a confiabilidade da medição e à extensão da tecnologia para lidar com escoamentos óleo-água-gás. / The frequent occurrence of multiphase flows in pipes has motivated a great research interest over the last decades. The particular case of liquid-liquid flow is commonly encountered in the petroleum industry, where a number of applications involve oil-water flow such as crude oil production and transportation. However, it has not received the same attention when compared to gas-liquid flow. There is no reasonable physical explanation for a significant number of phenomena observed in oil-water flow, as the drag reduction phenomenon observed in dispersed flow and the interfacial wavy structure of stratified flow. Much less has been investigated when it comes to three-phase flow. Several measurement techniques that are supposed to be adaptable to liquid-liquid flow have been proposed recently, but many of them still need proper validation. The wire-mesh sensor, a hybrid impedance-based method that combines intrusive local measurement of phase fraction and tomographic cross-sectional imaging, offers good spatial resolution and high temporal resolution in comparison with other current techniques. However, the existing literature on wire-mesh sensor applications covers almost only the gas-liquid flow and, so far, it is not possible to evaluate the fluid-viscosity limit for its application. In that context, this project proposes the study of important aspects of liquidliquid and liquid-liquid-gas flow phenomenology with the aid of the wire-mesh technology. The main goal is the validation of the wire-mesh technique as a reference tool for the development of instrumentation for oilfield application, with especial attention paid to the effect of oil viscosity on measurement reliability and the extension of the technology for dealing with oil-water-gas flow.

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.