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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2017.tde-07062017-155542
Document
Author
Full name
Douglas Martins Rocha
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Rodriguez, Oscar Mauricio Hernandez (President)
Bannwart, Antonio Carlos
Castro, Marcelo Souza de
Title in Portuguese
Estudo dos efeitos da injeção de água e de gás sobre a redução do gradiente de pressão total no escoamento vertical ascendente de óleos viscosos
Keywords in Portuguese
Escoamento trifásico
Fator de redução
Fração volumétrica
Gradiente de pressão
Inversão de fase contínua
Padrão de escoamento
Abstract in Portuguese
A maioria dos poços de petróleo offshore explorados no Brasil utilizam a técnica de elevação artificial de petróleo conhecida como gas-lift. Mais importante, há previsão de uso intensivo dessa técnica nos poços do pré-sal, sob pressões extremas e condições operacionais ainda não compreendidas completamente. O efeito de injetar gás em um escoamento em tubo vertical é o decréscimo do componente gravitacional do gradiente de pressão total. Por outro lado, os óleos pesados (10 < ºAPI < 19) são viscosos e difíceis de escoar. Em certas ocasiões, este tipo de petróleo não é extraído pela falta de tecnologia viável ou pelo alto custo do processo de produção. Alguns estudos recentes indicam que, para óleos ultra viscosos, o cisalhamento viscoso (componente "friccional") seria significativo no computo do gradiente de pressão total. Percebe-se, portanto, que deve existir, para cada condição de escoamento específica, um grau API ou uma viscosidade limite do fluido, acima do qual a técnica gas-lift torna-se ineficiente, quando não inútil. Dessa forma, o estudo do uso da água como fluido coadjuvante para a elevação artificial torna-se válido para óleos viscosos e pode ser indicado para melhorar a produtividade e reduzir a potência requerida de bombeamento. Outra questão é a possibilidade do escoamento trifásico gás-óleo-água ser promissor na redução do gradiente de pressão total. Dessa forma, para a prospecção dessa problemática e a avaliação dessas questões foram realizados testes em laboratório, utilizando misturas de óleos de diversas viscosidades (100 cP, 220 cP e 325 cP), onde foram quantificados os ganhos oferecidos pela injeção de gás, no caso ar, e de água em termos de fatores de redução de gradiente de pressão e fatores de desempenho. Além disso, com o intuito de melhor compreender a fenomenologia de escoamentos trifásicos, foram realizadas análises quanto ao deslizamento entre as fases e a aplicabilidade do modelo de deslizamento. Por fim, através de uma modelagem, foi verificado o efeito do deslizamento entre as fases na queda de pressão total em tubulações de elevado comprimento.
Title in English
Study of effects of water and gas injection in reducing the total pressure gradient of viscous oils in an upward-vertical pipe flow
Keywords in English
Flow pattern
Phase inversion
Pressure gradient
Reduction factor
Three phase flow
Volumetric fraction
Abstract in English
Most of the offshore oil wells operated in Brazil use the artificial lifting technique known as gas-lift. More importantly, an intensive use of this technique in the pre-salt wells under extreme pressures and operating conditions not yet completely understood is planned. The effect of injecting gas into the flow in a vertical pipe is the decrease of the gravitational component of the total pressure gradient. On the other hand, the heavy oils (10 < ºAPI < 19) are viscous and difficult to flow. In some occasions, this type of oil is not extracted by the lack of viable technology or by the high cost of the production process. Some recent studies indicated that for ultra-viscous oils, viscous shear stress ("frictional" component) would be significant in the total pressure gradient. Therefore, there must be an API degree or a fluid viscosity limit for each specific flow condition above which the "gas-lift" technique becomes inefficient. Thus, the study of water used as method of artificial lift becomes valid for viscous oils and can be indicated to improve productivity and reduce the pumping power required. Another issue is that the gas-oil-water three-phase flow can be advantageous in reducing the overall pressure gradient. Thus, for prospecting of this problems and the evaluation of these issues, tests were performed in laboratory using mixtures of oils with different viscosities (100 cP, 220 cP e 325 cP), at which the gains offered by gas (air) and water injection were quantified by pressure gradient reduction factors and performance factors. Furthermore, in order to better understand the phenomenology of three phase flows, analyzes were performed about the slip between the phases and the applicability of the drift flux model. Finally, the effect of slippage between the phases in the total pressure drop in long pipes was checked through modeling.
 
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Publishing Date
2017-06-12
 
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