Modelagem e Simulação de Mecanismos Artificiais de Elevação em Plataformas Offshore de Prospecção de Petróleo

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1 1 FERNANDO INTI LEAL Modeaem e Simuação de Mecanismos Artificiais de Eevação em Pataformas Offshore de Prospecção de Petróeo Dissertação apresentada à Escoa Poitécnica da Universidade de São Pauo a títuo de trabaho de concusão de curso. Orientador: Prof. Dr. Sivio de Oiveira Jr. São Pauo 2006

2 2 FICHA CATALOGRÁFICA Lea, Fernando Inti Modeaem e simuação de mecanismos artificiais de eevacão em pataformas offshore de prospecção de petróeo / F.I. Lea.-- São Pauo, p. Trabaho de Formatura - Escoa Poitécnica da Universidade de São Pauo. Departamento de Enenharia Mecânica. 1.Estruturas offshore 2.Petróeo (Extração; Modeos; Simuação) I.Universidade de São Pauo. Escoa Poitécnica. Departamento de Enenharia Mecânica II.t.

3 3 SUMÁRIO Lista de fiuras... 4 Gossário... 5 Resumo... 7 Abstract ) INTRODUÇÃO ) Objetivos ) Metodooia ) Revisão Bibioráfica ) Métodos de Eevação ) Gas-ift ) Bombeamento Mutifásico Submarino ) Perspectivas ) Escoamento Mutifásico ) Reimes de Escoamento em Dutos Verticais ) Modeos Matemáticos ) Modeo de Mútipos Fuidos ) Continuidade ou Conservação da Massa ) Conservação da Quantidade de Movimento ) Modeaem da Couna ) Condições de Contorno e Equações de Fechamento ) Efeito da Injeção de Gás na Produção de Óeo ) Dados do Reservatório ) Dados dos Fuidos Produzidos ) Dados da Geometria do Riser ) Dados da Bomba Mutifásica ) Simuação Numérica ) O software CFX ) Geometria do Riser ) Simuação do reime transiente ) Simuação do reime permanente ) Comparativo SMBS X GL ) Concusões ) Referências Bibioráficas... 49

4 4 LISTA DE FIGURAS Fi. 3.1: Mecanismo de as ift Fi. 3.2: Esquema do mecanismo de GL instaado numa pataforma off-shore Fi. 3.3: Esquema do as ift ta como impementado na prática Fi. 4.1:.Mapa de escoamento para riser vertica em função das veocidades superficiais (fonte: Taite et a. (1980)) Fi. 4.2: Reimes de escoamento em dutos verticais (fonte: Guet&Ooms (2006)) Fi. 4.3: Modeo detahado para escoamento pistonado (fonte: Podowiski (1999)) Fi. 4.4: Representação ráfica da força norma entre as interfaces Fi. 4.5: Esquema do mecanismo de as ift instaado no poço (fonte: Guet&Ooms (2006)).27 Fi. 5.1: Modeo da couna de produção e distâncias envovidas Fi. 6.1: Esquema do poço, mandris de GL e SMBS (fonte: Baruzzi et a. (2001)) Fi. 7.1: Geometria da couna de eevação Fi. 7.2: Desenvovimento do su no riser (85<t<100s) Fi. 7.3: Desenvovimento do su no riser (100<t<120s) Fi. 7.4: Desenvovimento do su no riser (125<t<175s) Fi. 7.5: Vazão voumétrica de íquido em função da taxa de injeção de ás na couna Fi. 7.6:Efeito do aumento da injeção de ás sobre o padrão de escoamento Fi. 7.7: Comparação das vazões de óeo no poço operando com GL em função do tempo. 41 Fi. 7.8: Comparação das vazões de óeo no poço operando com GL em função da taxa de injeção de ás Fi. 7.9: Curvas mestras do GL (GLR ) em reime permanente com vazão de óeo mantida constante Fi. 7.10: Curvas mestras do GL (GLR ) em reime permanente com vazão de óeo mantida constante Fi. 8.1: Diarama esquemático da pataforma Marim Fi. 8.2: Consumo de eetricidade dos equipamentos instaados no poço 7-MRL-72D-RJS 46. Fi. 8.3: Cara de aquecimento.(fonte: Nakashima (2001))... 47

5 5 Gossário N: Propriedade extensiva do fuido; η : propriedade intensiva do fuido associada a N; m: massa; ρ: massa específica do fuido; dv: voume de controe infinitesima; VC: voume de controe; A: área da secção transversa do tubo [m²] D: diâmetro da tubuação [m] : aceeração da ravidade [m/s2] J: veocidade superficia [m/s] α: fração de vazio [ ] x: títuo mássico [ ] β: títuo voumétrico [ ] G: fuxo mássico L0: comprimento do tubo entre a entrada e a vávua L1: distância entre a vávua e a superfície da âmina d áua L2: distância entre a vávua e a saída na pataforma L3: comprimento tota da tubuação de ás-ift Pe: pressão estática ao infinito no reservatório Pwf: pressão de fundo em fuxo Ps: pressão externa de referência GFV : fração voumétrica de ás Re : número de Reynods ν : viscosidade cinemática (m²/s) λ : coeficiente de atrito µ : viscosidade dinâmica (Pa.s) θ : ânuo (rad) Q: vazão voumétrica [m3/min] ou [m3/s] q: vazão voumétrica em z [m3/s] R: constante do ás [J/(k K)] T: temperatura [K], torque [Nm] t: tempo [s] U: veocidade de deriva [m/s] ρ : massa específica (k/m³) τ : tensão de cisahamento (N/m²) V: veocidade [m/s] z: distância vertica a partir do ponto de injeção de ás [m] Γ: taxa de injeção de ás por unidade de voume da mistura [k/m³s] P: pressão na couna [Pa] M: Momento Linear [Nm], massa moecuar [kmos/k] Z: coeficiente de compressibiidade G: Forças de Campo [N] API: densidade ºAPI R: constante universa do ases [J/moK] ξ: coeficiente de perda na vávua de injeção de ás [-] σ: tensão superficia da fase íquida [N/m]

6 6 Subscritos 1: ponto de injeção de ás (vávua e mandri de GL) 2: saída do riser : fase asosa f,: fase íquida m: mistura k: fase enérica a: áua o: óeo atm: atmosférico, ambiente Sobrescritos : quantidade por unidade de tempo turb: refere-se à escoamento turbuento

7 7 Resumo O objetivo deste trabaho é o de desenvover um modeo para o mecanismo de eevação artificia conhecido enericamente por ás ift. A comparação entre métodos de eevação pode ser reaizada diretamente, via testes experimentais, ou de maneira indireta, através de simuação computaciona. Optou-se peo desenvovimento de um modeo próximo ao estado-da-arte atua da tecnooia de as-ift para comparação com os resutados da simuação do modeo para a bomba mutifásica em Nakashima (2000 e 2001). Iniciamente foi estabeecido um reime de escoamento, para que fossem conhecidas as condições de contorno das interfaces e fosse estabeecido o voume de controe, sobre o qua seriam apicadas as equações constitutivas do escoamento. Em seuida foram formuadas hipóteses simpificadoras e adequadas, e criada uma eometria para o riser no qua o mecanismo seria simuado, que seria posteriormente usada na simuação numérica em software de CFD. Foi simuado então, no software CFX 5.7, o comportamento do as ift, tanto nos reimes transiente, a tituo de iustração, quanto no reime permanente, para anáise de dados e parâmetros reevantes do mecanismo. Finamente foi feita uma comparação com os resutados obtidos no comparativo entre o SMBS e o GL por Nakashima, (2001) mostrando em quais situações os mecanismos apresentam mehor desempenho. Paavras-chave: Estruturas offshore. Petróeo (Extração; Modeos; Simuação).

8 8 Abstract The objective of the foowin research is deveopin a mode for the artificia iftin mechanism known eneray as as ift. The comparison between iftin mechanisms can be performed directy, throuh experiments, or indirecty, throuh computationa simuation. It has been chosen to deveop a coser to the state-of-the-art mode for the as ift, in order to compare it with the resuts of the mutiphase pump simuation in Nakashima (2000 and 2001). Initiay a fow pattern has been estabished, so that the boundary conditions woud be known and the contro voume woud be estabished, in which the intrinsic equations of the fow woud be appied. Then, simpifyin and adequate hypothesis were formuated, and the eometry of the riser in which the mechanism woud be simuated was created, that woud be ater used in the numerica simuation with a CFD software. It was then simuated, in the CFX 5.7 software, the behavior of the as ift, both in the transient, as an iustration, and in the steady-state fow, in order to evauate data and reevant parameters of the mechanism. And finay a comparison with the resuts obtained in the comparison between the SMBS and the GL by Nakashima (2001) has been performed, showin in which situations the mechanisms present a hiher performance. Keywords: Offshore Structures. Petroeum, Oi (Extraction; Simuation; Modein).

9 9 1. Introdução O choque do petróeo de 1973 deu o primeiro impuso necessário à exporação do petróeo offshore. Isto porque, com o aumento brusco do preço do petróeo e a possibiidade de escassez do produto no mercado, os países consumidores passaram a desenvover proramas de economia de combustíveis e de eração de enerias aternativas. Ao mesmo tempo, buscou-se encontrar novas jazidas em reiões consideradas inviáveis economicamente devido à compexidade de seus ambientes, o que incentivou a exporação offshore em ocais como o Mar do Norte, por exempo. Mesmo antes do primeiro choque do petróeo, o Brasi desenvovia exporação na costa brasieira, em Seripe, Aaoas, Rio Grande do Norte e Bahia, iniciado nos anos 60 na Bacia de Seripe, campo de Guaricema, situado em âmina d áua de cerca de 30 metros na costa do estado de Seripe. Até 1977 as atividades de produção offshore no Brasi imitaram-se às áreas do Nordeste brasieiro em âminas d áua de até 50 metros. Em 1974 houve a primeira descoberta de petróeo na Bacia de Campos, atuamente a principa província petroífera do Brasi, ocaizada na costa do estado do Rio de Janeiro. Atuamente os poços submarinos correspondem a mais de 90% (Fonte: ANP) da produção tota no Brasi e cerca de 23% das reservas brasieiras de petróeo encontram-se em profundidades entre 1000 e 2000 metros. Seundo estimativas da Petrobrás, que idera o rankin mundia das empresas exporadoras de petróeo e ás a atas profundidades, 50% das reservas a serem descobertas encontram-se em áuas profundas e utra-profundas. Atuamente já se exporam jazidas a 3000 metros, e nestas escaas, a tecnooia para tornar a exporação econômica e viáve ainda precisa ser desenvovida ou, no mínimo, aperfeiçoada. E é neste cenário que métodos de eevação se inserem como uma aternativa interessante e eficaz para aumentar os níveis de produção ou mesmo para viabiizar a exporação de poços com petróeo pesado que não possuem vazão mínima para serem considerados economicamente viáveis.

10 10 Diversos métodos de eevação artificia são atuamente empreados em poços de petróeo, sendo o mais comumente usado o as-ift. Dentre estes métodos temos o SMBS, ou, sistema mutifásico de bombeamento submarino, e as chamadas ESP s, ou bombas eétricas submersíveis. O as-ift é um método pneumático de eevação porque emprea ás no seu funcionamento, ás este que pode ser oriundo do próprio fuido produzido, ou ar, nitroênio dentre outros. 1.1 Objetivos Resumidamente os objetivos deste trabaho são a construção de um modeo para simuação do as-ift, no reime transiente e no reime permanente para posterior obtenção de resutados de variáveis reevantes na anáise de desempenho, tais como curvas mestras, vazões e potência consumida, aém de uma comparação com os resutados de outros métodos de eevação artificia tais como o SMBS nos quesitos de potência consumida e vazões correspondentes. 1.2 Metodooia A comparação entre métodos de eevação pode ser reaizada diretamente, via testes experimentais, ou de maneira indireta, através de simuação computaciona. Optou-se peo desenvovimento de um modeo próximo ao estado-da-arte atua da tecnooia de as-ift para comparação com os resutados da simuação do modeo para a bomba mutifásica em (Nakashima 2005) A metodooia adotada na obtenção deste modeo foi a seuinte: 1) Estabeecimento de um reime de escoamento; 2) Modeo matemático de anáise do escoamento; 3) Formuação de hipóteses simpificadoras e adequadas ao mecanismo de as-ift; 4) Simuação do mecanismo em CFD aiado a aoritmos de soução; 5) Anáise e comparação dos resutados; 6) Estabeecimento de faixas de apicação para cada método e pontos de operação para o ás-ift.

11 11 2. Revisão Bibioráfica Aamo et a. (2005) desenvoveram controe via observador de estados não-inear para o fuxo mutifásico que se apóia em medições reaizadas excusivamente pea superfície, e utiiza estas medições para estimar o campo de pressões ao ono da couna de eevação para correspondente atuação do sistema de controe. O ponto principa desta confiuração é a de que ea expora a estrutura do modeo adotado para o as-ift para obter resutados confiáveis a respeito do escoamento no sistema. Reaizam ainda um comparativo com testes experimentais em seu modeo para expor o potencia de aumento na produção de poços de ás-ift através da estabiização do escoamento mutifásico. Baruzzi et a. (2001) simuaram ao ono de 20 anos a infuência da instaação de um sistema mutifásico de bombeamento no poço 7-MRL-72D-RJS ocaizado numa âmina d áua de 641 metros, os parâmetros simuados foram diversos, dentre ees, pressão de sucção, incremento de pressão, temperatura na sucção e na descara, vazão de íquido na sucção, vazão tota de fuidos na sucção e fração voumétrica de ás ivre na sucção. Aém disso foram consideradas quatro diferentes situações de funcionamento, sem a bomba e com ás-ift, com a bomba e sem o ás-ift, ás-ift e bomba em conjunto com vazão de ás-ift adequada e finamente a mesma situação anterior com vazão de ás-ift em excesso. Brown (1980) descreve os mecanismos artificiais e suas variantes mais comuns, cita ainda as principais apicações do sistema aém de procedimentos simpificados de cácuo para campo de pressões ou dimensionamento das câmaras de acumuação e vávuas. Apresenta ainda uma série de curvas de funcionamento para as quaidades de ás-ift estudadas bem como os parâmetros que infuem diretamente na forma destas curvas. Guet e Ooms (2006) estabeeceram uma anáise quaitativa era do mecanismo de ás-ift e estudaram a infuência de parâmetros reevantes no comportamento do escoamento, tais como, fração de vazio, veocidade das fases, mudanças no reime de escoamento e probemas na estabiidade do sistema. Seu modeo adota o fuxo de deriva como base e suas decorrências. Discutem ainda as conseqüências para o desempenho do ás-ift em determinadas confiurações e questões reacionadas à otimização do sistema como um todo.

12 12 Herrine e Davis (1978) estudam através de um modeo homoêneo de escoamento mutifásico, os efeitos distribuídos atuantes sobre o escoamento, definem o fator de atrito de forma simiar, como esperado peo modeo, ta qua no escoamento monofásico. Estudam como cada reime de escoamento infui nas propriedades das fases, principamente a sua fração de vazio e suas veocidades superficiais e reativas. Hsu e Dudovic (1980) desenvoveram um modeo para prever a recircuação de íquido em reatores operando em ás-ift. Seu modeo se baseou em correações experimentamente determinadas para a taxa média de acumuação de ás na couna e a queda de pressão correspondente no escoamento, suas previsões teóricas acabaram por vaidar suas medições experimentais na recircuação do íquido na couna. Husain e Speddin (1976) conduziram um estudo experimenta sobre a teoria do escoamento bifásico ás-iquido que estava se desenvovendo até então. No seu modeo, a chamada bomba de ás-ift era vista como um sistema termodinâmico fechado compostos por um ás invíscido e fuidos com insuficiente eneria potencia para fuir pea couna de produção sem a injeção de uma eneria adiciona externa. A eneria requerida era oriunda da expansão isotérmica do ás no riser. Fizeram uma anaoia do sistema com o sistema na teoria de Panck da radiação do corpo nero, onde a potência média do orifício emissor é combinada com equações derivadas da formação de bohas no íquido invíscido para fornecer uma equação de saída. Kabir e Hasan (1990) estudaram a apicação de seu modeo na determinação da queda de pressão numa couna de produção de petróeo, seu modeo é capaz de idar com canais circuares e anuares e aream os tipos principais de escoamento na estimativa da fração de vazio e da queda de pressão na couna usando correações padrão para estimar as propriedades dos fuidos. Visaram uma comparação de seu modeo computaciona com outros existentes como o de Haedorn e Brown (1965), Aziz et a. (1972) e Duns e Ross 1963, todos trabahos que adotaram metodooias simiares e mesmos bancos de dados o o que os evou a usar um conjunto de dados independente.

13 13 Machado (1988) desenvoveu um modeo mecanicista baseado em princípios físicos e reações empíricas, apicando-o ao cácuo das principais variáveis que atuam no cico de produção, tais como: recuperação de íquido, tempo de acumuação, vazão de ás injetado, fração de vazio e o campo de pressões ao ono da couna. O modeo considera também a existência ou não de um pistão, este modeo desenvovido é apicado ao conjunto de testes experimentais reaizados por Neey et a [24] mostrando um certo rau de vaidação do modeo. Reaizou também um estudo de sensibiidade de parâmetros para um caso padrão. Nakashima (2000 e 2005) desenvoveu um modeo termo-hidráuico para uma bomba mutifásica do tipo dupo parafuso, seu modeo prevê o comportamento de parâmetros tais como a distribuição de pressão e temperatura ao ono do parafuso, vazão e vazão de refuxo e potência consumida dentre outros, estudou ainda a infuência de certos parâmetros no desempenho exerético da bomba e seus resutados mostraram que estes dependem de certos parâmetros de operação como a fração de vazio, o tipo de iquido e o radiente de pressão. A mesma metodooia desenvovida para os estudos paramétricos citados acima foi utiizada para comparar o desempenho de uma pataforma offshore em três situações: pataforma operando isoadamente, com o auxíio de as ift ou com o auxíio de uma bomba mutifásica. A eometria da bomba mutifásica utiizada nas simuações foi a do sistema SBMS-500 da Petrobras. As simuações foram feitas utiizando-se as condições de operação previstas no reatório de BARUZZI et a. (2001) para o poço 7-MRL-72D-RJS Nakashima e Oiveira Jr. (2001) desenvoveram uma metodooia para comparação exerética e termoeconômica do SBMS com sistemas convencionais de processamento primário. Essa comparação foi feita criando-se dois cenários de operação para a bomba. Com esses cenários, reaizou-se auns estudos paramétricos para verificar possíveis benefícios que a utiização da bomba mutifásica propiciaria. Para essas comparações iniciais foi considerada a eometria da bomba ensaiada por HATTON (1993) nas simuações envovendo o modeo da bomba mutifásica. Para a pataforma offshore, considerou-se a panta de Marim como base para as simuações.

14 14 Neey et a. (1974) desenvoveram um modeo anaítico que tinha como hipótese simpificadora a veocidade constante da subida da ofada e reaizaram diversos teste em um poço monitorado para posterios comparação de resutados com os modeos de Bri et a. (1967) e White et a. (1963) sendo que seus resutados corroboraram os de Bri et a., puderam concuir ainda que rande parte da recuperação de íquido deve-se ao íquido que permanece disperso no ás que se sucede às ofadas de íquido. Paadino (2001) propõe um estudo teórico e experimenta de escoamentos mutifásicos dispersos em medidores de vazão baseados em radiente de pressão diferencia, como pacas de orifício e tubos Venturi. Para este estudo, propôs a utiização do modeo de mútipos fuidos com formuação baseada num enfoque Eueriano do escoamento. Reaizou ainda um estudo quaitativo experimenta do escoamento bifásico áua-ar em constrições para obtenção de vaores a cerca do sistema para posterior comparação com seu modeo teórico. Santos (1997) desenvoveu, para diversas condições de reservatório, uma metodooia de seeção entre quatro variedades de ás-ift intermitente, o modeo de escoamento adotado para todos os casos foi homoêneo, com simiaridades com o escoamento monofásico em reime permanente unidimensiona. O modeo considera que a vávua de ás-ift assume apenas duas posições aberta ou fechada e esta premissa serviu como variáve de controe do timin da injeção de ás. Sousa (2006) anaisou as mais diversas tecnooias de bombeamento mutifásico submarino através de uma anáise técnica que contempasse as potenciaidades de cada tecnooia, bem como, uma anáise econômica que objetivou evidenciar os custos de investimento e de operação, e as receitas esperadas, aém de uma descrição acerca de cada uma dessas tecnooias e seu estado atua de desenvovimento.

15 15 3. Métodos de Eevação 3.1 Gas-Lift O as-ift é um dos métodos mais típicos de eevação artificia na produção de óeo, ee é barato, fáci de executar, muito eficaz em uma escaa ara de circunstâncias e requer menos manutenção quando comparado à outras aternativas. O princípio básico consiste em diminuir o radiente de pressão no íquido através do ás injetado. A mistura resutante torna-se menos pesada do que o óeo oriina de modo que se inicie a eventuamente fuir. Fiura 3.1 Mecanismo de Gás Lift Os sistemas artificiais de eevação são requeridos quando a pressão de um poço não é suficiente para manter a produção de óeo com retorno econômico satisfatório. Esta situação é típica nos campos de óeo maduros onde um aumento do chamado watercut ou uma diminuição natura da pressão do reservatório faz com que os poços cessem o fuxo natura. A seeção do sistema artificia de eevação é baseada freqüentemente na experiência, preferências não técnicas e mesmo os mitos técnicos de hoje em dia. O custo mais eevado da operação nos campos de óeo tende a ser devido principamente aos sistemas artificiais e o as-ift é provavemente o sistema artificia mais extensamente usado. De fato ee é considerado freqüentemente em auns reservatórios como o único sistema artificia de eevação passíve de ser usado; nestes sistemas, um ás é injetado no poço para modificar a densidade da mistura e para fornecer então a eneria suficiente para produzir o fuxo do petróeo. A injeção do ás é usada tanto de maneiras contínuas como descontínuas (ou intermitentes) e a injeção contínua é a maneira mais usada atuamente, já que a injeção intermitente se transforma numa aternativa mehor somente naquees casos onde a injeção contínua não se mostra eficiente.

16 16 A escoha de um tipo de instaação para um poço em particuar é de extrema importância, se o poço será dimensionado para fuxo contínuo ou intermitente é outro fator crucia, sendo a condição continua mais comumente usada como mencionado anteriormente. Fora isso, condições tais como arraste de areia, quantidade de áua, bem como os desempenhos de produção futuros do poço irão determinar uma maior ou menor compexidade na instaação, de maneira que poços de prospecção offshore requerem uma anáise competa devido aos atos custos de re-processamento. No caso mais era, sabe-se que nas inhas de produção de petróeo, há um fuxo de ás, óeo e áua, onde pode haver áua em emusão oeosa, na qua o óeo circunda óbuos de áua ou o contrário. Fiuras 3.2: Esquema do mecanismo de as-ift instaado numa pataforma off-shore A forma como se desenvove o fuxo ao ono da inha de produção reaimentada por as-ift pode vir a fornecer potencia vaor na estimativa das perdas ao ono do riser e desta maneira estimar com maior precisão os astos com potência necessários para as finaidades desejadas, o que é parte dos objetivos deste trabaho. A fiura 3.2 representa esquematicamente o processo de produção de óeo peo método de ás ift ta como impementado na pratica.

17 17 Fiura 3.3 Esquema do ás-ift ta como impementado na prática A diferença básica do método de ás ift contínuo para o intermitente é a presença neste seundo de um intermitor situado próximo ao poço, que mantém a vávua fechada quando a resutante das forças que atuam no foe e na esfera da haste for neativa; e aberta, caso a resutante destas forças seja positiva [Santos 1997] Basicamente, a diferença de pressão estática entre o reservatório e a pressão do fuxo, é a responsáve peo abastecimento do poço peos fuidos constantes na mistura, que como já anteriormente mencionado são usuamente áua, óeo e ás.

18 Bombeamento Submarino Mutifásico As primeiras tentativas de se utiizar as bombas mutifásicas em conjunto com mecanismos de as-ift remetem aos primeiros anos da década de 70 quando a indústria de petróeo começa a concentrar pesquisas no desenvovimento de uma máquina de fuxo capaz de adicionar, diretamente, eneria para o fuido mutifásico proveniente de poços de petróeo. Parte da exeria disponíve numa pataforma na panta de processamento de petróeo é consumida nos processos internos a ea e este fator é determinante no desempenho exerético da mesma, pode-se notar que em era a bomba mutifásica apresenta um ato custo de impantação inicia e uma baixa eficiência. A bomba mutifásica foi modeada (Nakashima, 2005) de maneira era por um conjunto de separadores, compressores e bombas, simuando assim os estáios (câmaras) da mesma. Notou-se um desvio do comportamento rea pois aém das perdas desconsideradas por refuxos outros que não os periféricos, mas existe uma imitação prática neste modeo, onde a bomba seria mehor modeada à medida que aumentassem o numero de estáios. O propósito de um sistema de bombeamento mutifásico submarino é prover uma soução robusta para a eevação e escoamento do fuido mutifásico (óeo, ás ivre, áua e eventuamente, sóidos em suspensão), proveniente diretamente da cabeça do poço ou de um manifod, para o sistema de processamento primário, instaado em mar ou em terra. A robustez destes sistemas refere-se à ampa faixa de cobertura das bombas mutifásicas, quanto às frações de ás contidas no fuido, dispensando a utiização de sistemas de separação submarinos e permitindo a exportação de todo o fuido por uma inha única. Sendo estas bombas toerantes à atas frações de ás, viabiiza-se a instaação do equipamento fora do poço, ou seja, no próprio eito marinho. As bombas mutifásicas tornam-se uma opção atrativa, particuarmente para desenvovimento de campos com as seuintes características [29]: a) Baixa pressão de escoamento na cabeça de poço; b) Ata FVG; c) Linhas (fowines) de produção de randes extensões; d) Campos em áuas profundas; e) Fuidos de ata viscosidade;

19 19 O uso de sistema de bombeamento mutifásico, em conjunto ou substituindo métodos convencionais, ao viabiizar a exportação do ás em conjunto com o íquido, proporciona auns benefícios como indicado [29]: a) Redução da quantidade e a compexidade de equipamentos de separação na pataforma; b) Baixo risco ambienta e de seurança com a eiminação das faciidades para queima do ás em ata pressão na pataforma; c) Possibiitar a produção onde não seja permitida a queima de ás, ou seja, antieconômica à produção de ás não associado; d) Potencia de otimização no uso de inhas de escoamento da produção, devido à possibiidade de produzir concomitantemente, campos de diferentes características; 3.3 Perspectivas Para as perspectivas da situação futura dos poços de prospecção de petróeo é esperada uma sensíve redução na produção e métodos de re-processamento, como o as-ift, poderão se tornar menos eficientes, desta forma propõe-se neste trabaho um enfoque maior no estudo e simuação de um mecanismo de as-ift mais próximo do seu estado-da-arte, e os resutados advindos deste modeo serão confrontados com os atuais resutados de simuação existentes para a bomba mutifásica, de forma a vaidar ou não o fato de que a mesma se mostrou vantajosa em cenários futuros, particuarmente em casos onde a fração voumétrica GVF é menor, o que é devido a uma queda de produção, aém disso se existem condições em que ambos trabahando juntos seria mais vantajoso. A modeaem de uma couna de íquido, impusionada por ás pressurizado é de difíci caracterização, na medida em que envove transientes mutifásicos.

20 20 À medida que isto ocorre a couna hidrostática aumenta a pressão do fuxo, diminuindo a vazão do íquido no reservatório e, conseqüentemente, a taxa de crescimento da couna dentro da inha. Isso, para um tempo de acumuação suficientemente rande, evará a vazão a zero, devido ao equiíbrio de pressões. 4. Escoamento Mutifásico O fuido que sai do meio poroso (rocha reservatório) é um fuido mutifásico, como já mencionado, o que dificuta a determinação do radiente de pressão na couna de eevação. Adicionamente a forma e a posição das interfaces é, a priori, desconhecida o que representa uma dificudade adiciona no tratamento do probema. A diferença das veocidades entre as fases, e sua eometria, infuenciam sobremaneira o comportamento do escoamento e constituem, portanto, a base para a cassificação do reime de escoamento. Fora isso as propriedades físicas (densidade, viscosidade, tensão superficia) também são fatores determinantes em como o escoamento vai se desenvover ao ono da tubuação. Desta maneira, foi iniciamente estimado, baseado nos dados de produção e previsões do poço qua seria o reime de escoamento. O mapa de escoamento nesta seção obtido na bibiorafia é uma das formas de se predizer, para uma dada condição de escoamento mutifásico, numa dada tubuação, qua será o reime aproximado que será esperado. Para vaidar a formuação do modeo baseado nas condições de contorno do escoamento tipo su utiizou-se os dados médios de produção do poço [Baruzzi 2001] e dos fuidos produzidos e vaidou-se a hipótese de escoamento tipo pistonado (ofada). Tabea 4.1 Dados de produção do poço 7-MRL-72D-RJS (Baruzzi et a. 2001)

21 21 Fiura 4.1 Mapa de escoamento para riser vertica em função das veocidades superficiais (Taite et a. 1980) Nota-se que ao inserir os pontos referentes ao escoamento no poço ta como na tabea 4.1, pode-se identificar uma tendência do escoamento em se concentrar na reião de escoamento tipo ofada (Ver Fi. 4.2-b), esta característica é importante, pois como será demonstrado a seuir, uma das condições para o estudo do escoamento mutifásico e determinação das condições de contorno da interface é o conhecimento prévio do tipo de escoamento que se desenvove no riser para uma faixa de condições de operação, neste caso a vazão de íquido produzido versus a taxa de injeção de ás na tubuação.

22 Reimes de Escoamento em Dutos Verticais Fi 4.2 Reimes de escoamento em dutos verticais (Guet & Ooms 2006) Escoamento de Bohas (Bubby Fow) : (Fi. 4.2-a) Este reime esta incuído dentro dos chamados escoamentos dispersos, nesta confiuração a fase asosa se encontra distribuída em bohas discretas ao ono da fase continua iquida, podendo estas ser bohas desde pequenos diâmetros com forma esférica até diâmetros maiores apresentando formas mais aonadas. Escoamento Pistonado ou Gofada (Su Fow): (Fi. 4.2-b) Aqui as bohas são da ordem do diâmetro do duto, a parte superior da boha possui forma esférica e o ás é separado da parede do duto por um fino fime de íquido descendo de forma enta. Duas bohas sucessivas são separadas por partes iquidas que podem conter bohas de menor diâmetro em forma dispersa, estas ofadas

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