Hydrocyclones applied to solid-liquid separation of suspensions containing: sand, hollow glass beads and non-Newtonian fluid.

During oil well drilling, it is essential to control the pressure exerted by the fluid occupying the annular region, formed between the drill string and the sidewall of the well. If the pressure exerted by the fluid is lower than the pore pressure, there will be an undesirable invasion of fluid trapped in the pores into the well. On the other hand, if the pressure exerted by the fluid is very high, the fracture of the rock formation can occur, causing the penetration of the fluid in the rock formation, which in extreme cases can lead to the collapse of the well. The difficulty in controlling the annular pressure when drilling in deep water or ultra-deep water is even greater, since the operating window is usually narrow. In order to adjust the pressure, or weight of the drilling fluid, in the annular region, there is often a need to reduce the density of the fluid. One way to achieve this goal is to inject fine and low density particles into the fluid. Hollow glass spheres is being commonly used. The recovery of these spheres, for later reuse, is fundamental to ensure the economic viability of this method. Mini-hydrocyclones are equipment with great potential for this application because they have high separation efficiency, occupy small space and the capacity limitation can be overcome by installing compact batteries. Hence the purpose of this work is to study the geometric variables: underflow diameter, length of the cylindrical region and angle of the conical region in order to select an geometry for a mini-hydrocyclone (Dc = 30 mm) operating with a pseudoplastic fluid. In the geometry selected, the effects of inlet pressure and sand volumetric concentration on the capacity, liquid ratio, total sand separation efficiency and total spheres separation efficiency were evaluated to determine if spheres were undesirably dragged into the underflow by the sand. The geometry selected showed high efficiency of spheres separation (close to 80%) and sand (94%).Moreover the results demonstrate that for a high sand volumetric concentrations at feed (9%) the sand separation efficiency drops sharply to the order of 68% but high spheres separation efficiencies continue to be achieved, demonstrating that sand is not responsible for a significant drag of spheres to underflow current.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)Durante a perfuração de um poço de petróleo, o controle da pressão exercida pelo fluido que ocupa a região anular, formada entre a coluna de perfuração e a formação rochosa, é essencial para o sucesso da operação. Se a pressão exercida pelo fluido for menor que a pressão de poros, ocorrerá a indesejável invasão de fluidos aprisionados nesses poros para dentro do poço. Se por outro lado, a pressão exercida pelo fluido for muito alta, pode ocorrer à fratura da formação rochosa, ocasionando a penetração do fluido na formação rochosa, que em casos extremos pode levar ao colapso do poço. Na perfuração em águas profundas e ultraprofundas a dificuldade no controle da pressão no anular é ainda maior, uma vez, que muitas vezes essa faixa operacional é estreita. Para ajustar a pressão ou peso do fluido no espaço anular, tem-se muitas vezes, a necessidade de reduzir a densidade do fluido. Uma das maneiras de atingir esse objetivo é a injeção de partículas sólidas finas de baixa densidade ao fluido, sendo que esferas ocas de vidro são comumente utilizadas. A recuperação de grande parte dessas esferas, para posterior reuso, é primordial para garantir a viabilidade econômica desse procedimento. Mini-hidrociclones são equipamentos com grande potencialidade para essa aplicação por apresentarem elevada eficiência de separação, ocuparem pequeno espaço e poder processar grandes capacidades quando arranjados em baterias compactas. A proposta desse trabalho é estudar as variáveis geométricas diâmetro de underflow, comprimento da região cilíndrica e ângulo da região cônica em busca da seleção de uma geometria para um mini-hidrociclone com diâmetro da região cilíndrica de 30 mm, operando com um fluido pseudoplástico. Obtida a geometria foram então estudados os efeitos da pressão de entrada e da concentração volumétrica de areia nas respostas capacidade, razão de líquido, eficiência total de separação de areia e eficiência total de separação de esferas, sendo esta última resposta usada para avaliar se o arraste indesejado de esferas para corrente de underflow por parte da areia era significativo. A geometria selecionada apresentou alta eficiência total de separação de esferas (próximo de 80%) e de areia (94%). Os resultados do estudo do arraste de esfera demonstra que para concentrações volumétricas de areia na alimentação de 9% a eficiência total de separação de areia cai drasticamente para ordem de 68%, porém altas eficiências de separação de esferas continuam a ser atingidas, demonstrando que areia não é responsável pelo arraste significativo das esferas