Experimental study of the influence of pipe slope and liquid viscosity on two-phase gas-liquid flow in an annular duct

Orientador: Marcelo Souza de CastroDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaReseumo: Na produção de petróleo a utilização de sistemas de elevação artificial como as bombas centrífugas submersas (BCSs) são comuns. Tal equipamento é, em geral, instalado dentro do poço o que acarreta altos custos para eventuais manutenções. Para reduzir custos de intervenção a PETROBRAS desenvolveu o equipamento SKID BCSS, levando o sistema de bombeio para o leito marinho. Entretanto, nesse cenário, ocorreu o acréscimo de frações de gás livre presente no interior desses equipamentos causando instabilidades de escoamento e o surging na BCS. No presente trabalho foram realizados ensaios experimentais bifásicos gás-líquido em uma bancada experimental que simula o SKID BCSS. O aparato experimental utilizado para este trabalho simula escoamentos bifásicos em dutos anulares e foi o mesmo desenvolvido e utilizado por Vieira (2018) e está instalado no Laboratório Experimental de Petróleo (LabPetro) do Centro de Estudos de Petróleo (CEPETRO) da UNICAMP. Os ensaios experimentais tiveram como objetivo investigar a influência da inclinação da tubulação e da viscosidade do fluido no escoamento intermitente bifásico no espaço anular formado entre a bomba e a cápsula e investigar os fenômenos de segregação natural gás-líquido no intake da bomba. Os experimentos foram divididos em escoamentos ar-água em diferentes inclinações (15°, 30°, 45° e 60°) e cinco soluções viscosas (ar-água/glicerina) na inclinação de 5°, que é a inclinação real do equipamento estudado. A bancada experimental foi equipada com sensores de pressão e temperatura, além de duas câmeras de alta velocidade posicionadas no duto anular e no intake da bomba. Os padrões de escoamento foram caracterizados através da visualização das imagens. O padrão de escoamento golfadas foi o mais frequente. Através do processamento das imagens pode-se medir as características cinemáticas e geométricas da célula unitária. Ao todo foram analisadas 2405 células unitárias e das quais foram possíveis obter os parâmetros do modelo de fluxo de deslizamento para todos os casos, para então estimar a fração de vazio in situ. Foram estimadas as eficiências de separação média. Ficou evidente a redução exponencial da eficiência de separação com o aumento da vazão de líquido e do número de Froude de mistura, conferindo o que é reportado pela literatura. A comparação da eficiência de separação com modelos da literatura reafirmou a necessidade de modelagem do escorregamento no sentido radial no intake. Por fim, novos ajustes para o modelo de escorregamento radial para o separador gás-líquido anular inclinado proposto por Vieira (2018) foram propostos com base nos dados levantados neste trabalhoAbstract: In oil production the use of artificial lift systems such as Electrical Submersible pumps (ESPs) are common. Such equipment is generally installed inside the well which entails high costs for any maintenance. At this point PETROBRAS developed the SKID ESP equipment, bringing the pumping system to the seabed. However, the gas present inside these equipment causes flow instability and surging may occur in larger fractions. In the present work two-phase gas-liquid experimental tests were performed on an experimental setup simulating SKID ESP. The experimental apparatus used for this work simulates two-phase flows in annular ducts and it was the same developed and used by Vieira (2018) and is installed in the Experimental Laboratory of Petroleum (LabPetro) of the Center for Petroleum Studies (CEPETRO) of UNICAMP. Experimental tests aimed to investigate the influence of pipe inclination and liquid viscosity on two-phase intermittent flow in the annular space formed between the pump and the capsule and to investigate the phenomena of natural gas-liquid segregation on pump intake. The experiments were divided into compressed air-water flows at different slopes (15°, 30°, 45° and 60°) and five viscous solutions (compressed air-water/glycerin) at the 5° slope, which is the actual slope of the equipment studied. The experimental setup was equipped with pressure and temperature sensors, as well as two high speed cameras positioned in the annular duct and intake. The flow patterns were characterized through the visualization of the images, where the intermittent slug flow pattern was the most frequent. Through image processing, the kinematic and geometric characteristics of the unit cell could be measured. In all, 2405 unit cells were measured and it was possible to obtain the drift-flux model parameters for all cases and thus calculate the in situ void fraction. The average separation efficiencies were estimated, and the exponential degradation of the separation efficiency was evident with increasing liquid flow rate and mixture Froude number, which is reported in the literature. The comparison of separation efficiency with literature models reaffirmed the need for radial slip modeling. Finally, new adjustments for the radial slip model for the inclined annular gas-liquid separator proposed by Vieira (2018) were proposed based on the data collected in this workMestradoTermica e FluidosMestre em Engenharia Mecânic