Acoplamento entre CFD e DEM para simulação de escoamentos líquido-sólido na indústria de petróleo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2010Os crescentes desafios exploratórios enfrentados pela indústria de petróleo exigem o desenvolvimento de novas tecnologias para alcançar maior eficiência na extração de petróleo e gás, contemplando menos tempo ao menor custo possível. No auxílio aos diversos problemas enfrentados pela indústria em geral, está a simulação numérica de processos, capaz de realizar diferentes #ensaios# virtuais, dando respostas capazes de compreender e aperfeiçoar o processo em questão. Com o expressivo desenvolvimento da capacidade dos computadores, a técnica de simulação que mais se desenvolveu nos últimos tempos foi a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), onde é possível reproduzir computacionalmente complexos escoamentos de fluidos, envolvendo turbulência, reação, sistema multifásico, etc. Uma lacuna ainda enfrentada nos modernos códigos de CFD é a incapacidade de simular em detalhes sistemas multifásicos envolvendo sistemas granulares, sistemas esses muito comuns em diversos processos da indústria, notadamente no setor de petróleo e gás. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver uma nova metodologia para reproduzir numericamente tais escoamentos, abordando outra ferramenta para auxiliar nos cálculos: o Método de Elementos Discretos (DEM), utilizado para realizar a simulação das partículas. Na metodologia adotada, é realizado um acoplamento de uma via entre CFD (cálculo do escoamento do fluido) e DEM (cálculo da trajetória das partículas). Para avaliação e verificação da abordagem proposta, foi utilizado como caso teste nas simulações do presente trabalho o processo de Gravel Packing em poços horizontais, processo utilizado pela Petrobras S.A. para completação de poços em águas profundas e ultraprofundas, e que carece de uma maior compreensão para buscar completações mais eficientes e econômicas. Os resultados mostraram-se muito promissores, sendo possível trabalhar numericamente com o complexo problema da alta concentração de sólidos. Os principais resultados do trabalho mostram uma verificação da altura da onda alfa obtida nos resultados de simulação numérica com dados de simuladores de processo da Petrobras S.A., comprovando a aplicabilidade da abordagem e uma futura utilização para auxílio no dimensionamento da operação de Gravel Packing em poços horizontais.The increasing exploration challenges, faced by the oil industry, require the development of new technologies to achieve higher efficiency in the extraction of oil and gas, contemplating less time at the lowest possible cost. Numerical simulation of processes exist to help solving several problems faced by industries, and is capable of accomplishing different virtual try-outs, which can provide answers to understand and optimize the process in discussion. With the expressive development of computers capabilities, the simulation field that has been most developed in the last years was the Computational Fluid Dynamics (CFD), where one can computationally reproduce complex fluid flows involving turbulence, reactions, multiphase system, etc. One of the gaps still faced by the modern CFD codes is the incapacity of simulating in details the multiphase systems involving granular solids, which are common in many industry processes, especially in the oil and gas industry. The present paper holds as its objective to develop a new methodology to numerically reproduce granular flows, addressing a different tool to help during the calculation: the socalled Discrete Element Method (DEM), used to perform particles simulation. As an adopted methodology, a coupling between CFD (Fluid Flow Calculation) and DEM (Particle Tracks Calculation) has been performed. To assess and validate the approach proposed, the Gravel Packing process of horizontal wells has been used as a test for the simulations of the present work, which is widely used by Petrobras for contemplating deepwater and ultra-deep water wells and that needs a better comprehension to search more efficient and economical considerations. The obtained results in the present work turned out to be very much promising, which means that it is possible to work numerically with the complex problem of high solids concentration. The main results of this study show a validation of the wave alpha height obtained in numerical simulation within simulators data of Petrobras. The results proved the applicability of the approach and that the CFD-DEM coupling may, in the future, be used to aid in the design operation of Gravel Packing in horizontal wells