Development of ultrasonic techniques for measurements of liquid film thickness in gas-liquid and liquid-liquid flows

Um dos problemas cruciais no atual cenário da indústria nacional de petróleo é a medição das vazões de óleo, gás e água produzidos por cada poço. Este problema se agrava no contexto da produção de óleos pesados sob condições offshore em águas profundas, dadas as condições adversas desse ambiente, alta viscosidade do óleo, formação de emulsões com água, dificuldade natural para sua elevação e escoamento, entre outras. Excetuando os casos em que um poço é testado, quando então sua produção pode ser determinada na superfície, não se dispõe atualmente de sistemas e métodos de medição simples, confiáveis e não-intrusivos para as vazões de cada poço. O presente trabalho investiga a utilização de técnicas de ultra-som para fins de monitoramento do filme de água em escoamentos gás-líquido e líquido-líquido. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta de medição de espessura instantânea do filme líquido em escoamentos gás-líquido e líquido-líquido utilizando técnicas de ultra-som. A medição do tempo de trânsito do sinal acústico ultra-sônico através de uma camada de material - líquido, gás ou sólido - permite a obtenção da espessura local e instantânea dessa camada, a partir do conhecimento da velocidade de propagação do som nesse meio, através de calibração prévia. Assim, por meio de diversos experimentos com diferentes pares de fluidos e padrões de escoamento, pretende-se definir as melhores condições para utilização do ultra-som para esse fim. Os tempos de trânsito podem ser detectados através dos picos de amplitude gerados quando os pulsos refletidos atingem o receptor. A utilização do ultra-som é uma técnica não intrusiva e não-invasiva, isto é, não causa perturbações ao escoamento, possibilitando ainda medições in situ em tempo real de grandezas de escoamentos múltifásicos presentes inclusive na indústria do petróleo. Este estudo mostrou ser possível a aplicação da técnica de ultra-som paia escoamentos gás-líquido, uma vez que a diferença de impedância acústica permite que grande ,parte do pulso incidente seja refletida na interface entre os dois meios líquidos. Em escoamentos líquido-líquido, o monitoramento da espessura de filme é mais difícil, sendo necessário o uso de recursos computacionais mais robustos. A pequena diferença de impedância acústica entre os líquidos, muitas vezes, dificulta a captação do pulso correspondente à interface entre os meios líquidos. Um outro fator agravante é a presença de emulsões em escoamentos líquido-líquido ou óleos com viscosidades maiores. Nessas situações, a atenuação do pulso refletido na interface entre os dois meios líquidos é ainda maior.One of the most important problems in the current scenario of petroleum industry is the flow rate measurements of oil, gas and water produced by each well. This problem becomes more complicated in the context of heavy oils production under offshore conditions in deepwater, due to the adverse environment, high oil viscosity, formation of emulsion with water, difficulties for its lift and flow, etc. Excepting the cases in which a well is being tested, when its flow rate can be determined at the surface, it does not exist any simple, reliable and non-intrusive system or measurement method for flow rate of an individual well. The present work looks over an application of ultrasonic techniques for monitoring of water film in gas-liquid and liquid-liquid flows. The specific purpose of this work is to develop a toei for instantaneous thickness measurement of liquid film in gas-liquid and liquid-liquid flows by ultrasonic techniques. The transit time measurement of an acoustic signal through a material layer (solid, liquid or gas) allows its local and instantaneous evaluation, knowing the ultrasound propagation speed for each medium from previous calibration. ln this way, through several experiments with different fluid pairs and flows pattems, it intends to establish the better conditions for application of the ultrasound technique. The transit times can be detected through the amplitude peaks generated when the reflected pulses reach the receiver. The ultrasound application is a non-invasive and non-intrusive technique, that is, it does not cause any disturbance in the flow, allowing in situ measurements in real time of many parameters of multiphase flows inc1uding the petroleum industry. This study showed the possibility of applying a pulse-echo technique t6 the gas-liquid flows, because the acoustic impedance difference allows the majority of incidem,t ultrasound be reflected in the gas-liquid interface. The monitoring of liquid films thickness is more difficult in liquid-liquid flows, being necessary the use oi rugged computational resources. The low difference of acoustic impedance between liquids can make more difficult the reception of a pulse which corresponds to the liquid-liquid interface. Another difficulty occurs when emulsions are formed or the oil is highly viscous. ln these situations, the attenuation of reflected ultrasound from the liquid-liquid interface is still larger