Estudo do escoamento em um separador tubo-ciclônico de instalação no fundo de um poço de petróleo através da fluidodinâmica computacional

Abstract

O controle da produção de areia em poços de petróleo e gás tem sido um assunto de grande interesse da indústria do petróleo. A produção de sólidos (areia) tem relação direta com o aumento dos custos de produção e tem sido amplamente relatada na literatura. Destacam-se o desgaste prematuro de equipamentos, redução ou interrupção do fluxo devido a acúmulos, aumento considerável no número de operações de intervenção e principalmente a falta de sondas para as operações de intervenção. Dentre as opções disponíveis para lidar com a produção de areia, o separador tubo-ciclônico instalado no fundo do poço de poços petrolíferos visa minimizar danos a coluna de produção, bombas e demais equipamentos percorrido pela mistura (fluidos e sólidos), sem contudo, causar significativa perda de carga como ocorre em telas, slotted liner, gravel packs e frac-pack. Seu princípio de funcionamento é baseado na geração de um campo centrífugo devido à velocidade tangencial da mistura formada por condições impostas pela geometria do equipamento, com consequente  separação das fases por diferença de densidade. Os sólidos separados acumulam-se em tubos instalados na parte inferior do separador, necessitando portanto de intervenções para limpeza.

A fim de compreender a dinâmica de fluidos associada a este tipo de separador, lançou-se mão da fluidodinâmica computacional. A análise iniciou com a representação geométrica tridimensional do espaço percorrido pelos fluidos, onde os detalhes do separador foram considerados, tal geometria foi utilizada para gerar malhas não-estruturadas, optou-se por este tipo de malha devido a complexidade da geometria. Para as simulações foram consideradas algumas simplificações, tais como, escoamento monofásico e fluido Newtoniano. Outros modelos e parâmetros para as simulações seguiram o exposto na literatura, tais como escoamento em regime permanente, modelo de turbulência k-ε realizável, o algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) para o acoplamento velocidade-pressão e second-order upwind para a interpolação dos termos de convecção. Acrescenta-se ainda a consideração de fluxo isotérmico, devido às condições de operação do separador. Para as propriedades do fluido e condições de contorno, considerou-se massa específica fixa, devido à pouca influência no processo de separação de partículas, vazão de entrada e viscosidade variáveis. Os resultados numéricos para as velocidades tangencial e axial, não mostraram boa concordância com os padrões de velocidade da literatura, sobretudo, devido à diferença entre os separadores analisados. Por outro lado as relações entre vazão, viscosidade e velocidade tangencial mostraram concordância com os resultados apresentados na literatura, através da análise do comprimento de decaimento. Pode-se observar também que os efeitos causados por detalhes geométricos como arredondamentos, chanfros e encaixes, não tiveram influencia significativa no gradiente de velocidades, podendo ser simplificados a fim de melhorar o processo de geração de malhas.