Escoamento monofasico BCS

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    16-Nov-2015

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Escoamento monofasico por uma BCS

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<ul><li><p> UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE </p><p>CENTRO DE TECNOLOGIA </p><p>CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA </p><p>PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE </p><p>PETRLEO </p><p>TESE DE DOUTORADO </p><p>SIMULAO DO ESCOAMENTO MONOFSICO EM UM ESTGIO DE UMA </p><p>BOMBA CENTRFUGA UTILIZANDO TCNICAS DE FLUIDODINMICA </p><p>COMPUTACIONAL </p><p>CARLA WILZA SOUZA DE PAULA MAITELLI </p><p>Orientador </p><p>Prof. Dr. WILSON DA MATA </p><p>Co-orientadora </p><p>Profa. Dra. VANJA MARIA DE FRANA BEZERRA </p><p>Natal/RN, dezembro/2010 </p></li><li><p>ii </p><p>SIMULAO DO ESCOAMENTO MONOFSICO EM UM ESTGIO DE UMA </p><p>BOMBA CENTRFUGA UTILIZANDO TCNICAS DE FLUIDODINMICA </p><p>COMPUTACIONAL </p><p>CARLA WILZA SOUZA DE PAULA MAITELLI </p><p>Natal/RN, dezembro/2010 </p></li><li><p>Seo de Informao e Referncia </p><p>Catalogao da Publicao na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede </p><p> Maitelli, Carla Wilza Souza de Paula. </p><p> Simulao do escoamento monofsico em um estgio de uma bomba centrfuga </p><p>utilizando tcnicas de fluidodinmica computacional / Carla Wilza Souza de Paula </p><p>Maitelli. Natal, RN, 2010. 182 f. : il. </p><p>Orientador: Wilson da Mata. </p><p>Co-orientadora: Vanja Maria de Frana Bezerra. </p><p>Tese (doutorado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Centro de Cincias Exatas e da Terra. Programa de Ps-Graduao em </p><p>Cincia e Engenharia de Petrleo. </p><p>1. Bombas centrfugas Tese. 2. Fluidodinmica computacional Tese. 3. Volumes finitos Tese. 4. Simulao computacional Tese. 5. Bombeio centrfugo submerso Tese. I. Mata, Wilson da. II. Bezerra, Vanja Maria de Frana. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Ttulo. </p><p>RN/UF/BCZM CDU 621.67 </p></li><li><p>iv </p><p>RESUMO </p><p>As tcnicas de explorao e produo de petrleo tm evoludo nas ltimas dcadas no </p><p>sentido de incrementar as vazes de fluido e otimizar a utilizao dos equipamentos </p><p>empregados. A base do funcionamento do mtodo de elevao por Bombeio Centrfugo </p><p>Submerso (BCS) a utilizao de um motor eltrico de fundo para movimentar uma bomba </p><p>centrfuga e transportar os fluidos at a superfcie. O Bombeio Centrfugo Submerso uma </p><p>opo que vem ganhando espao entre os mtodos de Elevao Artificial em funo da </p><p>capacidade de trabalhar com grandes vazes de lquido em ambientes terrestres ou martimos. </p><p>O desempenho de um poo equipado com elevao por BCS est intrinsecamente relacionado </p><p>ao funcionamento da bomba centrfuga que faz parte do sistema. ela que tem a funo de </p><p>transformar a potncia cedida pelo motor em altura de elevao ou Head. Neste trabalho foi </p><p>desenvolvido um modelo computacional para analisar o escoamento tridimensional em uma </p><p>bomba centrfuga utilizada em Bombeio Centrfugo Submerso. Atravs do programa </p><p>comercial, o CFX ANSYS, inicialmente utilizando a gua como fluido, foram definidos a </p><p>geometria e os parmetros de simulao de forma que, fosse obtida, uma aproximao do que </p><p>ocorre no interior dos canais do impelidor e do difusor da bomba em termos de escoamento. </p><p>Trs diferentes condies de geometria foram inicialmente testadas para verificar qual a mais </p><p>adequada resoluo do problema. Aps a escolha da geometria mais adequada, trs </p><p>condies de malha foram analisadas e os valores obtidos foram comparados curva </p><p>caracterstica experimental de altura de elevao fornecida pelo fabricante. Os resultados se </p><p>aproximaram da curva experimental, o tempo de simulao e a convergncia do modelo foram </p><p>satisfatrios se for considerado que o problema estudado envolve anlise numrica. Aps os </p><p>testes com a gua, um leo, foi utilizado nas simulaes. Os resultados foram comparados a </p><p>uma metodologia utilizada na indstria do petrleo para correo da viscosidade. De uma </p><p>forma geral, para os modelos com gua e com o leo, os resultados com os fluidos </p><p>monofsicos se mostraram coerentes com as curvas experimentais e so uma avaliao </p><p>preliminar para a anlise, atravs de modelos computacionais tridimensionais, do escoamento </p><p>bifsico no interior dos canais da bomba centrfuga utilizada em sistemas de BCS. </p><p>Palavras-chave: bombas centrfugas; Fluidodinmica Computacional; Volumes Finitos; </p><p>Simulao Computacional; Bombeio Centrfugo Submerso. </p></li><li><p>v </p><p>ABSTRACT </p><p> Oil production and exploration techniques have evolved in the last decades in order to </p><p>increase fluid flows and optimize how the required equipment are used. The base functioning </p><p>of Electric Submersible Pumping (ESP) lift method is the use of an electric downhole motor </p><p>to move a centrifugal pump and transport the fluids to the surface. The Electric Submersible </p><p>Pumping is an option that has been gaining ground among the methods of Artificial Lift due </p><p>to the ability to handle a large flow of liquid in onshore and offshore environments. The </p><p>performance of a well equipped with ESP systems is intrinsically related to the centrifugal </p><p>pump operation. It is the pump that has the function to turn the motor power into Head. In this </p><p>present work, a computer model to analyze the three-dimensional flow in a centrifugal pump </p><p>used in Electric Submersible Pumping has been developed. Through the commercial program, </p><p>ANSYS CFX, initially using water as fluid flow, the geometry and simulation parameters </p><p>have been defined in order to obtain an approximation of what occurs inside the channels of </p><p>the impeller and diffuser pump in terms of flow. Three different geometry conditions were </p><p>initially tested to determine which is most suitable to solving the problem. After choosing the </p><p>most appropriate geometry, three mesh conditions were analyzed and the obtained values </p><p>were compared to the experimental characteristic curve of Head provided by the </p><p>manufacturer. The results have approached the experimental curve, the simulation time and </p><p>the model convergence were satisfactory if it is considered that the studied problem involves </p><p>numerical analysis. After the tests with water, oil was used in the simulations. The results </p><p>were compared to a methodology used in the petroleum industry to correct viscosity. In </p><p>general, for models with water and oil, the results with single-phase fluids were coherent with </p><p>the experimental curves and, through three-dimensional computer models, they are a </p><p>preliminary evaluation for the analysis of the two-phase flow inside the channels of </p><p>centrifugal pump used in ESP systems. </p><p>Keywords: Centrifugal Pumps; Computational Fluid Dynamics, Finite Volumes, Computer </p><p>Simulation, Electric Submersible Pumping. </p></li><li><p>vi </p><p>AGRADECIMENTOS </p><p> Ao meu orientador, professor Wilson da Mata e minha co-orientadora, professora </p><p>Vanja Maria de Frana Bezerra, pela confiana em mim depositada durante a realizao deste </p><p>trabalho; </p><p> Ao professor Lcio Fontes, pela imensa contribuio na confeco do modelo </p><p>geomtrico da bomba; </p><p> Anna Gisele e Evellyne, pela amizade e ajuda; </p><p> Roseane, pelo auxlio na composio das figuras; </p><p> Aos pesquisadores, alunos, funcionrios e professores que desenvolvem suas </p><p>atividades no LAUT, principalmente aos meus colegas do projeto AUTOPOC e do </p><p>Laboratrio C, pelos momentos agradveis que compartilhamos juntos; </p><p> Ao engenheiro Rutcio Costa, pelas informaes e pelo incentivo; </p><p> PETROBRAS, pelo apoio financeiro; </p><p> s minhas irms, Carla Suely e Carla Simone, presentes nos perodos mais difceis; </p><p> Aos meus pais, Wilson e Valdete, que sempre acreditaram na educao e formao de </p><p>suas filhas; </p><p> Em especial, minha filha, Lase, por compreender, desde muito cedo, os momentos </p><p>de ausncia. </p></li><li><p>vii </p><p> DEDICATRIA </p><p>Ao meu marido Andr Maitelli, companheiro de uma vida. </p></li><li><p>viii </p><p>SUMRIO </p><p>LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... xii </p><p>LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... xviii </p><p>LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................................ xx </p><p>CAPTULO 1 </p><p>Introduo geral ...................................................................................................................... 2 </p><p>1.1 - Os desafios tecnolgicos na indstria do petrleo e o Bombeio </p><p>Centrfugo Submerso ................................................................................................................. 2 </p><p>1.2 - Problema proposto e motivao ........................................................................................ 3 </p><p>1.3 - Objetivos do trabalho ........................................................................................................ 4 </p><p> 1.3.1 - Objetivo geral ..................................................................................................... 4 </p><p> 1.3.2 - Objetivos especficos ......................................................................................... 5 </p><p>1.4 - Etapas e relevncia do trabalho ......................................................................................... 6 </p><p>1.5 - Organizao do trabalho ................................................................................................... 7 </p><p>CAPTULO 2 </p><p>A produo de petrleo e os mtodos de Elevao Artificial ............................................ 10 </p><p>2.1 - Introduo ....................................................................................................................... 10 </p><p>2.2 - O reservatrio e o poo de petrleo ................................................................................ 10 </p><p> 2.2.1 - Sistemas de produo ......................................................................................... 10 </p><p> 2.2.2 - Sistema petrolfero. O reservatrio e os mecanismos de produo ................... 11 </p><p> 2.2.3 - Fases da vida de um poo ................................................................................. 14 </p><p> 2.2.3.1 - Perfurao .............................................................................................. 14 </p><p>2.2.3.2 - Avaliao ............................................................................................... 16 </p><p> 2.2.3.3 - Completao .......................................................................................... 16 </p><p>2.2.3.4 - Produo ................................................................................................. 17 </p><p>2.2.3.5 - Abandono ............................................................................................... 18 </p><p>2.3 - Elevao Natural e produtividade do poo ..................................................................... 18 </p><p>2.4 - Principais mtodos de Elevao Artificial ...................................................................... 23 </p></li><li><p>ix </p><p>2.4.1 - Bombeio Mecnico (BM) .................................................................................. 23 </p><p>2.4.2 - Bombeio de Cavidades Progressivas (BCP) ...................................................... 26 </p><p>2.4.3 - Gas Lift Contnuo (GLC) e Gas Lift Intermitente (GLI) ................................... 28 </p><p> 2.4.4 - Plunger Lift ....................................................................................................... 32 </p><p> 2.4.5 - Bombeio Hidrulico a Jato (BHJ) ..................................................................... 34 </p><p> 2.4.6 - Bombeio Centrfugo Submerso (BCS) ............................................................. 36 </p><p> 2.4.6.1 - Noes gerais ........................................................................................ 36 </p><p> 2.4.6.2 - Histrico ................................................................................................ 37 </p><p> 2.4.6.3 - Descrio do sistema BCS .................................................................... 38 </p><p>2.5 - Bombas centrfugas utilizadas em BCS .......................................................................... 40 </p><p> 2.5.1 - Definies e classificao .................................................................................. 40 </p><p> 2.5.2 - Caractersticas das bombas utilizadas em BCS .................................................. 42 </p><p> 2.5.3 - Leis de Afinidade. Velocidade especfica .......................................................... 45 </p><p>2.6 - Consideraes sobre a anlise do escoamento em bombas centrfugas .......................... 46 </p><p>CAPTULO 3 </p><p>Fluidodinmica Computacional (CFD) e suas aplicaes ................................................. 49 </p><p>3.1 - Introduo ....................................................................................................................... 49 </p><p>3.2 - Definies ....................................................................................................................... 49 </p><p>3.3 - As leis da conservao. A equao da Continuidade e as equaes </p><p>de Navier-Stokes ..................................................................................................................... 51 </p><p>3.4 - Classificao das equaes diferenciais parciais. Condies iniciais e condies de </p><p>contorno ................................................................................................................................... 55 </p><p>3.5 - Modelos de turbulncia ................................................................................................... 58 </p><p>3.6 - A discretizao por Volumes Finitos e as malhas computacionais ................................ 64 </p><p>CAPTULO 4 </p><p>Estado da arte ........................................................................................................................ 74 </p><p>4.1 - Introduo ....................................................................................................................... 74 </p><p>4.2 - Modelos tericos e experimentais para caracterizar o escoamento no interior </p><p>de bombas centrfugas ............................................................................................................. 74 </p></li><li><p>x </p><p>4.3 - A Fluidodinmica Computacional (CFD) e suas aplicaes em modelos </p><p>tridimensionais para escoamentos em turbomquinas ............................................................ 77 </p><p>4.3.1 - Origem e desenvolvimento de CFD ...................................................................... 77 </p><p>4.3.2 - Modelos bidimensionais e tridimensionais para o escoamento em </p><p>bombas centrfugas utilizando CFD e o Mtodo dos Volumes Finitos ................................... 78 </p><p>CAPTULO 5 </p><p>Metodologia e caracterizao do problema ........................................................................ 84 </p><p>5.1 - Introduo ....................................................................................................................... 84 </p><p> 5.2 - Modelo geomtrico ......................................................................................................... 84 </p><p> 5.2.1 - Geometria no formato CAD ................................................................................ 84 </p><p>5.2.2 - Geometria desenvolvida no ANSYS CFX .................................................... 89 </p><p>5.3 - Gerao das malhas ..................................................................................................</p></li></ul>