Escoamento monofasico BCS

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Escoamento monofasico por uma BCS

Text of Escoamento monofasico BCS

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

    CENTRO DE TECNOLOGIA

    CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE

    PETRLEO

    TESE DE DOUTORADO

    SIMULAO DO ESCOAMENTO MONOFSICO EM UM ESTGIO DE UMA

    BOMBA CENTRFUGA UTILIZANDO TCNICAS DE FLUIDODINMICA

    COMPUTACIONAL

    CARLA WILZA SOUZA DE PAULA MAITELLI

    Orientador

    Prof. Dr. WILSON DA MATA

    Co-orientadora

    Profa. Dra. VANJA MARIA DE FRANA BEZERRA

    Natal/RN, dezembro/2010

  • ii

    SIMULAO DO ESCOAMENTO MONOFSICO EM UM ESTGIO DE UMA

    BOMBA CENTRFUGA UTILIZANDO TCNICAS DE FLUIDODINMICA

    COMPUTACIONAL

    CARLA WILZA SOUZA DE PAULA MAITELLI

    Natal/RN, dezembro/2010

  • Seo de Informao e Referncia

    Catalogao da Publicao na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

    Maitelli, Carla Wilza Souza de Paula.

    Simulao do escoamento monofsico em um estgio de uma bomba centrfuga

    utilizando tcnicas de fluidodinmica computacional / Carla Wilza Souza de Paula

    Maitelli. Natal, RN, 2010. 182 f. : il.

    Orientador: Wilson da Mata.

    Co-orientadora: Vanja Maria de Frana Bezerra.

    Tese (doutorado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Centro de Cincias Exatas e da Terra. Programa de Ps-Graduao em

    Cincia e Engenharia de Petrleo.

    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.

    RN/UF/BCZM CDU 621.67

  • iv

    RESUMO

    As tcnicas de explorao e produo de petrleo tm evoludo nas ltimas dcadas no

    sentido de incrementar as vazes de fluido e otimizar a utilizao dos equipamentos

    empregados. A base do funcionamento do mtodo de elevao por Bombeio Centrfugo

    Submerso (BCS) a utilizao de um motor eltrico de fundo para movimentar uma bomba

    centrfuga e transportar os fluidos at a superfcie. O Bombeio Centrfugo Submerso uma

    opo que vem ganhando espao entre os mtodos de Elevao Artificial em funo da

    capacidade de trabalhar com grandes vazes de lquido em ambientes terrestres ou martimos.

    O desempenho de um poo equipado com elevao por BCS est intrinsecamente relacionado

    ao funcionamento da bomba centrfuga que faz parte do sistema. ela que tem a funo de

    transformar a potncia cedida pelo motor em altura de elevao ou Head. Neste trabalho foi

    desenvolvido um modelo computacional para analisar o escoamento tridimensional em uma

    bomba centrfuga utilizada em Bombeio Centrfugo Submerso. Atravs do programa

    comercial, o CFX ANSYS, inicialmente utilizando a gua como fluido, foram definidos a

    geometria e os parmetros de simulao de forma que, fosse obtida, uma aproximao do que

    ocorre no interior dos canais do impelidor e do difusor da bomba em termos de escoamento.

    Trs diferentes condies de geometria foram inicialmente testadas para verificar qual a mais

    adequada resoluo do problema. Aps a escolha da geometria mais adequada, trs

    condies de malha foram analisadas e os valores obtidos foram comparados curva

    caracterstica experimental de altura de elevao fornecida pelo fabricante. Os resultados se

    aproximaram da curva experimental, o tempo de simulao e a convergncia do modelo foram

    satisfatrios se for considerado que o problema estudado envolve anlise numrica. Aps os

    testes com a gua, um leo, foi utilizado nas simulaes. Os resultados foram comparados a

    uma metodologia utilizada na indstria do petrleo para correo da viscosidade. De uma

    forma geral, para os modelos com gua e com o leo, os resultados com os fluidos

    monofsicos se mostraram coerentes com as curvas experimentais e so uma avaliao

    preliminar para a anlise, atravs de modelos computacionais tridimensionais, do escoamento

    bifsico no interior dos canais da bomba centrfuga utilizada em sistemas de BCS.

    Palavras-chave: bombas centrfugas; Fluidodinmica Computacional; Volumes Finitos;

    Simulao Computacional; Bombeio Centrfugo Submerso.

  • v

    ABSTRACT

    Oil production and exploration techniques have evolved in the last decades in order to

    increase fluid flows and optimize how the required equipment are used. The base functioning

    of Electric Submersible Pumping (ESP) lift method is the use of an electric downhole motor

    to move a centrifugal pump and transport the fluids to the surface. The Electric Submersible

    Pumping is an option that has been gaining ground among the methods of Artificial Lift due

    to the ability to handle a large flow of liquid in onshore and offshore environments. The

    performance of a well equipped with ESP systems is intrinsically related to the centrifugal

    pump operation. It is the pump that has the function to turn the motor power into Head. In this

    present work, a computer model to analyze the three-dimensional flow in a centrifugal pump

    used in Electric Submersible Pumping has been developed. Through the commercial program,

    ANSYS CFX, initially using water as fluid flow, the geometry and simulation parameters

    have been defined in order to obtain an approximation of what occurs inside the channels of

    the impeller and diffuser pump in terms of flow. Three different geometry conditions were

    initially tested to determine which is most suitable to solving the problem. After choosing the

    most appropriate geometry, three mesh conditions were analyzed and the obtained values

    were compared to the experimental characteristic curve of Head provided by the

    manufacturer. The results have approached the experimental curve, the simulation time and

    the model convergence were satisfactory if it is considered that the studied problem involves

    numerical analysis. After the tests with water, oil was used in the simulations. The results

    were compared to a methodology used in the petroleum industry to correct viscosity. In

    general, for models with water and oil, the results with single-phase fluids were coherent with

    the experimental curves and, through three-dimensional computer models, they are a

    preliminary evaluation for the analysis of the two-phase flow inside the channels of

    centrifugal pump used in ESP systems.

    Keywords: Centrifugal Pumps; Computational Fluid Dynamics, Finite Volumes, Computer

    Simulation, Electric Submersible Pumping.

  • vi

    AGRADECIMENTOS

    Ao meu orientador, professor Wilson da Mata e minha co-orientadora, professora

    Vanja Maria de Frana Bezerra, pela confiana em mim depositada durante a realizao deste

    trabalho;

    Ao professor Lcio Fontes, pela imensa contribuio na confeco do modelo

    geomtrico da bomba;

    Anna Gisele e Evellyne, pela amizade e ajuda;

    Roseane, pelo auxlio na composio das figuras;

    Aos pesquisadores, alunos, funcionrios e professores que desenvolvem suas

    atividades no LAUT, principalmente aos meus colegas do projeto AUTOPOC e do

    Laboratrio C, pelos momentos agradveis que compartilhamos juntos;

    Ao engenheiro Rutcio Costa, pelas informaes e pelo incentivo;

    PETROBRAS, pelo apoio financeiro;

    s minhas irms, Carla Suely e Carla Simone, presentes nos perodos mais difceis;

    Aos meus pais, Wilson e Valdete, que sempre acreditaram na educao e formao de

    suas filhas;

    Em especial, minha filha, Lase, por compreender, desde muito cedo, os momentos

    de ausncia.

  • vii

    DEDICATRIA

    Ao meu marido Andr Maitelli, companheiro de uma vida.

  • viii

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... xii

    LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... xviii

    LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................................ xx

    CAPTULO 1

    Introduo geral ...................................................................................................................... 2

    1.1 - Os desafios tecnolgicos na indstria do petrleo e o Bombeio

    Centrfugo Submerso ................................................................................................................. 2

    1.2 - Problema proposto e motivao ........................................................................................ 3

    1.3 - Objetivos do trabalho ........................................................................................................ 4

    1.3.1 - Objetivo geral ..................................................................................................... 4

    1.3.2 - Objetivos especficos ......................................................................................... 5

    1.4 - Etapas e relevncia do trabalho ......................................................................................... 6

    1.5 - Organizao do trabalho ................................................................................................... 7

    CAPTULO 2

    A produo de petrleo e os mtodos de Elevao Artificial ............................................ 10

    2.1 - Introduo ..............................................................................................