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O desenvolvimento de técnicas adequadas para extração eficiente de óleo de reservatórios de petróleo passa pela simulação precisa de tais fenômenos, que é alcançada através do estudo de modelos matemáticos e métodos computacionais robustos, eficientes e precisos. Neste contexto, este trabalho visa o estudo de métodos numéricos para a simulação de escoamentos bifásicos em meios porosos heterogêneos. Para tanto, propomos uma abordagem numérica do tipo staggered para estes modelos, que se baseia na aproximação de forma desacoplada dos sistemas de equações diferenciais parciais referentes aos problemas de Darcy e da saturação das fases. Dessa forma, podem ser empregados métodos numéricos específicos para cada sistema, que melhor se adequem às suas caractrerísticas. Assim, propomos o estudo de métodos de elementos finitos mistos, estáveis e estabilizados, clássicos e híbridos e localmente conservativos para o cômputo da velocidade da mistura e de um método de volumes finitos não-oscilatório de alta ordem, baseado em esquemas centrais, para a equação hiperbólica não-linear que governa o transporte da saturação das fases. Resultados numéricos comprovam a flexibilidade, a taxa de convergência e o custo computacional dos métodos adotados, além de demonstrar a eficácia dos métodos quando aplicados a simulação de problemas associados a extração de petróleo em cenários fortemente heterogêneos. The development of techniques for efficient oil extraction from reservoirs passes through the simulation of such phenomena, which is achieved by the study of mathematical models and robust, precise and efficient computational methods. This dissertation studies methods for the simulation of two-phase flows in heterogeneous porous media. To do so, we propose a “staggered” numerical approach for the numerical methods, that is based on the approximation of uncoupled systems of differential equations related to Darcy’s problems and saturation of the phases. Then, appropriate methods for each system, that best suit its characteristics can be applied. Therefore, we propose studying locally conservative finite element methods, stable and stabilized, classical and hybrid to approximate the velocity field and a non-oscillatory high order finite volume method, based on central schemes, to approximate the non-linear hyperbolic equation that governs the transport of phases. Numerical results attest to the flexibility, convergence rate and computational cost of the adopted methods, and demonstrate the effectiveness of such methods when applied to oil extraction in various heterogeneous porous media scenarios.

Orientador: Antonio Carlos Bannwart Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Para que todo o potencial das reservas de óleo pesado existentes seja explorado são necessários o desenvolvimento de novas tecnologias e o aprimoramento de tecnologias já existentes. A produção e transporte deste tipo de óleo carregam consigo um conjunto de novos desafios devidos principalmente a sua alta viscosidade e densidade. A técnica de coreflow e uma das tecnologias ainda em desenvolvimento que busca uma resposta a estes desafios. Ela consiste na injeção de uma fina camada de água nas laterais do tubo, formando um filme ao redor do núcleo de óleo, evitando o contato direto entre o óleo e a parede do tubo. Nestas condições a perda de carga por atrito torna-se comparável a do escoamento monofásico de água. Algumas questões importantes sobre escoamento de óleos viscosos assistidos com água permanecem sem resposta, tal como o procedimento de repartida de uma linha apos uma parada súbita imprevista das bombas de óleo e de água. Este trabalho apresenta diversos experimentos de repartida de escoamento assistido com água. A repartida de uma linha parcialmente bloqueada com óleo viscoso, apos uma parada inesperada das bombas de água e óleo, foi realizada utilizando se somente água. Diversas configurações iniciais em termos de holdup de óleo, tempo em que o óleo permanece parado antes da repartida e vazão de água usada na repartida foram testadas Abstract: In order to explore thoroughly the potential of existing heavy oil reserves it is necessary to develop new technologies and improve existing technologies. Heavy oil production and transport carry a set of new challenges due mainly its high viscosity and density. The core flow method is one of the new technologies in development that may provide an answer to those challenges. It consists in the lateral injection of a thin water layer that forms a film around de oil core, thereby avoiding direct oil-wall contact. In such conditions, frictional pressure drop becomes comparable to that observed in single phase water flow at mixture flow rate. Some important questions about the water-assisted flow of heavy oils remain unanswered, such as the possibility of re-starting the pipeline after an unexpected stop of the water and oil pumps. This work presents the results of several water assisted re-starting experiments. The re-start of a pipe partly blocked with viscous oil, after an unexpected stop of the water and oil pumps, was performed using a water flow only (i.e. a cleaning operation). Several initial configurations in terms of oil holdups, time in which the oil remain stopped before the re-start and water flow rate used in the re-start were tested Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Ricardo Dias M. de Carvalho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Geociências Resumo: O transporte de misturas complexas, como o escoamento gás-líquido, depende de vários parâmetros, incluindo o padrão de escoamento. O escoamento bifásico é bastante comum na indústria petrolífera. Em operações off-shore, líquido e gás escoam por longos trechos verticais, horizontais e inclinados através de linhas de escoamento e risers antes de serem separados na superfície. No presente trabalho, um aparato experimental, com uma tubulação de 54 mm de diâmetro, foi montado para simular o escoamento horizontal intermitente, água-ar. As características do escoamento foram investigadas usando duas estações de sensores ultrassônicos, separados por uma distância conhecida ao longo da tubulação, e filmagens realizadas com uma câmera ultrarrápida (1000 quadros por segundo). Cada estação ultrassônica consistia de um transdutor pulso-eco (posicionado a 0o) e três sensores receptores posicionados em diferentes ângulos ao longo da circunferência da tubulação (45o, 135o, 180o). Os parâmetros obtidos foram: velocidade da bolha alongada, comprimentos da bolha alongada, do pistão de líquido e da célula unitária, e frequência de passagem da célula unitária. Um algoritmo foi elaborado a fim de identificar qual estrutura (bolha alongada ou pistão de líquido) escoava na frente do sensor. Através desse programa foi possível calcular a espessura do filme de líquido assim como as vazões volumétricas das fases. A técnica de ultrassom se mostrou eficiente e apresentou um custo relativamente baixo para investigar as características do escoamento pistonado. A presença de muitas bolhas na cauda da bolha alongada pode causar erros nas medições que pôde ser observado através da filmagem, porém, dados provenientes de outros sensores em conjunto com os dados do sensor posicionado na parte inferior da tubulação podem auxiliar a detectar a transição da cauda da bolha para o começo do pistão de líquido Abstract: Transport processes in complex mixtures such as gas-liquid flows depend on various parameters, including the flow pattern. Two-phase flow is very common in petroleum industry. During off-shore production, liquid and gas phases travel long distances through flow-lines and risers before being separated. In the present work, experimental data are presented on the axial flow topology of horizontal, air-water slug flows in a 54-mm inner diameter acrylic pipe. The flow structure was investigated using two stations of an ultrasonic apparatus positioned at a known distance from each other along the flow direction and high-speed motion pictures (1000 fps) of the flow. Each ultrasonic station consisted of one emitter transducer (positioned at 0o) and three receivers at different angles (45º, 135º and 180º) along the pipe circumference. The parameters obtained were: elongated bubble velocity; elongated bubble, liquid slug and unit cell lengths, and unit cell frequency and flow rates of liquid and gas phases. An algorithm was made to identify which structure (elongated bubble or liquid slug) was passing in front of the transducer. This program made it possible to calculate the volumetric flow rates. Results shown by both techniques agreed against each other, however, more tests at other flow rates should be held to which for correlations could be made Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

In this work we analyze a heat exchanger type cylindrical evaporator usually employed on the domestic refrigerators. The internal flow occurs with a fluid in phase change process. Equations representing the problem under study are the equations of conservation of mass momentum and energy. The tool used to solve these differential equations is the generalized integral transform technique (GITT) produces hybrid solutions for both the hydrodynamic field as for the thermal field. The used model for the evaporator considers it as straight duct and with stratified flow where both phase liquid and vapor can flow with different too. To avoid mathematical complexity of modeling each phase separately is introduced the void fraction concept. The thermal and hydrodynamic fields are studied on the dimensional form and combine as a coupled problem. The thermal field is plotted against enthalpy. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Neste trabalho analisamos um trocador de calor do tipo evaporador cilíndrico, largamente utilizado em refrigeradores domésticos. O escoamento interno ocorre com um fluido em mudança de fase. As equações representativas do problema em estudo são as equações da conservação da massa, da quantidade de movimento e da energia. A ferramenta utilizada para solucionar estas equações diferenciais é a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), que produz soluções híbridas tanto para o campo hidrodinâmico como para o campo térmico. O modelo considera que este evaporador é um tubo reto, com escoamento estratificado, onde ambas as fases, líquida e gasosa, podem escoar com velocidades diferentes. Para evitar a complexidade de se modelar cada fase separadamente é introduzido o conceito de fração de vazio. Os campos de velocidade e térmico são estudados na forma adimensional e formam um problema acoplado. O campo térmico é representado em função da entalpia.