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A perda de circulação é um fenômeno comum na indústria de petróleo e gás, caracterizada pela invasão do fluido de perfuração na formação rochosa sendo perfurada. Neste trabalho, propõe-se modelar e simular numericamente a perda de circulação causada pela presença de uma fratura discreta durante o processo de perfuração e sua respectiva obturação utilizando materiais de combate à perda. Geralmente, o fluido de perfuração possui características não newtonianas e, dessa forma, um fluido de lei de potência foi utilizado. Espera-se que o material de controle de perda, representado por partículas esféricas, seja transportado pelo fluido até a fratura e se deposite em seu interior. Para tanto, uma combinação dos modelos numéricos DDPM (dense discrete phase model) e DEM (discrete element method) foi utilizada. O problema é analisado a partir das principais variáveis de controle nominalmente, o índice de potência (0,4≤ n ≤0,6) e de consistência do fluido (0,7≤ m ≤1,3 Pa.sn), a razão entre massas específicas da partícula e do fluido (2,00≤ ρp/β ≤2,50) e seu diâmetro (0,5≤ Dp ≤0,7 mm) e da vazão no poço (0,130≤ uβ,CH,i ≤0,392 m/s). Para variáveis de resposta, foram utilizados os monitoramentos da perda de fluido através da fratura (Qfuga) e da pressão na entrada do poço (pent). Além disso, parâmetros geométricos do leito de partículas formado no interior da fratura foram analisadas: posição (hpct,i) e comprimento do leito (hpct) e preenchimento vertical da fratura (epct). Os resultados gerais indicam que, para a faixa de parâmetros estudada, o tempo de preenchimento não mostrou alterações para o índice de potência e foi menor quando da utilização de índices de consistência e velocidades de escoamento mais baixos bem como para diâmetros e razões entre massas específicas maiores. A vazão de fuga ao final do processo foi reduzida de maneira mais acentuada quando índices de consistência e velocidades menores são utilizadas, mesmo comportamento observado para diâmetros menores e razões entre massas específicas maiores. Por fim, a pressão na entrada do canal foi mais sensível ao processo de injeção sempre que um índice de potência, de consistência e velocidade menores são utilizados, bem como para diâmetros e razões entre massas específicas maiores. Isso indica que a utilização da combinação fluido não newtoniano e partículas é preferível, sempre que possível. Lost cirulation is a common problem in the oil and gas industry, defined as the fluid invasion into the formation being drilled. In this work, the mathematical modeling and numerical simulation of the lost circulation caused by the presence of a single and discrete fracture in the drilling process and its respective obturation applying lost circulation materials (LCM) are investigated. Usually, the drilling fluid presents non-Newtonian characteristics and, therefore, a power law fluid will be used in the simulations. It is expected that LCM, which is represented as spherical particles, will be carried by the fluid up to the fracture location and will deposit inside it, forming a fixed bed. For that, the Dense Discrete Phase Model (DDPM) and the Discrete Element Method (DEM) will be combined to correctly account for particle and fluid motion. The problem will be analyzed by its key control parameters, namely, power (0,4≤ n ≤0,6) and consistency index (0,7≤ m ≤1,3 Pa.sn), particle to fluid density ratio (2,00≤ ρp/β ≤2,50), diameter (0,5≤ Dp ≤0,7 mm) and the flow rate at the wellbore (0,130≤ uβ,CH,i ≤0,392 m/s). The response variables are the flow rate of fluid loss at the fracture end Qfuga and the pressure at the bottom of the wellbore (pent). Moreover, geometric characteristics of the particle bed will also be monitored: position (hpct,i), length (hpct) and vertical filling of the fracture (epct). The goal is to provide guidance for how the control parameters influence the response variables in hopes of providing more adequate parameters for the approach of lost circulation. Results show that, for the range of control parameters studied in this work, the filling time did not show significant variations for the power index and was lower when consistency index and flow velocities were also lower, as well as for higher diameters and density ratios. The flow rate fluid loss at the end of the filling process was more sharply reduced when lower consistency index and fluid velocities are employed, with the same behavior observed for bigger diameters and density ratios. Lastly, the pressure at the fractured channel inlet shows to be more sensible to the particle injection process whenever lower power, consistency index and velocity are applied along with higher density ratios and diameter. This indicate that the mixture of non-Newtonian fluid and particles should be prefferred over Newtonian fluid with particles, whenever possible.

As incrustações em equipamentos e sistemas de completação de poço podem causar problemas de produtividade, com extração limitada de petróleo, danos a equipamentos e riscos de segurança. No presente trabalho propõe-se um modelo numérico para simulação do escoamento líquido-sólido no processo de formação de incrustações em geometria de duto cilíndrico, com base no teste experimental Dynamic Tube Blocking (DTB), incorporando os efeitos de crescimento de cristais e adesão entre partículas e em superfícies através de User Defined Functions (UDF). A solução é obtida utilizando abordagem Euler-Lagrange, com modelagem numérica feita pelo acoplamento CFD-DEM com interação de quatro vias entre as fases. Resultados são apresentados para cenários com e sem adesão e crescimento, avaliando os efeitos da vazão de fluido Qβ (2,5; 5,0; 10 mL/min), do diâmetro da partícula dp (20; 30; 40 μm), da razão de massa específica partícula-fluido ρp/β (2,5; 4,5; 6,5) e da razão de intensidade da força adesiva em relação ao peso da partícula χ (0; 25; 50; 75; 100 (x103)). A análise é feita com base no formato do leito de partículas, do campo de velocidades do fluido e através da resposta da pressão dimensional e adimensional ao longo do tempo. Foi constatado que a vazão de fluido e o diâmetro da partícula alteram o regime de escoamento e o leito de partículas, proporcionando diferentes efeitos na resposta da adesão e da pressão. Além disso, percebeu-se aumento na pressão com a razão de força adesiva χ, sendo que para o maior valor testado foi observado aumento de 16 vezes na pressão em relação ao escoamento monofásico. O modelo proposto permitiu a análise da influência do crescimento e da adesão na interação entre as fases, indicando a relevância de diferentes propriedades no problema de incrustação. Os resultados reforçam a pertinência de um modelo numérico para estudo detalhado dos efeitos predominantes. Scale in downhole equipment and completion systems can cause productivity issues, with limited oil output, equipment damage and safety issues. This work proposes a numerical model for simulating liquid-solid flow for the scaling formation process in a cylindrical duct, inspired by the experimental test Dynamic Tube Blocking (DTB), incorporating the effects of crystal growth and adhesion through User Defined Functions (UDF). The solution is obtained using an Euler-Lagrange approach, with the numerical formulation done by the CFD-DEM coupled method and a four-way interaction between phases. The results are presented for scenarios with and without adhesion and particle growth, with evaluation of the effects of fluid flow Qβ (2,5; 5,0; 10 mL/min), particle diameter dp (20; 30; 40 μm), particle-fluid specific mass ratio ρp/β (2,5; 4,5; 6,5) and ratio of the adhesive force to the weight of the particle χ (0; 25; 50; 75; 100 (x103)). The analysis is done based on the shape of the particle bed, the fluid velocity field and through the pressure response over time. It was verified that fluid flow and particle diameter change the flow regime and the particle bed, producing different effects on the adhesion and pressure response. Furthermore, it was noticed the increase of pressure with the adhesive force ratio χ, with the highest tested value resulting in a 16-fold pressure increase over the single-phase flow. The proposed model allowed the analysis of the influence of growth and adhesion on the interaction between phases, indicating the relevance of different properties in the scaling problem. The results emphasize the pertinence of a numerical model for the detailed study of predominant effects.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) A indústria de óleo e gás enfrenta diversos problemas na extração e produção de petróleo, e para realizar estudos que auxiliem na resolução desses problemas, muitas vezes são utilizados longos circuitos de tubulações. Esses estudos são muitas vezes custosos e necessitam de grandes instalações para serem montados e conduzidos. Uma parte desses estudos vem sendo realizada em células de balanço, que surgiram como alternativa em relação a escoamentos bombeados, podendo ter dimensões reduzidas, conter altas pressões e ter um controle melhor da temperatura de maneira economicamente viável. Contudo, até o conhecimento do autor, ainda existem poucos estudos que descrevam o comportamento hidrodinâmico do escoamento dentro das células de balanço. Esse trabalho apresenta um estudo numérico (implementado no software aberto OpenFOAM utilizando o modelo multifásico VOF) e experimental (desenvolvido exclusivamente para a validação do modelo numérico) de um escoamento bifásico ar-água dentro de uma célula de balanço de 1,2 m de comprimento e 51,8 mm de diâmetro interno. A célula de balanço, em questão, permite alterar três principais fatores que geram o movimento dos fluidos: frequência de oscilação, razão de preenchimento e ângulo máximo de inclinação. Neste estudo foram utilizadas três frequências de oscilação definidas por valores pré- determinados pelos equipamentos: 0,925rad/s, 1,24rad/s e 1,55rad/s. A razão de preenchimento foi variada de 10% até 90% e a angulação máxima da célula foi fixada em 17,5°, ângulo que trouxe movimentos bem definidos das fases. As simulações numéricas foram validadas de forma satisfatória com experimentos. Os casos reproduzidos apresentaram escoamentos com características de escoamento estratificado e em golfadas. As análises foram realizadas no centro do tubo. As vazões dos fluidos na área de estudo se mostraram iguais entre as fases, apenas com sentidos diferentes, atingindo velocidades de até 2,5 m/s. O modelo numérico aqui desenvolvido e validado pode ser usado como ferramenta de estudo para auxiliar no entendimento dos fenômenos reais que envolvem escoamentos bifásicos em células de balanço. The oil and gas industry faces several problems in the extraction and production of oil, and to carry out studies that assist in solving these problems, long piping circuits are often used. These studies are often costly and require large facilities to be set up and conducted. Part of these studies has been carried out in rocking cells, which have emerged as an alternative in relation to pumped flows, which may have reduced dimensions, contain high pressures and have better temperature control in an economically viable way. However, as far as the author is aware, there are still few studies that describe the hydrodynamic behavior of the flow within the rocking cells. This work presents a numerical study (implemented in the open software OpenFOAM using the multiphase model VOF) and experimental (developed exclusively for the validation of the numerical model) of a two-phase air-water flow inside a 1.2m long rocking cell and 51.8 mm internal diameter. The cell, in question, allows changing three main factors that generate the movement of fluids: oscillation frequency, fill ratio and maximum angle of inclination. In this study we used three oscillation frequencies defined by valleys predetermined by the equipment: 0.925rad / s, 1.24rad / s and 1.55rad / s. The filling ratio was varied from 10% to 90% and the maximum angulation of the cell was fixed at 17.5 °, an angle that brought well-defined phase movements. The numerical simulations were satisfactorily validated with experiments. The reproduced cases presented flows with stratified and slug flow characteristics. The analysis were performed in the center of the tube. Fluid flow rates in the study area were found to be the same between the phases, only with different directions, reaching velocities of up to 2.5 m/s. The numerical model developed and validated here can be used as a study tool to assist in the understanding of real phenomena that involve two-phase flows in rocking cells.

O escoamento bifásico gás-liquido ocorre em diferentes aplicações industriais, como na indústria do petróleo. Diferentes modelos hidrodinâmicos têm sido desenvolvidos ao longo das últimas décadas a fim de predizer os comportamentos do escoamento nas tubulações de petróleo, as quedas de pressão, bem como os coeficientes de transferências de calor e massa. Os padrões de escoamento podem variar não somente devido a diferenças geométricas, como também dependendo das diferentes condições termodinâmicas que determinam o comportamento das fases da mistura óleo-gás. As altas concentrações de dióxido de carbono associadas às altas pressões encontradas nos processos de extração definem um novo desafio para a indústria petrolífera. As condições termodinâmicas associadas às altas pressões encontradas nestes reservatórios (acima da pressão crítica do CO2) aproximam a mistura às suas condições críticas durante o processo de extração. Nestas circunstâncias, a razão entre as massas específicas das fases líquido e gás torna-se próxima à unidade, dificultando a modelagem hidrodinâmica do escoamento. Porém, reproduzir estes escoamentos a alta pressão experimentalmente representaria um processo de periculosidade e de alto custo energético. Assim, o presente trabalho avalia a utilização de uma nova mistura a fim de simular a razão de massas específicas próxima a unidade encontrada em condições supercríticas para reduzir as pressões de trabalho durante o estudo do escoamento multifásico. Esta dissertação se propõe a estudar o comportamento das fases do sistema binário formado por um gás de alta densidade hexafluoreto de enxofre (SF6) e óleo mineral, projetando e montando um aparato experimental para a utilização do método sintético na obtenção de dados de equilíbrio de fases. Na presente pesquisa, dados de equilíbrio de fases foram computados para a mistura SF6 e óleo mineral Hydra XP 32 para temperaturas variando entre 10 e 35ºC para diferentes composições globais mássicas (0,05 a 0,25 de SF6). As medidas experimentais das pressões do ponto de bolha foram realizadas empregando-se o método sintético em três diferentes técnicas: visual, acústico e comportamento da curva pressão-volume. O objetivo principal do presente estudo foi o de identificar se a mistura binária poderia ser utilizada como fluido-modelo para simular as condições críticas encontradas nos reservatórios do pré-sal, e caso fosse considerada apta, determinar as pressões máximas de trabalho para manter os escoamentos em um regime bifásico. Os dados produzidos pela pesquisa serão utilizados no projeto de um circuito de escoamento bifásico de alta pressão afim de manter a mistura em condições bifásicas e evitar a formação de uma terceira fase. Gas-liquid two-phase flow occurs in several industrial applications as the oil industry. Distinct hydrodynamic models were and are still being developed along the last few decades in order to predict the flow patterns in pipelines, the pressure drop and the heat and mass transfer coefficients. The flow patterns cannot only vary depending on different geometrical conditions, but also on different thermodynamic conditions, which determine the phase behavior of the oil-gas mixture. High concentrations of carbon dioxide express a current great challenge in the oil extraction industry. The thermodynamic conditions related to the high pressures found in the reservoirs (higher than the CO2 critical pressure) approximate the mixture to its critical pressure during the extraction. This approximation to the critical point makes it difficult to distinguish the two phases and approximates their densities effecting directly the flow patterns in pipelines. Such conditions are difficult to reproduce in laboratory scale, due to not only the great amount of energy, but also to the unsafe settings it needs. Therefore, a new mixture was proposed to emulate this two-phase density approximation using a high-density gas (SF6) and a low-density liquid (mineral oil) in order to reproduce the conditions in lower pressure, and studying its thermodynamic behavior is key to understanding the flow patterns conditions. In the present research, phase equilibrium data of mineral oil Hydra XP 32 and sulfur hexafluoride (SF6) are determined at temperatures between 10 and 35ºC under different mixture concentrations (from 0.05 to 0.25 of SF6). The isothermal synthetic method was used and three different techniques were compared (visual, ultrasonic and pressure-volume observations) to determine mixture bubble points at different temperatures and point out different mixture behaviors. The main goal of this research was to identify if the binary mixture can be used as a model-fluid for simulating the critical highpressure conditions found in the pre-salt reservoirs, and if só, determine the maximum pressure in which the two-phase system will be maintained under different system temperatures. The data produced by this research will be used on the project of a high-pressure flow loop in order to maintain the mixture in a two-phase flow avoiding three-phase state.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Escoamentos multifásicos são encontrados em diversos processos industriais, como nos processos de produção de petróleo nos quais óleo, água e gás escoam em tubulações. O conhecimento de parâmetros do escoamento, como fração de fases, distribuição de fases e vazão multifásica, é importante para o monitoramento e controle dos processos onde os escoamentos ocorrem. Nesse sentido, diferentes técnicas foram desenvolvidas e testadas no passado. A maioria delas não é aplicada universalmente, mas sim em condições específicas de operação em que são necessários inúmeros procedimentos de calibração ou ajuste. Portanto, o desenvolvimento ou aprimoramento de técnicas de medida para atender diferentes condições de operação é de fundamental importância. Assim, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um medidor de vazão multifásico em linha, não radioativo, simples e com alta resolução temporal. Para a obtenção da vazão individual de fases é necessário estimar a fração volumétrica e a velocidade individual das fases em um escoamento. Para isso diferentes técnicas de medidas precisam ser combinadas em um medidor. Inicialmente foi desenvolvido e validado um sensor capacitivo twin-plane para medir fração de fase em escoamentos gás-líquido. O sensor também é capaz de gerar imagens diretas do escoamento, isto é, imagens da distribuição das fases podem ser geradas sem o uso de algoritmos de reconstrução. Além disso, a geometria gêmea (twin-plane) permite estimar o tempo de trânsito de estruturas de fluxo por meio de sinais de correlação cruzada dos sensores gêmeos. O sensor foi avaliado, em condições estáticas e dinâmicas, comparando seus resultados com medidas de referência e valores simulados. Um segundo sistema foi proposto para estimar as frações de fases e a distribuição de fases em fluxos trifásicos gás-líquido-líquido compostos por um meio altamente condutor de corrente elétrica (como ocorre na produção de petróleo com água de produção). O sistema é baseado em uma nova topologia do difundido sensor wire-mesh. Medições foram realizadas em condições estáticas e dinâmicas de misturas estratificadas e de dispersões água-em-óleo. Ambos os sensores de impedância mencionados acima são capazes de realizar medições com altas taxas de aquisição, sendo que o primeiro tem a vantagem de ser não intrusivo e o último de ter uma melhor resolução espacial. O último sistema proposto (objetivo principal do trabalho) é um medidor de vazão para escoamentos gás-líquido que combina informações do sensor capacitivo e de um tubo de Venturi. A vazão individual das fases é calculada por meio de técnicas de processamento de dados e aproximações algébricas. O medidor proposto não necessita do conhecimento prévio do título do escoamento, nem da obtenção de parâmetros a partir de simulações ou a partir de um banco de dados extenso - como comumente ocorre em diferentes protótipos e sistemas comerciais. O sistema desenvolvido foi validado em uma bancada horizontal para diferentes combinações de vazões de gás e líquido. As principais contribuições deste trabalho para o campo de aplicação é o desenvolvimento e combinação de sensores, que aliados às técnicas de processamento de dados, permitem estimar parâmetros do escoamento. Os resultados bastante promissores podem encorajar, em trabalhos futuros, a expansão do medidor de vazão para escoamentos trifásicos - com a ajuda da nova topologia wire-mesh - e para aplicações industriais. Multiphase flows are present in several areas of industry, such as in petroleum production in which oil, gas and water flow through pipelines. The knowledge of flow parameters – e.g. phase fractions, phase distribution and flow rate – is essential to monitor and control the processes where multiphase flow occur. Several measuring techniques have been developed and tested over the last years. Most of them cannot be applied universally but only in specific operation conditions requiring repeated calibration or adjustment procedures. Therefore, the development and improvement of measurement techniques applied in different operational conditions are of great importance. In this context, the main objective of this work is the development of an inline gas-liquid flow rate meter, non-radioactive, simple (to develop and install in the test facility) and presenting a high temporal resolution. The estimation of the flow rate of individual phases requires the measurement of volumetric fractions and velocities of the phases in a flow. Thus, different sensors have to be combined in a single device. Initially, we developed and evaluated a twin plane capacitive sensor to measure phase fraction in gas-liquid flows. The sensor is also capable of generating direct images of the flow, i.e., images of phase distribution can be generated without the use of reconstruction algorithms. Additionally, the twin geometry allows the estimation of the transit time of flow structures by cross-correlating signals of the twin sensors. We have evaluated the sensor in static and dynamic conditions by comparing the results with reference measurements and simulated values. A second system was proposed to estimate phase fractions and phase distribution in three-phase gas-liquid-liquid flows composed by a high conductive media (as commonly found in petroleum production with produced water). The system is based on a new topology of the well-established wire-mesh sensor. We performed measurements in static and dynamic conditions of stratified mixtures and of water-in-oil dispersions. Both impedance sensors can perform measurements at high acquisition rates. The twin-plane capacitive sensor has the advantage of being non-intrusive, whereas the novel wire-mesh sensor has a better spatial resolution. The last (and the main objective of this thesis) proposed system is a gas-liquid flow rate meter which combines information of the twin plane capacitive sensor and a Venturi meter. The flow rate of individual phases is calculated using data processing techniques and algebraic approximations. Here it is not required the previous knowledge of gas quality neither obtaining parameters from simulations or an extensive database – as commonly occurs in current commercial or prototype systems. The developed flow meter was tested in a horizontal flow loop for different combinations of gas and liquid flow rates. The main contributions of this work to the field of application is the development and combination of sensors, which allied to data processing techniques allows the estimation of flow parameters. The good results may encourage, in future works, the expansion of the flow rate meter to three-phase mixtures - by the aid of the new wire-mesh topology – and to industrial applications.

O escoamento multifásico é um fenômeno presente em várias aplicações industriais, como reatores químicos, geração de energia, e na exploração, produção e transporte de petróleo e gás natural. A classificação do padrão de escoamento é uma etapa fundamental nesse tipo processo, pois, influencia diversas medidas e subprocessos como estimação de vazão mássica e/ou volumétrica, cálculo de fração de vazio, tamanho de bolha, fator de escorregamento, etc. Neste trabalho são propostas algumas abordagens de classificação de padrões para escoamento vertical líquido-gás utilizando séries temporais de fração de vazio, técnicas de processamento de sinais e aprendizado de máquina. Uma vez obtidas as séries temporais, são utilizadas duas abordagens inéditas para o problema da classificação de padrões: a primeira é atualização de um modelo de mistura de gaussianas e o segundo é a utilização da transformada de Hilbrt-Huang em séries temporais de fração de vazio. A última abordagem utilizada faz o cálculo dos quatro primeiros momentos estatísticos para gerar parâmetros para um algoritmo de classificação, muito utilizada em combinação com redes neurais para os problemas em identificação de padrões em escoamento multifásico. Posteriormente, os dados gerados através das técnicas descritas são utilizados como entrada nos algoritmos baseados em máquina de vetores suporte (Support Vector Machine - SVM) e análise de discriminante linear (Linear Discriminante analysis - LDA) para enfim, efetuar a identificação do padrão. Os resultados obtidos indicam um ótimo potencial para aplicação em sistemas reais e experimentos in loco. Foram propostos doze métodos de classificação de padrões combinando as técnicas de processamento de sinais e os algoritmos de classificação. Em alguns dos casos, a taxa de acerto foi superior a 90% no conjunto de dados referente ao escoamento água-ar vertical em tubos de 51,2mm. The classification of the flow pattern is a fundamental step in many processes that involve multiphase flow, among them, estimation of mass and/or volumetric flow, calculation of void fraction, bubble size, slip factor and so on. In this work some approaches are proposed to classify liquid-gas vertical flow patterns that combine signal processing techniques and machine learning. Wire-Mesh sensor data were used to obtain the time series of void fraction. They are analyzed through statistical and time-frequency approaches, generating parameters that are later used as inputs to the algorithms based on the Support Vector Machine (SVM) and Linear Discriminant Analysis (LDA) to finally identify the pattern. The tests performed indicate that some of the proposed algorithms perform better than 90% of the correct identification. The data used are from vertical water-air flow in 51.2mm tubes.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A indústria petrolífera utiliza tubos flexíveis em suas linhas de produção devido às suas características estruturais de baixa rigidez à flexão, o que facilita o processo de instalação quando comparados aos tubos rígidos. Os tubos flexíveis são compostos por várias camadas de materiais metálicos e não metálicos onde cada camada tem uma função específica. A camada mais interna dos tubos flexíveis, conhecida como camada intertravada ou camada corrugada, possui cavidades que são espaçadas entre si por uma distância constante e são essas cavidades que são responsáveis pelas características de flexibilidade desses tubos. A presença das cavidades nos tubos flexíveis proporciona alterações dinâmicas no escoamento, como por exemplo, alterações no gradiente de pressão, que é um parâmetro essencial para o projeto e dimensionamento de equipamentos, e necessita de predições confiáveis. Estudos presentes na literatura avaliam o gradiente de pressão para o escoamento bifásico em tubos lisos, contudo existe uma carência de estudos para o escoamento bifásico em tubos corrugados com diferentes características geométricas de cavidade. Neste cenário, o presente trabalho desenvolveu um estudo experimental para avaliar a influência da largura das cavidades de tubos corrugados com diferentes diâmetros internos no gradiente de pressão de um escoamento horizontal bifásico ar-água no padrão de escoamento golfadas, à temperatura e pressão ambiente. Foram utilizados três diferentes diâmetros internos de tubulação (26, 40,8 e 50 mm) e três larguras de cavidades (1,2, 1,6 e 2,0 mm). Observou-se que o gradiente de pressão do escoamento bifásico ar-água aumenta com o aumento da largura das cavidades do tubo corrugado e, a partir de uma regressão dos dados experimentais, uma nova correlação para o fator multiplicador de Lockhart e Martinelli foi proposta. A correlação possui uma concordância satisfatória, com desvios percentuais médios de 10% quando comparados contra os dados experimentais. Corrugated pipes have periodic cavities on inner wall that provide piping flexibility and dynamic changes in the flow. Oil and gas offshore production lines consist of corrugated pipes and the most observed flow pattern in these lines is slug flow. The pressure drop is an important project requirement for facilities design, safe operations and must be predicted quickly and reliably. Some studies proposed correlations to predict the pressure drop for slug flow in smooth pipes. However, limited research has evaluated the slug flow pressure drop in corrugated pipes. This work carried out an experimental analysis of horizontal air-water slug flow pressure drop in three different inner diameters (26, 40 and 50 mm ID) with three distinct cavities width (1.2, 1.6 and 2 mm). The effects of inner diameter and cavity width on slug flow pressure drop were analyzed. The results demonstrated that the increase of the cavities width in corrugated pipe increases the pressure drop. The experimental data were fitted and a pressure drop multiplier correlation was proposed. Comparison between predictions and experimental data showed 10% accuracy.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Secretaria da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI) Monitoramento da vazão de fluidos é essencial em processos industriais. Métodos de medição de vazão volumétrica tradicionais não são viáveis em algumas aplicações, como, por exemplo, em ambientes sujeitos a explosões ou sujeitos a campos eletromagnéticos intensos. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um transdutor a fibra ótica para medição de escoamento em tubulações industriais. A força criada pelo fluido em deslocamento resulta na deformação do cantilever tubular, no interior do qual estão coladas quatro fibras óticas, duas como elemento sensor, utilizando redes de Bragg, e duas para garantir o correto posicionamento das redes. A vazão é obtida monitorando a diferença dos dois comprimentos de onda de cada FBG, o que corrige também o problema da sensibilidade cruzada de temperatura e de deformação dos sensores. Além disso, o uso de abraçadeiras agrega outro ponto forte ao sensor, pois permite a fácil instalação e manutenção em tubulações industriais. Foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos a fim de calibrar e validar o transdutor. A maior sensibilidade na calibração dinâmica do Transdutor 1 é de 14,7 pm⁄mh³ ± 2,9 pm(t95% = 2,0) e do Transdutor 2 de 19,2 pm⁄mh³ ± 4,5 pm(t95% = 2,0). Para a calibração estática, a maior sensibilidade do Transdutor 1 é de 2,34 nm⁄N ± 31 pm(t95% = 2,1) e do Transdutor 2 de 3,2 nm⁄N ± 35 pm(t95% = 2,1). A diferença de sensibilidade entre os transdutores deve-se à rotação da sonda do Transdutor 1 durante o período de secagem da cola epóxi. O transdutor foi capaz de medir vazão na faixa de 0,5 m³⁄h a 6,0 m³⁄h, além de caracterizar escoamento gás-liquido. Diversas são as vantagens de utilizar fibras óticas como sensores de vazão e o desenvolvimento de dispositivos robustos permite sua utilização em ambientes agressivos como os industriais. Fluid flow monitoring is essential in industrial processes. Volumetric flow measurement methods are not feasible in some applications, such as in environments subject to explosions or subject to intense electromagnetic fields. The present work shows the development of an optical fiber transducer for flow measurement in industrial pipes. The force created by the displacing fluid results in the tubular cantilever deformation, within which are adhered four optical fibers, two as a sensor element using Fiber Bragg Grating and two to ensure the optimal geometrical positioning of FBGs. The flow rate is obtained by monitoring the two wavelengths difference of each FBG, which also corrects the cross sensitivity trouble of sensor temperature and strain. Furthermore, the use of clamps adds another strong point to the sensor as it allows easy installation and maintenance on industrial pipes. Static and dynamic tests were performed for transducer calibration and validation. The highest sensitivity in Transducer 1 dynamic calibration is 14,7 pm⁄mh³ ± 2,9 pm(t95% = 2,0) and Transducer 2, 19,2 pm⁄mh³ ± 4,5 pm(t95% = 2,0). For the static calibration the Transducer 1 highest sensitivity is 2,34 nm⁄N ± 31 pm(t95% = 2,1) and Transducer 2, 3,2 nm⁄N ± 35 pm(t95% = 2,1). The difference in sensitivity between the transducers is due to the rotation to the probe of Transducer 1 during the drying period of the epoxy adhesive.The transducer was able to measure flow rate in the range of 0,5 m³⁄h to 6,0 m³⁄h. Furthermore, the gas-liquid flow. There are several advantages of using optical fibers such as flow rate sensors and the development of robust devices allows them to be used in an aggressive industrial environments.

O fenômeno de perda de circulação é consequência da perfuração de poços de petróleo e gás em substratos permeáveis e é caracterizado pelo influxo de fluido de perfuração da região anular para a formação. Além dos custos adicionais relacionados com a necessidade constante de reposição do fluido perdido, danos à formação nas adjacências do poço são de ocorrência comum. Uma potencial solução é a adição de materiais de perda de circulação (LCM’s) ao fluido de perfuração para que uma camada de reboco se forme na parede do poço em filtração dinâmica. Neste trabalho, o escoamento bifásico líquido-sólido é simulado numericamente através de uma abordagem de Euler-Lagrange para representar o crescimento do reboco na interface poço-formação. A região anular do poço é idealizada como um canal vertical de seção transversal retangular em contato com um meio poroso anisotrópico, o qual é concebido na escala do poro (heterogêneo) como um arranjo de cilindros alternados. O escoamento particulado é ascendente e eventualmente as partículas, as quais representam o LCM, abandonam o canal adentrando o meio poroso onde pode ocorrer a geração do reboco. A simulação é realizada através do Método de Fase Discreta Densa (DDPM) no qual as equações da fase sólida e fluida são solucionadas separadamente. O Método dos Elementos Discretos (DEM) é empregado para calcular as interações de contato (colisão e atrito). A caracterização do combate à perda de circulação é realizada através da redução da vazão de fuga ao longo do tempo. Resultados mostram o efeito da variação do número de Reynolds no canal (125, 250, 500), da vazão inicial de fuga (5, 10, 20%), do diâmetro das partículas (0,50; 0,75; 1,00 mm), da razão de massa específica partícula-fluido (1,5; 2,5) e da configuração do meio poroso (porosidade, número de cilindros e garganta de poro). A eficiência do reboco na redução da vazão de fuga recai na formação de um plugue de partículas que seja capaz de obturar toda a altura do meio poroso, não permitindo que haja gargantas de poros desobstruídas. Tal aspecto é favorecido pela redução do diâmetro e da razão de massa específica, bem como pelo aumento do Reynolds e da vazão inicial de fuga. The lost circulation is a consequence of the well drilling in a permeable substrate, being characterized by the drilling fluid influx to the porous formation. Despite the additional costs associated with the need of continuous fluid replacement, another misfortune is the irreversible formation damage due to the fluid invasion, which may reflect negatively throughout the productive life of the well. Therefore, it is of utter importance to make use of preventive and corrective techniques, like the addition of lost circulation materials (LCM) to the drilling fluid. The LCM particles deposit over the porous formation under dynamic filtration and create a mud cake (filter cake) that helps diminishing the fluid invasion flow rate. In this work, the liquid-solid two-phase flow is numerically simulated via an Euler-Lagrange approach to represent the mud cake growth. The well annular region is considered as a vertical channel bounded by an anisotropic porous formation. The porous medium is conceived in the pore-scale as a periodic array of staggered cylinders. The fluid flows upward through the channel carrying the solid particles that mimic the LCM’s. The particles might eventually get into the porous formation and deposit, creating the mud cake. The equations for the fluid flow and for the particles movement are solved separately via the Dense Discrete Phase Model (DDPM). The particle-particle and particle-wall interactions like collision and friction are calculated via the Discrete Element Methods that is coupled to the DDPM. The effectiveness of the lost circulation mitigation is evaluated mainly by the decrease in the fluid invasion flow rate over time. The results demonstrate the influence of the variation of the Reynolds number on the channel (125, 250, 500), the initial fluid invasion flow rate (5, 10, 20%), the particles diameter (0.50, 0.75, 1.00 mm), the particle-fluid specific mass ratio (1.5, 2.5) and the configuration of the porous medium (porosity, number of cylinders and pore throat).

PETROBRAS O presente trabalho contempla a análise do desenvolvimento de filme de líquido em escoamento ascendente sob a ação dos campos centrífugo e gravitacional, localizado em uma câmara ciclônica de um sistema de distribuição. No estudo foi analisada a dinâmica de um escoamento bifásico líquido-gás a partir de simulações numéricas, tridimensionais e transientes. Na modelagem numérica do escoamento foi utilizado o modelo de dois fluidos euleriano-euleriano junto com o esquema compressivo para a captura da interface líquido-gás e o modelo de turbulência SST (Shear Stress Transport). As equações de balanço foram discretizadas utilizado o método dos volumes finitos baseados em elementos finitos. As simulações numéricas foram realizadas no software comercial ANSYS-CFX 15.0. O modelo numérico desenvolvido foi validado com base em dados experimentais fornecidos pelo NUEM (Núcleo de Escoamento Multifásico). Os resultados obtidos neste trabalho possibilitaram o entendimento da dinâmica do escoamento (formação, espalhamento, estabilidade e desenvolvimento) e como a variação das velocidades superficiais do líquido e do gás (0,5; 1,0; 1,5 e 2,0 m/s para ambas as fases) influenciam na estabilidade e no comportamento do escoamento de filme de líquido ascendente. Foi elaborado ainda um modelo matemático capaz de fornecer condições de comportamento médio de um escoamento no padrão golfadas para os casos analisados. Flows with free surface compose an important class of two-phase flows in the fluids mechanics. In various applications a thin film of liquid builds up on horizontal or vertical surfaces. This type of flow is denominated as liquid film flow. The present work contemplates the analysis of the development of liquid film in ascendant flow under the action of the centrifugal and gravitational fields, located in a cyclonic chamber of a distribution system. In the study, the dynamics of a liquid film flow were analyzed with the aid of three-dimensional and transient numerical simulations. The numerical model developed was validated based on experimental data provided by NUEM (Centre for Multiphase Flows). In the numerical modeling of the flow, were used the EulerianEulerian two fluid model coupled with the compressive discretization scheme for the capture of the liquid-gas interface and the Shear Stress Transport turbulence model. The balance equations were discretized using the finite volume based on finite elements method. Numerical simulations were supported by the commercial software ANSYS-CFX 15.0. The results obtained in this work enabled the understanding of flow dynamics (formation, spreading, stability and development) and how the superficial velocities of liquid and gas (0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 m/s for both phases) influence on the stability and behavior of the ascendant liquid film flow. A mathematical model capable of providing conditions that represent the average behavior of a slug flow pattern was also elaborate.

Escoamentos bifásicos líquido-gás estão presentes na natureza e em muitas atividades industriais. Neste tipo de escoamento, as fases líquida e gasosa podem assumir diferentes configurações espaciais dentro da tubulação, chamadas padrões de escoamento. O escoamento bifásico líquido-gás em golfadas é o padrão de escoamento mais frequente nas aplicações industriais, ocorrendo em uma ampla faixa de velocidades das fases segundo os estudos de diversos autores. A modelagem matemática para o escoamento em golfadas compreende desde modelos simples em regime estacionário até modelos mais complexos, em regime transiente. E, para solução destes modelos são necessárias correlações empíricas e distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento. Assim, no presente trabalho, vários modelos baseados em redes neurais artificiais são apresentados como suporte à caracterização dos parâmetros do escoamento bifásico em golfadas em função das séries temporais de fração de vazio obtidas experimentalmente. As séries temporais de fração de vazio são medidas com um par de sensores de malha de eletrodos instalado na seção de testes de uma planta experimental do NUEMUTFPR e descritas em Castillo (2015). A partir das séries temporais de fração de vazio medidas são calculados os parâmetros de interesse para o escoamento em estudo: comprimento da bolha alongada de gás, comprimento do pistão de líquido, velocidade de translação da bolha alongada e desvios padrões para essas variáveis. Essas variáveis medidas e calculadas são utilizadas para a obtenção de um conjunto de modelos baseados em rede neural artificial. Após obtenção dos modelos é realizado um estudo de simulação no qual esses modelos são usados para estimar os parâmetros que caracterizam o escoamento bifásico em golfadas. Análises detalhadas dos resultados mostraram que as variáveis relacionadas à fase gasosa são estimadas com maior acurácia que as variáveis relacionadas à fase líquida. Como aplicação imediata do modelo obtido, apresenta-se sua utilização como uma ferramenta de cálculo das condições iniciais para um modelo matemático fenomenológico de escoamento bifásico em golfadas com leve mudança de inclinação baseado no método de seguimento de pistões. O diferencial do presente trabalho está na predição da característica intermitente do escoamento bifásico líquido-gás em golfadas a partir do modelo neural, além da estimação de parâmetros médios para as variáveis de interesse com taxas de incerteza variando entre 10% e 16%. Gas-liquid two-phase flows are present in nature and in different industrial activities. In this type of flow, the liquid and gas phases assume different spatial configurations inside the pipe, called flow patterns. Slug flow is one of the most frequent flow patterns in industrial applications, occurring over a wide range of phase velocities according to studies presented by several authors. The mathematical modelling of slug flow comprises from simple steady state models to more complex models for transient regimes. Those models require closure relationships, e.g. empirical correlations and statistical distributions of characteristic flow parameters. In this work, several models based on artificial neural networks are presented as a support to the characterization of the two-phase slug flow parameters that depend on experimentally obtained void fraction time series. The void fraction time series are measured with a pair of wiremesh sensors installed in a test section of an experimental rig in the premises of the NUEM/UTFPR labs and described in Castillo (2015). From the time series of void fraction measurements relevant parameters to the flow under consideration are computed: the length of the elongated gas bubble, the liquid slug length, the translational velocity of the elongated bubble and the standard deviations for those variables. Those measured and calculated variables are used to obtain a set of artificial neural network-based models. After obtaining such models, a simulation study in which those models are used to estimate the parameters that characterize the two-phase slug flows is carried out. Detailed analysis of the results showed that the variables related to the gas phase are estimated with greater accuracy than the ones related to the liquid phase. As an immediate application of the obtained model, its use as a tool to calculate the initial conditions for a phenomenological mathematical model of twophase slug flow with a slight change of inclination based on a slug tracking method is presented. The differential of this study is to predict the intermittent features of the twophase slug flow by means of a neural model, as well as the estimation of average parameters for the variables of interest with uncertainly rates ranging between 10% and 16%.

Durante a perfuração de poços de petróleo é comum que a pressão do fluido de perfuração no poço seja maior que a pressão no interior da formação, o que pode fazer com que o fluido escoe no sentido da formação, num fenômeno denominado invasão. O escoamento no sentido da formação porosa carrega partículas que são retidas pelo substrato poroso, através do mecanismo de filtração, formando um leito de partículas na parede do poço. Neste trabalho, o modelo matemático e numérico do escoamento particulado através de um canal poroso posicionado verticalmente é investigado. O aumento da perda de carga provocado pela eventual obstrução do escoamento sobre o meio poroso devido à deposição de material particulado é investigado. O substrato poroso é representado através do modelo heterogêneo, cujo domínio sólido é descrito através de cilindros desconectados. A porosidade ao longo do domínio poroso é variada na direção axial do escoamento de acordo com a dimensão dos obstáculos, os quais são alocados num arranjo alternado. A análise é realizada em duas etapas. Na primeira o escoamento monofásico do fluido permite a determinação da permeabilidade e da perda de carga do meio poroso. A segunda etapa trata do processo de deposição de partículas presentes no escoamento sólido-fluido sobre o substrato poroso. A formulação matemática e a modelagem numérica para o escoamento particulado são representadas por uma abordagem Euler-Lagrange. A solução acoplada das fases discreta (partículas) e contínua (fluido) é realizada através da combinação dos modelos Dense Discrete Phase Model (DDPM) e Discrete Element Method (DEM). Resultados são obtidos para um fluido de massa específica e viscosidade semelhante à de um fluido de perfuração, com propriedades de uma mistura de 37,3% de água e 73,7% de glicerina, as partículas têm diâmetro variado de 0,6 a 0,8 mm e a porosidade do meio poroso varia entre 0,4 e 0,7. Resultados mostram que o aumento do diâmetro das partículas promove a redução da permeabilidade do meio resultante formado pelo meio poroso e o leito de partículas. O acréscimo da concentração de partículas injetadas implica em um aumento na queda de pressão, consequentemente na redução da permeabilidade através do canal. É possível observar também que existe um crescimento na espessura do leito com o aumento da concentração de partículas injetadas. During oil well drilling commonly the drilling fluid pressure in the well is greater than the pressure within the formation, which may cause the flow towards the porous substrate, a phenomenon referred to as invasion. The flow to porous formation carries particles which are retained by the substrate, through the filtration mechanism, originating a packed-bed of particles in the wall of the wellbore. In this paper, the mathematical and numerical model of particle flow through a porous channel positioned vertically is proposed. Increase in pressure loss caused by any obstruction of the flow through porous media due to deposition of particulate material is investigated. The porous substrate is represented by a heterogeneous model, which solid domain is described by disconnected cylinders. Porosity throughout the porous domain varies in the axial direction of the flow according to obstacle sizes, which are allocated in a staggered array. The analysis is performed in two steps. In the first, single-phase fluid flow allows the determination of permeability and pressure drop of the porous media. The second step is the process of particles deposition observed in two-phase flow into the porous substrate. Mathematical formulation and numerical modeling for particulate flow are represented by a Euler-Lagrange approach. The coupled solution of discrete phases (particles) and continuous (fluid) is performed by combining the models Dense Discrete Phase Model (DDPM) and Discrete Element Method (DEM). Results are obtained for a fluid with density and viscosity similar to a drilling fluid, with properties of a mixture with 37.3% of water and 73.7% of glycerin, the particles have diameters varying from 0.6 to 0.8 mm and the porosity of the porous medium is between 0.4 and 0.7. Results show that the diameter of the particles increase promotes the permeability reduction of the resulting medium formed by the porous medium and the particles bed. The increase of the injected particles concentration implies an increase in pressure drop, thus reducing the permeability through the channel. It is also observed that there is growth in the thickness of the bed with the increase of the concentration of injected particles.

CAPES Escoamentos bifásicos gás-líquido são muito comuns em aplicações industriais, especialmente nas indústrias de petróleo e gás, química e nuclear. Conforme variam as condições operacionais tais como vazões das fases, dimensão das tubulações e propriedades físicas dos fluidos, ocorrem diferentes configurações geométricas conhecidas como padrões de escoamento. No caso da produção de petróleo, o padrão encontrado com maior frequência é o de golfadas, onde se alternam regiões contínuas de líquido (pistões) e regiões de preponderância gasosa (bolhas alongadas). Em operações de produção de petróleo em águas profundas é comum encontrar cenários onde a tubulação ajusta-se ao relevo do leito marinho, apresentando leves mudanças de direção. Nesse contexto, no presente trabalho é desenvolvido um estudo experimental do escoamento bifásico líquido-gás no padrão golfadas em um duto com leve mudança de direção, composto por um trecho horizontal seguido por um trecho inclinado descendente. São produzidos escoamentos em condições controladas, dos quais são extraídos alguns parâmetros característicos. Os fluidos usados são água e ar e os experimentos são realizados no circuito de testes presente no NUEM (Núcleo de Escoamentos Multifásicos da UTFPR). A extração dos parâmetros é feita através de sensores resistivos, instalados em quatro seções da tubulação. Adicionalmente, duas câmeras de alta taxa de aquisição de imagens são utilizadas. Com os resultados obtidos, avalia-se a influência de uma leve mudança de direção nos parâmetros característicos e na transição do escoamento em golfadas para estratificado na região descendente. Gas-liquid two-phase flow is very common in industrial applications, especially in the oil and gas, chemical, and nuclear industries. As operating conditions change such as the flow rates of the phases, the pipe diameter and physical properties of the fluids, different configurations called flow patterns take place. In the case of oil production, the most frequent pattern found is slug flow, in which continuous liquid plugs (liquid slugs) and gas-dominated regions (elongated bubbles) alternate. Offshore scenarios where the pipe lies onto the seabed with slight changes of direction are extremely common. With those scenarios and issues in mind, this work presents an experimental study of two-phase gas-liquid slug flows in a duct with a slight change of direction, represented by a horizontal section followed by a downward sloping pipe stretch. The experiments were carried out at NUEM (Núcleo de Escoamentos Multifásicos UTFPR). The flow initiated and developed under controlled conditions and their characteristic parameters were measured with resistive sensors installed at four pipe sections. Two high-speed cameras were also used. With the measured results, it was evaluated the influence of a slight direction change on the slug flow structures and on the transition between slug flow and stratified flow in the downward section.

CAPES A análise do comportamento dos fluidos em escoamentos multifásicos possui grande relevância para garantia de segurança em instalações industriais. O uso de equipamentos para monitorar tal comportamento fica sujeito a fatores tais como, alto investimento e mão de obra especializada. Neste contexto, a aplicação de técnicas de processamento de imagens na análise do escoamento seria de grande auxílio, no entanto, poucas pesquisas foram desenvolvidas. Nesta tese, uma nova abordagem para segmentação de imagens baseada no método Level Set que une contornos ativos e conhecimento a priori é desenvolvida. Para tanto, um modelo da forma do objeto alvo é treinado e definido por meio do modelo de distribuição de pontos e então inserido como uma função de velocidade de extensão para evolução da curva de nível zero do método Level Set. A abordagem proposta cria um framework que consiste em três termos de energia e uma função de velocidade de extensão λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. Os três primeiros termos desta equação são os mesmo introduzidos em (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) e a última parcela θf é baseada na representação da forma do objeto proposta nesta tese. Duas variações do método são utilizadas: uma com restrição (Restrict Level Set - RLS) e outra sem restrição (Free Level Set - FLS). A primeira será utilizada na segmentação de imagens que contem alvos com pouca variação na forma e pose. A segunda deve ser utilizada para a identificação correta da forma de bolhas de gás no escoamento bifásico gás-líquido. A robustez e eficiência da abordagem RLS e FLS são apresentados em imagens do escoamento bifásico gás-líquido e na base de dados HTZ (FERRARI et al., 2009). Os resultados promissores confirmam o bom desempenho do algoritmo proposto (RLS e FLS) e indicam que a abordagem pode ser utilizada como um método eficiente para validação e/ou calibração de diversos equipamentos utilizados como medidores das propriedades do escoamento bifásico, bem como, em outros problemas de segmentação de imagens. The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

CAPES; ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS Escoamentos bifásicos são encontrados com frequência, em atividades industriais, como por exemplo, em reatores químicos e nas operações de produção e transporte de petróleo, onde escoamentos do tipo gás-liquido são os mais comuns. Esses são caracterizados pela passagem simultânea de dois fluidos imiscíveis em um duto, podendo tomar diversas formas ao longo da tubulação, chamado de padrão ou regime de escoamento. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos ou plantas onde tais ocorrem. Desta forma, a monitoração em tempo real de escoamentos bifásicos é de grande importância. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor inteligente para monitoramento de escoamento bifásico. Foram selecionados dois parâmetros importantes de monitoração, o primeiro deles é a fração de gás e o segundo a velocidade de translação de bolhas. Para isso foi desenvolvido uma sonda capacitiva que explora a diferença da permissividade elétrica das fases para diferenciá-las. Além disso, uma eletrônica anteriormente desenvolvida foi aprimorada para tornar possível a medição de dois canais simultaneamente e o firmware modificado para realização do cálculo de fração de vazio e velocidades de forma embarcada. A resposta da sonda capacitiva desenvolvida não depende apenas da proporção volumétrica das fases, mas também da forma que estão distribuídas em seu interior, portanto simulações de campo elétrico pelo método de elementos finitos foram realizadas para o levantamento da resposta do mesmo. A resposta do sensor foi validada através de testes estáticos e em escoamentos em plantas controladas, onde os resultados foram comparados com os obtidos, em medidas simultâneas com o sensor wire-mesh, adotado como referência neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que o sensor capacitivo é capaz de medir os parâmetros de forma satisfatória. Assim, este sensor pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitoração de escoamentos bifásicos. Two-phase flow is frequently found in industrial activities, for instance in chemical reactors or during oil production and transport, where gas-liquid flow type is the most common. Such flow is characterized by the simultaneous passage of two immiscible fluids in a pipe. The fluids may assume various spatial distributions in a pipe, which are classified into flow regimes. In many cases, the type of flow determines the efficiency and safety of the processes or plants in which they occur. The objective of this work is to develop a smart sensor for real-time monitoring of two-phase flows. Here two important monitoring parameters were selected; the first is the gas void fraction and the second translational bubble velocities. To this aim, a capacitive probe was developed that exploits the difference in electrical permittivity of the phases. In addition, a previously developed electronics have been further developed to make it possible to measure two channels simultaneously and the firmware has been modified for performing the calculation of the two parameters directly in the embedded microcontroller. The response of the capacitive probe depends not only on the volume fraction of the phases, but it also depends on the way they are distributed inside the pipe. In order to account for this, electric field simulations by finite element method were performed to survey the sensor responses. The overall sensor response was validated by static tests and controlled flow experiments in a pilot plant. The measurement results were compared with those obtained by simultaneous measurements with a wire-mesh sensor which was adopted as reference in this study. The results show that the capacitive sensor is able of measuring the parameters satisfactorily. Hence, the sensor can be applied in future work as a simple tool for two-phase flows monitoring.

CAPES; PETROBRAS O escoamento de gás-líquido descendente, no padrão golfadas é frequentemente encontrado em linhas de produção de petróleo provocado pela topografia do terreno. Assim, é necessário entender a dinâmica deste tipo de escoamento para o projeto de linhas de produção de óleo e gás, assim como para o dimensionamento de separadores e equipamentos. Neste cenário, no presente trabalho é caraterizado experimentalmente o escoamento bifásico de líquido-gás no padrão intermitente na direção descendente, em tubulações com inclinações de 0°, −4°, −7°, −10° e −13°. O estudo foi realizado utilizando o circuito experimental instalado no NUEM/UTFPR. Os experimentos foram conduzidos para diferentes condições de vazão de líquido e gás que garantam o padrão intermitente em golfadas, e para a monitoração das estruturas (fases) do escoamento foi utilizado um par de sensores de malha de eletrodos. A partir dos sinais temporais da fração de vazio adquiridos, foram extraídas as distribuições estatísticas dos parâmetros característicos do escoamento em golfadas, sendo estes: a velocidade de translação da bolha alongada, a frequência de passagem da célula unitária, o comprimento do pistão de líquido, o comprimento da bolha alongada e a fração de vazio na região da bolha alongada. Em posse dos dados experimentais processados, estes foram analisados com a finalidade de identificar a relação entre os parâmetros do escoamento em golfadas, tanto para suas distribuições estatísticas como para seu valor médio, com as vazões e propriedade dos fluidos. Foram elaboradas correlações, com intervalo de confiança de 95%, para calcular a frequência, velocidade da bolha alongada, comprimentos do pistão e da bolha, fração do líquido e de vazio; que certamente servirão de referência para o desenvolvimento de modelos matemáticos e desenvolvimento de projetos de engenharia. Downward slug flow in ducts of circular cross section is a frequently observed flow regime in oil and gas transportation lines. The onset of this kind of flow is due to instabilities generated by irregular pipe topography. Therefore, to understand the hydrodynamics of the slug flow is paramount in the design of crude oil production lines as well as in the project of equipment involved in oil and gas operations. The goal of this work is to experimentally analyze and characterize the two-phase gas-liquid intermittent downward flow in ducts with inclination angles of 0°, −4°, −7°, −10° and −13°. The analysis was performed at different gas-liquid volumetric flow rates for which the slug flow regime was observed. An existing experimental rig in the NUEM/UTFPR labs was used to collect data. A pair of wire-mesh sensors to evaluate the flow structure, thus obtaining void fraction temporal series was employed. From those series, statistical distributions for the characteristic parameters of such slug flows – namely the elongated bubble translational velocity, the unit cell frequency, the liquid slug and the elongated bubble lengths and the void fraction in the elongated bubble region – were obtained. The processed signals were analyzed so as to identify the relationship between the slug flow parameters, their statistical distributions and averaged values alike as functions of the flow rates and fluid properties. Correlations for slug frequency, elongated bubble velocity, liquid slug and bubble lengths as well as empirical expressions for the void and liquid fractions were developed, all within a confidence interval of 95%. It is expected that such correlations may contribute to the betterment of future engineering endeavours, and used in the development of similar mathematical models.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

PETROBRAS O presente trabalho aborda o estudo do escoamento líquido-gás na câmara de expansão típica de um separador ciclônico cilíndrico. Para entender o funcionamento do separador, analisa-se primeiro, o campo de velocidades da fase líquida dentro do equipamento. A análise é realizada em função de simulações numéricas e medições experimentais. Em função dos resultados é desenvolvido um modelo para o cálculo da velocidade e a espessura do escoamento de líquido ao longo do separador. O modelo desenvolvido apresenta resultados com boa precisão para uma ampla faixa de condições de operação e dimensões do separador. Na segunda etapa, uma formulação para o seguimento de bolhas é acoplada no modelo monofásico, com a finalidade de avaliar, de modo teórico, a separação de bolhas de um meio líquido contínuo. O estudo de escoamento bifásico permite identificar o comprimento ótimo do separador para garantir a separação das bolhas e também permite entender a influência das condições de operação sobre o processo de separação. Os resultados alcançados devem contribuir para o estado da arte no assunto e fornecer a engenheiros que atuam na área uma ferramenta relativamente simples para o dimensionamento desse tipo de separadores. This work approaches the study of gas-liquid flow in the expansion chamber of a typical cylindrical cyclonic separator. To understand its operation, first is analyzed the velocity field of the liquid phase inside the equipment. The analysis is based on numerical simulations and experimental measurements. From the results, is developed a model that determines the velocity and the thickness of the liquid film flow along the separator. The model developed produces results with good accuracy for a wide range of operating conditions and dimensions of the separator. In the second step, a formulation for bubble tracking is coupled in the single phase model, in order to evaluate its theoretical separation from a continuous liquid medium. The study of two-phase flow identifies the optimum length of the separator to separate bubbles and also allows understand the influence of operating conditions on the separation process. The results achieved should contribute to the state of the art in the subject and provide engineers working in the area a relatively simple tool for the design of these separators.

ANP; FINEP; MCT Misturas bifásicas líquido-gás são frequentemente transportadas em tubulações através de terrenos com relevos irregulares. Estas irregularidades ocasionam perturbações nos parâmetros do escoamento bifásico, portanto tornando-se necessário prever o comportamento destes escoamentos. Neste cenário, o presente trabalho estuda, numérica e experimentalmente, os efeitos causados por uma leve mudança de direção no escoamento bifásico. O estudo foi realizado para escoamentos bifásicos ar-água em padrão de golfadas em uma tubulação horizontal de 26 mm e 5,8 m de comprimento seguida de um trecho inclinado ascendente de 3,4 m de comprimento e mesmo diâmetro com uma leve mudança de direção de 7° com relação à horizontal. Na abordagem numérica utilizou-se o método de seguimento dos pistões (slug tracking), para prever o comportamento do escoamento quando se produz uma leve mudança de direção. O trabalho experimental foi realizado utilizando um circuito experimental projetado e instalado no LACIT/UTFPR. Nele, foram instalados sensores resistivos e transdutores de pressão em quatro pontos da seção de teste, chamadas estações de medida, com a finalidade de monitorar a evolução da fração do vazio, velocidade de translação da bolha, a pressão e os comprimentos do pistão de líquido e da bolha. Os resultados numéricos e experimentais foram comparados entre si como função dos resultados médios e de distribuições de frequência nas estações de medição, tendo sido observada uma boa concordância. Two-phase, liquid-gas flow mixtures are usually transported through pipes stretching over irregular terrains. Those irregularities disturb the flow characteristics, thus predicting the behaviour of such disturbed flows becomes necessary. The present work introduces an experimental and numerical study on the effects of a slight direction change on the behaviour of a gas-liquid two-phase slug flow. The aforementioned study was carried out in a 1” (26 mm), 5.8-m long transparent pipe section followed by a +7o inclined pipe (3.4-m long) transporting air-water two-phase mixtures at different flow rates. This experimental rig was designed and assembled in the LACIT/UTFPR labs. Resistive sensors and pressure transducers were installed at four testing positions in the pipe, designated as metering stations. Void fractions, bubble translational velocities, in situ pressures and the lengths of the liquid slug and the bubble region – as well as the fluctuations of those flow parameters – were measured at these stations. A classical slug tracking approach was applied as the numerical scheme. That approach attempts at simultaneously solving the one-dimensional mass and momentum conservation equations for each instant of time, resulting in coupled system of pressure-velocity equations. A mathematical model to predict the flow behaviour at the pipe position where the change in direction occurred was developed and implemented. The equations of such mathematical model were implemented as source terms in the slug tracking model. The numerical results were compared to the experimental data using averaged results and frequency distribution of the data collected at the metering stations, and a good agreement was observed.

No processo de perfuração, a perda de fluido para o reservatório é um dos principais fenômenos que podem comprometer a produtividade do poço. A eventual presença de fraturas, combinadas aos elevados gradientes de pressão, no conjunto poçoreservatório, intensifica o fenômeno de invasão de fluido. Quando não previsto, este fenômeno deve ser controlado de forma a restabelecer a circulação no poço. Neste trabalho, o controle da invasão de fluido é realizado através do processo de injeção de partículas sólidas para vedação das fraturas. A simulação numérica do problema investigado é dividida em duas partes, diferenciadas pelo tipo de escoamento no canal fraturado: escoamento monofásico de fluido, para a análise do fenômeno de invasão; e escoamento bifásico líquido-sólido, para o processo de preenchimento da fratura com material particulado. A formulação matemática e a modelagem numérica para o escoamento particulado são representadas por uma abordagem Euler-Lagrange. A solução acoplada das fases discreta (partículas) e contínua (fluido) é realizada através da combinação dos modelos Dense Discrete Phase Model (DDPM) e Discrete Element Method (DEM), disponíveis no programa ANSYS FLUENT. O preenchimento das fraturas é caracterizado pela análise do tempo de injeção (no canal) e formato do leito fixo (na fratura) das partículas. Esta caracterização é obtida através da variação dos parâmetros principais de injeção das partículas, que influenciam a concentração de partículas no interior do canal. Resultados mostram o efeito da variação da concentração de sólidos da fase particulada para diferentes parâmetros de monitoramento, sendo os principais a vazão de fluido pela saída da fratura, a pressão da mistura na entrada do canal e a concentração de partículas injetadas no canal. During the drilling process, the fluid loss to formation is one of the most important players that affect the productivity of the well. When combined with high pressure gradients at the wellbore-reservoir interface, fractures may eventually magnify the invasion phenomenon. These phenomena, when not predicted, must be controlled to restore the wellbore circulation. In this work, the fluid invasion is managed by injecting solid particles with the drilling fluid to obturate the fracture. The numerical simulation of the problem here investigated is divided in two parts, concerning the type of flow in the channel: monophase fluid flow, to analyze the invasion phenomenon and twophase flow (fluid and particles), to filling process of the fracture with particulated material. The mathematical formulation and numerical modeling are represented via an Euler-Lagrange approach. Coupled solution of discrete (particles) and continuum (fluid) phases is performed by combining the models Dense Discrete Phase Model (DDPM) and Discrete Element Method (DEM) available in ANSYS FLUENT. The filling of the fractures is characterized by analyzing the injection time (in the channel) and the format of the fixed bed (in the fracture) of the particles. This characterization is obtained by the variation of the main parameters for the particles injection that influence the concentration of particles within the channel. The results show the effect of varying the concentration of the solid particle phase for different monitoring parameters. The main parameters are the fluid flow rate through the outlet of the fracture the pressure of the mixture in the inlet of the channel and the concentration of particles injected into the channel.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T14:36:59Z No. of bitstreams: 1 TeseMarcioRentesBorgesBDTD.pdf: 4713354 bytes, checksum: 67b590f456e9b5a4ce45543532df7823 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-07T14:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMarcioRentesBorgesBDTD.pdf: 4713354 bytes, checksum: 67b590f456e9b5a4ce45543532df7823 (MD5) Previous issue date: 2006-02-07 Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro The spatial variations in porous media (aquifers and petroleum reservoirs) occur at all length scales (from the pore scale to the reservoir scale) and are incorporated in the governing equations for multiphase flow problems on the basis of random fields (geostatistical models). As a consequence, the velocity field is a random function of space. The randomness of the velocity field gives rise to a mixing region between fluids, which can be characterized by a mixing length . Here we focus on the scale-up for the tracer flow problem. In the limit of small heterogeneity strengths it has been derived by perturbation theories that the scaling behavior of the mixing region is related to the scaling properties of the self-similar (or fractal) geological heterogeneity through the relation , where ; the Hurst coefficient that controls the relative importance of short vs. large scales in the geology. The objectives of this work were: i) the derivation of a new, mathematically rigorous, scaling analysis for the tracer flow problem subject to self-similar heterogeneities. This theoretical development relates the large strength to the small strength heterogeneity regime by a simple scaling of solutions. It follows from this analysis that the scaling laws derived by perturbation theory are valid for any strength of the underlying geology, thereby extending the current available results. To the knowledge of the authors this is the only rigorous result available in the literature for the large strength heterogeneity regime; ii) the presentation of a Monte Carlo study of highly resolved simulations, which are in excellent agreement with the predictions of our new theory. In this study, both numerical and statistical convergence have been considered. Large computational regions have been used in order to reduce boundary effects, which have not been included in the theory. The results indicates that our Monte Carlo results are accurate and can be applied to other models for stochastic geology. A variabilidade espacial em formações porosas (aqüíferos e reservatórios de petróleo) ocorre em todas as escalas de comprimento (da escala dos poros à escala do reservatório) e é incorporada às equações que governam a dispersão de poluentes em aqüíferos com base em campos aleatórios (modelos geoestatísticos). Conseqüentemente, o campo de velocidades é uma função aleatória (ou estocástica) do espaço. A estocasticidade do campo de velocidades leva ao surgimento de uma região de mistura entre os fluidos, que pode ser caracterizada por um comprimento. No limite de pequenas flutuações da heterogeneidade, o crescimento assintótico (para tempos grandes) da região de mistura para o traçador passivo é determinado, via teoria de perturbação, por uma lei de escala das heterogeneidades geológicas através da relação, onde e é o expoente de Hurst que controla o grau de heterogeneidade das múltiplas escalas. Os objetivos deste trabalho foram: i) a derivação de uma nova, matematicamente rigorosa, análise de escalas (scaling analysis) para o problema de escoamento de um traçador passivo sujeito a campos heterogêneos fractais. Este desenvolvimento teórico relaciona regimes com alto e baixo grau de heterogeneidades por um simples reescalonamento das soluções. Esta análise estende os resultados das leis de escala, obtidas via teoria de perturbação, para qualquer grau de heterogeneidade. No entendimento do autor este é o único resultado rigoroso disponível na literatura para regimes com altos graus de heterogeneidades; ii) a apresentação de estudos de Monte Carlo de alta resolução, os quais se mostraram de excelente acordo com nossas previsões teóricas. Neste estudo, tanto a convergência numérica quanto a estatística foram consideradas para grandes regiões computacionais (para reduzir os efeitos de fronteiras, os quais não são incluídos na teoria). Os resultados indicaram que nossos estudos de Monte Carlo são acurados e podem ser aplicados para outros modelos de geologia estocástica.