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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO
CENTRO UNIVERSITRIO NORTE DO ESPRITO SANTO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA DE PETRLEO
PROJETO DE GRADUAO II
Anlise do comportamento da presso mediante deposio
parafnica em dutos subsea
Rafael Adolfo de Oliveira e Silva
So Mateus
2015
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Anlise do comportamento da presso mediante deposioparafnica em dutos subsea
Projeto de Graduao II apresentado
ao Departamento de Engenharias e
Tecnologia da Universidade Federal do
Esprito Santo como requisito parcial
para obteno do ttulo de Engenheiro
de Petrleo.
Orientador: Prof. Carlos Andr
Maximiano Silva
SO MATEUS
2015
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Comisso Examinadora
______________________________________
Prof. Carlos Andr Maximiano Silva
Orientador
Universidade Federal do Esprito Santo
______________________________________
Luiz Gabriel Souza de Oliveira
Convidado
Universidade Federal do Esprito Santo
______________________________________
Ana Paula Meneguelo
Convidado
Universidade Federal do Esprito Santo
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Dedicatria
Dedico este projeto ao meu pai, Edmundo Adolfo, e a minha me, MirianSuely, por me sustentarem em orao, sempre me apoiando e acreditando no
meu sucesso.
IV
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Agradecimentos
Primeiramente a Deus por todo sustento que Ele tem me dado.
A todos os professores do curso de engenharia de petrleo, por todos os
ensinamentos prestados.
Ao meu orientador, Carlos Andr Maximiano da Silva pela grande ajuda
durante a orientao deste trabalho.
Aos meus irmos, Gabriel Adolfo, Matheus Adolfo e Maria Luiza por me
apoiarem e acreditarem em meu potencial.
A minha namorada, Jssica, pelo apoio dado nas horas mais difceis.
A todos os meus queridos amigos da engenharia de petrleo, com os
quais tive a oportunidade de vivenciar timos momentos, em especial ao Andr
Fava, Gabriel Oliveira e Rodrigo Oliveira, com os quais tive grande alegria de
dividir moradia.
Finalmente, a todos os meus amigos da empresa Junior, ENERGY Jr,
com os quais passei grande parte da minha graduao, crescendo e me
aperfeioando profissionalmente.
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Resumo
A deposio de parafinas em dutos submarinos um srio problema para a
produo martima de petrleo. As parafinas precipitam-se de solues oleosas
quando h reduo de temperatura e, ao longo do tempo, a parafina slida
deposita-se nas paredes internas dos dutos, obstruindo o fluxo e promovendo o
aumento de perda de carga nas linhas de produo. Em consequncia, ocorre
diminuio da vazo dos fluidos e entupimento da seo do duto de produo,
entre outros problemas. Essas ocorrncias causam impactos econmicos
negativos: reduo da receita, aumento de custos para remediao e
interrupo da produo. O presente trabalho teve o intuito de reunir
informaes sobre parafina, desde aspectos intrnsecos at formas de inibio.
Todas as informaes reunidas foram obtidas atravs de uma reviso
bibliogrfica, em que se constou caractersticas gerais da parafina e formas de
inibio e remediao. O principal objetivo foi analisar o comportamento da
presso nas linhas, causada pela deposio parafnica durante operaes de
produo. Para isso, foram simulados quatro (4) cenrios distintos, cada um
com uma espessura de incrustao diferente. Os resultados para cada cenrio
foram comparados posteriormente. Para todos os cenrios houve uma
diminuio da vazo dos fluidos, dificultando a produo e em casos mais
graves, impedindo completamente que o fluido fosse produzido. Por fim, foram
ressaltados os principais problemas operacionais causados por tal
comportamento.
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Sumrio
Dedicatria........................................................................................................IV
Agradecimentos................................................................................................V
Resumo.............................................................................................................VI
Lista de figuras.................................................................................................X
Lista de tabelas.................................................................................................XI
Lista de siglas..................................................................................................XII
1. Introduo.....................................................................................................13
1.1 Motivao.....................................................................................13
1.2 Objetivos......................................................................................14
1.3 Organizao da Monografia.........................................................15
2. Reviso Bibliogrfica.....................................................................................16
2.1 Introduo....................................................................................16
2.2 Depsitos Parafnicos..................................................................17
2.3 Fatores Importantes na Precipitao e Deposio......................20
2.2.1. Temperatura......................................................................20
2.2.2. Regime de Escoamento.....................................................21
2.2.3. Natureza da Soluo..........................................................21
2.4 Identificao, Preveno e Controle............................................22
2.5 Mecanismos de Transporte e Deposio.....................................23
2.5.1. Difuso Molecular..............................................................23
2.5.2. Movimento Browniano........................................................25
2.5.3. Disperso por Cisalhamento..............................................26
2.5.4. Gravidade...........................................................................27
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2.6 Temperatura de Incio do Aparecimento de Cristais....................27
3. Metodologia............................................................................................29
4. Especificao de casos..........................................................................31
4.1 Modelo Numrico.........................................................................31
4.2 Modelo Matemtico......................................................................33
4.3 Modelo Fsico..............................................................................35
4.3.1. Propriedades do Manifold.................................................37
4.3.2 Propriedades do Separador..............................................37
4.3.3 Propriedades do Subsea Tieback.....................................38
4.3.4 Propriedades do Riser......................................................39
4.4 Propriedades do leo..................................................................40
4.5 Apresentao dos casos analisados...........................................41
5. Resultados e Discusses..................................................................... ..42
5.1 Caso 1: Escoamento considerando riser limpo, sem incrustao
parafnica....................................................................................42
5.2 Caso 2: Escoamento considerando a espessura do depsito
parafnico de 3 polegadas...........................................................45
5.3 Caso 3: Escoamento considerando a espessura do depsito
parafnico de 5 polegadas...........................................................48
5.4 Caso 4: Escoamento considerando a espessura do depsito
parafnico de 7 polegadas...........................................................51
5.5 Comparao dos resultados.......................................................55
6. Implicaes dos Resultados................................................................ ..57
7. Concluso..............................................................................................58
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8. Referncias...........................................................................................59
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Lista de Figuras
Figura 2.1 - Amostra de tubo bloqueado por depsito parafnico. (Cortesia:
Phillips Petroleum Co).......................................................................................19
Figura 2.2Queda de temperatura em instalao de petrleo tpica. Baldotto,
2004, p. 14.........................................................................................................20
Figura 2.3 - Formao de depsito de parafina devido difuso molecular
(Saraceno,2007)................................................................................................24
Figura 2.4 - Esquema do mecanismo de disperso por cisalhamento
(Saraceno,2007)................................................................................................26
Figura 3.1 - Variao do dimetro de um pipeline devido deposio parafnica.
Modificado de (Flogler, 2004)............................................................................29
Figura 3.2 - Cenrios de simulao, considerando diferentes dimetros de duto.
Elaborada pelo autor..........................................................................................29
Figura 4.1 Representao Esquemtica do domnio onde procura-se as
equaes governantes. Elaborada pelo autor...................................................32
Figura 4.2 - Ilustrao de escoamento em dutos. Stuckenbruck, escoamento
em dutos............................................................................................................34
Figura 4.3 - Representao do modelo fsico para todos os
casos..................................................................................................................35
Figura 4.4 - Representao na simbologia gerada pelo software.....................36
Figura 4.5 - Esquema do Subsea Tiebackgerado pelo software......................38
Figura 4.6 - Esquema do Riser gerado pelo software.......................................39
Figura 5.1Queda de Presso para o duto de 10 polegadasCaso 1...........43
Figura 5.2Queda de Presso para o duto de 7 polegadasCaso 2.............46Figura 5.3Queda de Presso para duto de 5 polegadasCaso 3................49Figura 5.4Queda de Presso para duto de 3 polegadasCaso 4................52Figura 5.5Presso mnima para o duto de 3 polegadasCaso 4.................54
Figura 5.6 Comparao dos resultados para todos os casos
simulados...........................................................................................................55
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Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Anlise elementar em leo tpico (% em peso).............................18
Tabela 2.2 - Composio qumica de um petrleo tpico...................................18
Tabela 4.1Propriedades do Manifold.............................................................37
Tabela 4.2Propriedades do Separador..........................................................37
Tabela 4.3Propriedades do Subsea Tieback.................................................38
Tabela 4.4Propriedades do Riser..................................................................39
Tabela 4.5 - Caracterizao do fluidomodelo Blackoil...................................40
Tabela 4.6 - Correlaes Utilizadas...................................................................40
Tabela 5.1Propriedade do RiserCaso 1....................................................42Tabela 5.2Queda de Presso vs. DistnciaCaso 1...................................44
Tabela 5.3Propriedade do RiserCaso 2....................................................45
Tabela 5.4 - Queda de Presso vs. DistnciaCaso 2....................................47
Tabela 5.5Propriedade do RiserCaso 3....................................................48
Tabela 5.6 - Queda de Presso vs. DistnciaCaso 3....................................50
Tabela 5.7Propriedade do RiserCaso 4....................................................51
Tabela 5.8 - Queda de Presso vs. DistnciaCaso 4....................................53
Tabela 5.9Comparao dos casos analisados..............................................56
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Lista de Siglas
BOPBlow Out Preventer.
TIAC - Temperatura de Inicio do Aparecimento de Cristais.
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1. Introduo
1.1 Motivao
H algumas dcadas a PETROBRAS vem contribuindo com o avano e
desenvolvimento tanto no mbito da produo quanto tecnolgico para a
indstria petrolfera em todo o mundo. Este fato relaciona-se principalmente s
inmeras descobertas de jazidas de petrleo e gs e da necessidade da
explorao de campos cada vez mais complexos, reservatrios cobertos por
zonas de sal, lminas dguas profundas e ultra profundas, por exemplo. Nesteltimo caso, a necessidade de longas linhas atrelada existncia de baixas
temperaturas, torna a produo de petrleo mais complicada. Tais condies
de operao favorecem o aparecimento de cristais de parafinas, pois
perturbam o equilbrio termodinmico em que o leo se encontra. Esses cristais
so um dos principais responsveis pela formao de depsitos que obstruem
a tubulao. No Brasil, grande parte do petrleo produzido possui grande
quantidade de parafina em sua composio, de modo que, ao ser extrado doreservatrio, passa por variaes termodinmicas, acarretando a precipitao
da parafina presente.
As consequncias relativas formao de parafina durante a produo
so preocupantes, principalmente devido perda de propriedades reolgicas
dos fluidos, acumulao de cristais de parafina e fechamento de linhas de
escoamento de fluidos, BOP e regio anular, interrupo da produo e
destruio dos equipamentos utilizados.
Muitas tecnologias foram desenvolvidas a fim de evitar a diminuio ou
mesmo a paralisao da produo e evitar, tambm, problemas de formao
de parafinas durante as fases de perfurao, completao e transporte.
Entretanto, novos desafios vm surgindo e o investimento na obteno de
novas tecnologias no deve parar.
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1.2 Objetivos
Esta monografia teve como propsito alertar e informar sobre um tema
atualmente tido como alvo de muito interesse na indstria brasileira: Aformao de parafinas em lminas dgua profundas e ultra profundas durante
operaes de produo de hidrocarbonetos. Principalmente, em virtude das
novas descobertas offshore de campos de explorao petrolferos situados em
lminas dgua que ultrapassam os 2000 m (dois mil metros) de profundidade.
O Principal objetivo foi analisar o comportamento da presso nas linhas,
causada pela deposio parafnica durante operaes de produo, para casos
distintos e, por fim, ressaltar os principais problemas operacionais causados
por tais mudanas.
Diversas metas especficas foram atendidas visando consecuo do
objetivo maior:
i. Realizao de uma reviso bibliogrfica a respeito da deposio
parafnica e dos fatores relacionados a este processo, tais como identificao,
preveno e controle de depsitos e os fatores mais importantes na
precipitao e deposio dos cristais de parafina;
ii. Compreenso do funcionamento do softwarecomercial escolhido, como
etapa fundamental neste Projeto.
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1.3 Organizao da Monografia
Este projeto de graduao dividido em oito captulos, incluindo
introduo e referncias bibliogrficas.
No captulo 2 realizada uma breve reviso bibliogrfica, incluindo fatores
importantes na precipitao e deposio, processos de formao de depsitos
parafnicos, mecanismos de deposio parafnica, controle, preveno e
Remediao.
No captulo 3 apresentada a metodologia a ser utilizada para soluo do
problema proposto.
No captulo 4 so apresentados os modelos numrico, fsico e
matemtico do problema proposto, alm de descrever tambm as propriedades
do leo utilizado no projeto. O modelo numrico descreve o simulador utilizado,
bem como seu funcionamento. O modelo matemtico descrito contempla os
conceitos acerca da queda de presso ao longo de uma tubulao. O modelo
fsico apresentar o layout do projeto em questo bem como as principais
propriedades fsicas dos equipamentos utilizados. No final do captulo 4tambm so apresentados os casos a serem analisados no projeto.
No captulo 5 so apresentados os resultados e discusses
separadamente, para cada um dos casos analisados.
No captulo 6 apresentado as implicaes dos resultados gerados,
aplicados para toda indstria petrolfera.
No captulo 7 so apresentadas as concluses gerais e particulares doprojeto desenvolvido, levando em considerao os resultados gerados e a
facilidade de manuseio do softwareutilizado.
No captulo 8 esto relacionadas s referncias bibliogrficas utilizadas
para a construo deste trabalho.
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2. Reviso Bibliogrfica
2.1 Introduo
O crescente aumento da populao mundial teve uma exacerbao em
meados do sculo XIX, mesma poca quando a indstria do petrleo comeou a
se desenvolver nos Estados Unidos. Inicia-se assim uma indstria que em poucos
anos se tornaria uma das mais importantes e rentveis do mundo, uma vez que a
produo de derivados de petrleo deve atender a demanda sempre crescente por
energia.
Neste contexto, a gesto integrada e otimizada dos processos de
Explorao e Produo considerada estratgica para o avano do setor
petrolfero que, por um lado, se depara com um vasto e crescente aparato
tecnolgico, e por outro, apresenta desafios grandiosos tal qual o transporte de
fluidos por linhas cada vez mais longas e sob muitas condies adversas.
Nesse mbito, a aplicao e definio de uma estratgia que permita
maximizar a produo, atendendo s restries fsicas, econmicas e
tecnolgicas se apresenta como um elemento fundamental para um eficiente
processo de explorao e desenvolvimento de um campo petrolfero
(MESSER, 2008).
Durante a Produo de petrleo, o escoamento pode ser considerado
bifsico no qual uma das fases gasosa e a outra lquida. Este tipo de
escoamento frequentemente encontrado na coluna de produo no interior do
poo e nos dutos de escoamento. A correta determinao do gradiente de
presso no interior de dutos de extrema importncia. Correlaes foram
desenvolvidas para este fim, como por exemplo, as propostas por Hagedorn e
Brown (1965), Duns e Ross (1963), Beggs e Brill (1963) e Oliemans (1976).
Na rea de Engenharia de Dutos, diversos softwares acadmicos (in-
house) e comerciais (Olga, Pipesim, Pipeline Studio, Stoner, Pigsim) vm
sendo desenvolvidos com intuito de simular condies operacionais bem como
aprimorar a compreenso dos problemas tpicos, dos escoamentos
multifsicos, tais como transientes hidrulicos, perda de calor, deposio de
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parafina, vazamentos, movimentao de raspadores como pigs de limpeza,
etc., que ocorrem durante o transporte de petrleo.
Uma das principais linhas de estudo da Engenharia de Dutos a
denominada Garantia de Escoamento (flow assurance). Possui como principaisobjetivos identificar, qualificar e atenuar problemas operacionais,
principalmente os decorrentes do escoamento de leos pesados, uma vez que
pode gerar grandes problemas para o escoamento pela tubulao, como a
corroso e desgaste precoce, alm da deposio de hidratos, parafinas e
asfaltenos resultando em uma grande perda de carga e at mesmo obstruo
dos dutos. Tm-se como principais desencadeadores da deposio de
incrustaes, fatores como temperatura e presso. Portanto, a amostragem ecaracterizao dos fludos, medies de presso e temperatura so
fundamentais para minimizar os riscos de deposies.
2.2 Depsitos Parafnicos
Em qumica, d-se o nome de parafina (do latim parum=pouca e
ffinis=afinidade), aos hidrocarbonetos saturados de cadeia acclica, normal ou
ramificada. Na indstria do petrleo este termo utilizado de forma mais
genrica, representando o depsito formado por parafinas, asfaltenos, resinas,
gua, areia, sais e sulfetos. Na caracterizao de um petrleo, o teor de
parafinas est relacionado com a presena de fraes mais pesadas (C18+)
que precipitam a uma determinada temperatura. Estas fraes podem ser
constitudas de cadeias acclicas (parafinas) ou cclicas (naftnicas e
aromticas) (Vaitsman et al, 1997). A deposio de cera durante a produo e
transporte de leos brutos consiste predominantemente de n-parafinas com
pequenas quantidades de parafinas de cadeia ramificadas, parafinas cclicas e
aromticas. O nmero de diferentes componentes e os tipos de ceras
encontrados nos depsitos parafnicos dependem das caractersticas do leo
bruto (Jorda, 1966). O fenmeno de formao de depsitos parafnicos
comum na indstria de petrleo e esto associados ao equilbrio de fases dos
compostos hidrocarbnicos e s condies fluidodinmicas de escoamento,
respectivamente. O aparecimento de uma fase slida no petrleo e asubsequente deposio de parafina se manifesta devido quebra deste
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equilbrio, provocada pelo resfriamento do petrleo e/ou o desprendimento das
fraes mais leves, originalmente dissolvidas neste petrleo (Mello et al, 2006).
A tabela 2.1 apresenta a anlise elementar em um leo tpico e a tabela 2.2
apresenta a composio qumica de um petrleo tpico.
Tabela 2.1 - Anlise elementar em leo tpico (% em peso) (Thomas et al., 2001)
Tabela 2.2 - Composio qumica de um petrleo tpico (Thomas et al., 2001)
Segundo Crdoba e Schall (2001), os componentes de alto peso
molecular, com cadeias de 20 ou mais carbonos, podem precipitar como ceras
parafnicas quando o leo resfriado das temperaturas de reservatrio para as
temperaturas das tubulaes, sendo responsveis por muitos problemas
enfrentados durante a produo, o transporte e o processamento do leo. O
teor dessa frao pesada numa mistura de petrleo conhecido na indstria
como teor de parafina. Um exemplo bastante comum de operao onde esse
processo de resfriamento pode ser desenvolvido o escoamento de um leo
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que contenha uma frao pesada, em oleoduto. Para ser transferida,
geralmente a mistura colocada a uma temperatura na qual assegurado o
bombeio, na fase lquida. Entretanto, frequentemente a mistura escoa por dutos
que esto sujeitos s temperaturas abaixo da TIAC, por no possurem um
isolamento trmico adequado que evite a reduo da temperatura de
escoamento para valores abaixo da TIAC. Sob essas condies, a precipitao
de parafinas e sua consequncia mais imediata a deposio ocorreriam
(Santos, 1994).
A precipitao e deposio parafnica em sistemas de produo e
transporte tm sido um enigma e acontece desde que os primeiros poos de
petrleo foram postos em produo. um problema no limitado a uma rea
geogrfica ou a um tipo particular de petrleo. Dentre as muitas variveis que
atuam na produo de petrleo em guas profundas, a deposio de parafinas
no interior de linhas de produo e transporte um dos mais srios problemas
operacionais enfrentados, gerando custos muito elevados em sua preveno,
controle e remoo. Um exemplo de duto bloqueado por depsito parafnico
mostrado na figura 2.1. Segundo McClafin e Whitfill (1984), os depsitos
podem variar em consistncia desde um lquido pastoso at ceras duras,
pesadas e consistentes, dependendo do histrico de condies no qual eles
foram formados. Apresentam usualmente cor negra, mas cores mais claras
tambm so encontradas.
Figura 2.1 - Amostra de tubo bloqueado por depsito parafnico. (Cortesia: PhillipsPetroleum Co)
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2.3 Fatores Importantes na Precipitao e Deposio
2.3.1. Temperatura
O fator principal que afeta a deposio parafnica em oleodutos a
temperatura (Bomba, 1986). Caso a temperatura, no escoamento, permanea
acima da TIAC, no ocorrer precipitao. Sadeghazad et al. (2000), afirmaram
que, medida que a temperatura da soluo diminui, a solubilidade das
parafinas tambm diminui. Como a temperatura do fluido produzido cai abaixo
do ponto de fuso das parafinas, elas tendem a se solidificarem e se
separarem da fase lquida (Bomba, 1986). Em seguida h uma aglomerao e
crescimento dos cristais e posterior adeso destas massas formadas aos
equipamentos/tubulao. A figura 2.2 mostra a queda de temperatura em uma
instalao offshore de petrleo tpica.
Figura 2.2 Queda de temperatura em instalao de petrleo tpica. Baldotto, 2004, p. 14
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2.3.2. Regime de Escoamento
Outro fator muito importante que influencia na deposio parafnica o
regime de escoamento. Em fluxo laminar, a taxa de deposio de parafinas
aumenta com a vazo. medida que o fluxo passa a ser turbulento, a
deposio diminui por causa da deformao do fluxo, pois a certa altura, a
corrente de fluxo pode prover suficiente fora de cisalhamento para ultrapassar
as foras coesivas das molculas parafnicas e remov-las to rpido quanto
elas se depositam pela eroso (Misra et al., 1994). Segundo Grung (1995) e
Creeck et al. (1999), a deposio em fluxo turbulento menor que em fluxo
laminar. Crdoba e Schall (2001) concluram que em altas taxas de fluxo, os
depsitos so rapidamente formados e subsequentemente, removidos. Altas
vazes parecem remover muito das parafinas depositadas.
A deposio tambm especialmente problemtica em poos com baixa
taxa de fluxo. Isto por causa do longo tempo de residncia do leo no tubing de
produo. Esse aumento no tempo de residncia permite maior perda de calor
por parte do leo e leva a menores temperaturas, as quais agravam o processo
de precipitao (Misra et. al., 1994).
2.3.3. Natureza da Soluo
De acordo com Sadeghazad et al. (2000), por natureza da soluo,
entende-se a composio fsica e qumica desta. Esses pesquisadores
mostraram que se a soluo composta principalmente de leves, a TIAC ir
diminuir. Tambm, se a frao do soluto (parafinas) na soluo diminui, aprecipitao ser menor.
Santos (1994) afirmou que, embora no possa ser diretamente
responsabilizado pela temperatura em que a precipitao se inicia (TIAC), o
teor de parafinas que influencia como se dar o processo da precipitao com
a reduo da temperatura, abaixo da TIAC. Misturas apresentando um maior
teor de parafina apresentaro uma taxa de precipitao maior com a reduo
da temperatura do que aquelas com teor de parafina menor.
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2.4 Identificao, Preveno e Controle
O caminho natural para enfrentar os problemas com precipitao e
deposio parafnica , primeiramente, prever sua ocorrncia, atravs demodelos matemticos e termodinmicos, anlises qumicas e testes em
laboratrio.
O estudo dos mecanismos que fundamentam o fenmeno fator
importante para a proposio de solues, tcnica e economicamente viveis
(Cotrim e Hombeeck, 1991).
Se isso no possvel, o segundo passo seria selecionar alguns mtodos
preventivos, como o uso de inibidores qumicos, isolamento trmico, injeo desolventes aquecidos, uso de pigs (removedor de parafinas) e ferramentas
magnticas.
Ao final, a remoo do depsito se d atravs de aplicao de mtodos
qumicos, mecnicos e trmicos, ou uma combinao destes.
Para prevenir a formao e remover os depsitos parafnicos nas linhas
de produo e equipamentos, existem numerosos mtodos que podem ser
viveis. Porm, pouco se conhece sobre esses mtodos em condies de
guas profundas. Neste caso, existe o desafio tecnolgico no desenvolvimento
de mtodos e sistemas capazes de serem utilizados de forma econmica em
poos de produo offshore.
Os mtodos de remoo e controle propostos podem ser classificados,
segundo a tcnica, da seguinte forma:
- Qumicos:uso de solventes para dissolver os depsitos, agentes de
superfcie ativa que atuam na presena de gua, provocando a perda de
afinidade da partcula pela parede do tubo (dispersantes de parafinas),
modificadores de cristais, que so polmeros que agem inibindo ou alterando o
crescimento do cristal por mecanismo de co-cristalizao, inibidores qumicos;
- Mecnicos:pigs (maior referncia na literatura), abrasivos, raspadores
ou hidrojatos. Cada uma dessas tcnicas possui restries quanto ao uso em
guas profundas;
- Trmicos: mtodos que se fundamentam em minimizar perdas de
calor com isolamento trmico e/ou adio de calor ao sistema. So usados
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aquecedores de fundo, leo/gua quente, isolamento trmico (os materiais
tradicionalmente usados para isolamento em linhas submarinas incluem
espumas de poliuretano, polipropileno, sintticas, PVC e elastmeros
isolantes). Em condies offshore, com temperaturas muito baixas de fundo do
mar e grandes comprimentos de linhas, as tcnicas de aquecimento
convencionais so pouco eficientes. A seleo de materiais para o isolamento
trmico baseada na baixa condutividade e impermeabilidade gua;
Alguns problemas requerem a combinao desses mtodos para
controlar a deposio de parafinas e manter a produo. A seleo de qual
combinao deve ser usada geralmente feita baseada em experincias
anteriores (McClaflin e Whitfill, 1984 e van Engelen et al., 1981).
E segundo o seu efeito, os mtodos podem ser classificados como:
- Preventivos (inibidores, isolamento trmico, etc);
- Corretivos (pigs, raspadores, hidrojatos, etc).
2.5 Mecanismos de Transporte e Deposio
Em oleodutos a deposio parafnica governada por diferentesmecanismos, a saber: (a) Difuso Molecular; (b) Disperso por Cisalhamento;
(c) Movimento Browniano; (d) Gravidade. Esses mecanismos so a fora motriz
para o transporte de parafinas dissolvidas ou precipitadas do seio do fluido
para as paredes do tubo. Estudos prvios (Burger et. al., 1981, Misra et al.,
1994) indicaram que a difuso molecular o mecanismo principal.
2.5.1. Difuso Molecular
A difuso molecular parece ser o mais importante dentre os mecanismos
de transporte e deposio. Nesse processo, um gradiente radial de
concentrao, produzido no leo como resultado do gradiente radial de
temperatura devido ao aumento da solubilidade das parafinas com o aumento
da temperatura. Este gradiente de concentrao (fora motriz do fenmeno)
provoca uma difuso das parafinas do leo mais aquecido, o qual tem maior
concentrao destas, para o leo mais frio, com menor concentrao, onde j
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houve precipitao (Burger et. al., 1981, Misra et al., 1994). A figura 2.3 a
seguir mostra o exemplo deste tipo de mecanismo.
Figura 2.3 - Formao de depsito de parafina devido difuso molecular
(Saraceno,2007)
Segundo Hamouda e Viken (1996), a vazo mssica radial de parafinas
dissolvidas devida difuso molecular :
| | (2.1)
Onde,
= vazo mssica radial, kg/s= Coeficiente de difuso molecular, m2/s = Massa especfica do slido parafnico, kg/m3
= rea da seo longitudinal do tubo no raio r, m2
= Gradiente radial de concentrao no raio r, m-1
A equao 2.1 anterior (Lei da difuso de Fick) pode ser reescrita da
seguinte forma (Burger et al., 1981):
. . |
| (2.2)
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Onde, o Gradiente radial de Temperatura, que pode ser obtido a
partir da soluo da equao da energia para fluxo em tubos.
A partir da equao (2.2), pode-se dizer que a taxa de deposio
parafnica alcana seu mximo imediatamente abaixo da TIAC e gradualmente
decresce medida que o diferencial de temperatura entre o leo e a parede
decresce.
Burger et al. (1981), sugeriram o uso da seguinte correlao para o
clculo do coeficiente de difuso molecular,
D 7,4 . 10
.[ .( .) ]
. . (2.3)
Onde,
T = Temperatura absoluta, K;
= Parmetro de Associao;M = Peso Molecular do solvente (leo), g/mol;
= Viscosidade Dinmica, Pa.s;
V = Volume Molecular do soluto, g/mol.
2.5.2. Movimento Browniano
Caso existam algumas regies do tubo que estejam abaixo da TIAC,
parafinas vo precipitar e os cristais gerados ficaro suspensos no leo. Neste
caso, deve ser considerado o transporte lateral dessas partculas. Uma vez
suspensas, iro colidir continuamente com molculas de leo termicamente
agitadas. Essas colises levaro a um movimento desordenado dos cristais
suspensos. Existindo um gradiente de concentrao entre as partculas, o
movimento Browniano levar a um transporte em rede, que similar difuso,
na direo da menor concentrao. O fluxo de partculas ser dado pela lei da
difuso de Fick (Azevedo, 2001),
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. . .
(2.4)
Onde,
= Massa de parafina depositada;= Densidade do slido; = Coeficiente de difuso Browniana de cristais no leo;
= rea de deposio;= Concentrao de slidos suspensos na soluo.
2.5.3. Disperso por Cisalhamento
Outro mecanismo contribuinte para a deposio parafnica que tem sido
identificado em estudos prvios a disperso por cisalhamento. Pequenos
cristais contidos no fluxo tendem a mover-se com a velocidade mdia e direo
do escoamento. Porm, prximo parede do tubo h cisalhamento do fluido.
Esse induz um movimento especial s partculas, conhecido como dispersopor cisalhamento. Esse movimento pode ser responsvel por transportar a
parafina precipitada do seio do fluido para a parede, onde se une a depsitos j
existentes devido ao fenmeno da difuso molecular.
Addison (1984), concluiu que este mecanismo de deposio
importante para qualquer situao quando a temperatura do leo est abaixo
do ponto de nvoa (TIAC). A figura 2.4 representa este tipo de mecanismo.
Figura 2.4 - Esquema do mecanismo de disperso por cisalhamento (Saraceno, 2007)
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2.5.4. Gravidade
Cristais de parafinas so mais densos que o leo. Assim, por gravidade
podem depositar-se no fundo de tubos ou tanques.
Para condies de operao tpicas encontradas em tubulaes, este
mecanismo no contribui significativamente para a formao de depsitos.
2.6 Temperatura de Incio do Aparecimento de Cristais
Essa temperatura est entre as propriedades mais importantes relativas
aos petrleos. A Temperatura de Inicio do Aparecimento de Cristais, representaa temperatura na qual os primeiros cristais de parafinas saem da soluo,
provocando mudanas no comportamento reolgico do petrleo. Sua
importncia reside no fato de que quando o petrleo resfriado, atingida a sua
TIAC, cristais parafnicos comeam a se separar da soluo, devido ao fato de
a solubilidade limite ser alcanada. Essa fase slida composta,
principalmente, pelos componentes de maior peso molecular.
A determinao da TIAC para o petrleo uma importante consideraopara aes futuras, na ocasio da produo e escoamento do cru.
Modelos termodinmicos prevem a quantidade de parafinas formadas na
soluo. Um resultado normal a TIAC. Quando a temperatura cai abaixo da
TIAC, os modelos termodinmicos devem mostrar o aumento da quantidade de
parafinas precipitadas com a distribuio de nmeros de carbono dos
constituintes do leo.
As tcnicas experimentais medem a maior temperatura em que os cristaisde cera so detectados quando uma amostra de leo pr-aquecida resfriada
a uma taxa controlada. A acuracidade altamente dependente da
representatividade da amostra, do manuseio dessa em laboratrio de da
sensibilidade do equipamento utilizado ou da metodologia.
Karam (2000) afirmou que uma distino deve ser feita entre TIAC
termodinmica e TIAC experimentalmente medida. A TIAC termodinmica
define a mxima temperatura na qual as fases lquida e slida existem em
equilbrio a uma presso fixa. A TIAC experimental representa a temperatura
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na qual os primeiros cristais so detectados e, consequentemente, depende
da sensibilidade da tcnica experimental usada para realizar as medidas.
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3. Metodologia
Para analisar o comportamento da presso no interior das linhas de
produo, dada diferentes espessuras de depsitos parafnicos, foramrealizadas vrias simulaes, considerando cenrios distintos. Para cada
cenrio, a espessura do depsito foi alterada. A anlise da presso para cada
um dos cenrios considerados foi comparada para cada uma das simulaes.
A variao da espessura dos depsitos parafnicos foi considerada
alterando-se somente o raio da tubulao e mantendo as outras propriedades
referentes ao leo e ao duto, constante. A figura 3.1 a seguir mostra a
alterao do dimetro interno de um pipeline devido ao fenmeno de deposio
parafnica e a figura 3.2 apresenta os cenrios simulados neste projeto.
Figura 3.1 - Variao do dimetro de um pipeline devido deposio parafnica.
Modificado de (Flogler, 2004)
Figura 3.2 - Cenrios de simulao, considerando diferentes dimetros de duto.
Elaborada pelo autor
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A deposio da parafina nas paredes dos dutos totalmente homognea,
ou seja, considerou-se a deposio em toda a parede do duto e no apenas
em pores especficas.
Em relao s propriedades do leo, elas foram s mesmas para todos oscenrios simulados.
A apresentao dos resultados do problema proposto mostrada de
forma grfica, permitindo uma melhor visualizao do comportamento da
presso para diferentes espessuras de depsitos parafnicos.
Para analisar o quo prejudicial esta variao de presso pode ser para
as instalaes de produo, foi necessria a utilizao de um software queresolvesse as equaes que regem o escoamento de fluidos. Todas as
equaes so demonstradas a seguir, atravs do modelo matemtico.
Optou-se por um software comercial bem difundido, para resoluo das
equaes, dentre um leque de opes existentes no mbito acadmico. O
software escolhido faz uso da tcnica de anlise nodal para determinar as
presses ao longo do duto, desde a origem do fluxo at o seu destino final. Foi
possvel ento, plotar suas curvas por todo o trajeto dos fluidos. Este aplicativo
amplamente difundido na rea de Engenharia de Elevao e Escoamento de
petrleo, sendo melhor apresentado atravs do modelo numrico descrito
adiante.
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4. Especificao de Casos
O problema a ser investigado neste projeto refere-se ao comportamento
da presso a partir da deposio parafnica, como abordado anteriormente.Para que este objetivo seja cumprido, foram avaliados quatro (4) cenrios
distintos. Para cada cenrio, foram utilizadas as mesmas propriedades do leo,
o mesmo modelo matemtico, o mesmo modelo numrico e o mesmo modelo
fsico, alterando apenas o raio da tubulao nas regies de interesse para
anlise. As propriedades do leo, os modelos fsico, numrico e matemtico
so apresentados a seguir.
4.1 Modelo Numrico
O softwareescolhido para realizao deste trabalho uma ferramenta
computacional para simulao de escoamento multifsico em sistemas de
produo de leo e gs. Esta ferramenta modela o escoamento de fluidos em
regime permanente. Ele possui um conjunto completo de correlaes empricas
e modelos mecanicistas padres na indstria do petrleo. O comportamento
termodinmico dos fluidos avaliado atravs do modelo blackoil ou pelo
modelo composicional.
A operao deste simulador dividida em mdulos, sendo os principais
utilizados neste trabalho:
Anlise do Sistema Operacional (System Analisys): Este mdulo permite
analisar as condies de operao do sistema, de acordo com a anlise
de sensibilidade para cada caso;
Perfil de Presso e Temperatura (Pressure and Temperature Profile):
Neste mdulo determina-se a presso e a temperatura em cada ponto
do sistema. Por exemplo, grficos de presso e de temperatura versusa
profundidade do poo.
Comparao das Correlaes de Escoamento (Flow Correlation
Comparison): Neste mdulo possvel comparar o desempenho das
correlaes do escoamento multifsico, permitindo determinar qual
correlao apresentou resultados mais ou menos otimistas.
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O procedimento de obteno da soluo implementada baseado na
tcnica denominada anlise nodal, que consiste em segmentar a linha de fluxo
em um determinado nmero de trechos, denotado pelo ndicej, cada trecho por
sua vez subdividido em pequenos intervalos denotado pelo ndice i, tal como
pode ser visualizado na Fig. 4.1. Resolvem-se, ento, as equaes em cada
intervalo progressivamente at atingir o ponto de interesse. A tcnica
comumente aplicada para anlise de escoamento multifsico, visto que as
propriedades PVT presso/volume/temperatura do fluido se alteram
significantemente na medida em que o fluido transportado. Alm disso, a
geometria por onde estes fluidos escoam pode sofrer mudanas no dimetro,
na rugosidade da parede interna e na inclinao do duto. A diviso em Trechos
j para poder contemplar tubulaes com diversas inclinaes.
Figura 4.1 Representao Esquemtica do domnio onde procura-se as equaes
governantes. Elaborada pelo autor
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A integrao da equao a seguir ao longo do comprimento do duto L
permite calcular o diferencial de presso ,
== (4.1)
em que o diferencial de presso calculado sucessivamente para diferentessegmentos da tubulao, n o nmero de seguimentos, m o nmero de
clculos incrementados em cada seguimento.
Partindo-se de um valor de presso constante medido no manifold,
possvel utilizar o gradiente de presso multifsico dP/dL para calcular a
presso de fluxo at a plataforma de produo para uma dada vazo q de
escoamento em condies standard.
O software faz uso da tcnica de anlise nodal para determinar as
presses ao longo do duto de escoamento, desde a origem do fluxo at o seu
destino final, tornando possvel plotar as curvas de queda de presso por todo o
trajeto dos fluidos.
4.2 Modelo Matemtico
Dado um duto com as condies conhecidas em um determinado ponto
inicial chamado de ponto 1, as condies em determinado ponto final chamado
de ponto 2 como mostra a figura 4.2 so determinadas da seguinte forma:
. (4.2)
Onde: e so as presses nos pontos 1 e 2, respectivamente; o diferencial de comprimento; o diferencial de presso.
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Figura 4.2 - Ilustrao de escoamento em dutos. Stuckenbruck, escoamento em dutos,
2009, p.106
O gradiente de presso dP/dL representa a queda de presso por
unidade de comprimento do duto. O gradiente de presso composto do
componente da gravidade, atrito e acelerao. A queda total de presso dada
da seguinte forma:
) +
) +
) (4.3)
... +..sin()+. .
(4.4)
Onde: f o fator de atrito,
o dimetro interno do duto; a velocidade.
O fator de atrito calculado atravs do nmero de Reynolds e depende
da rugosidade do duto, onde:
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. . (4.5)
Onde:
a viscosidade do fluido.
Vrias correlaes podem ser utilizadas para a determinao do fator de
atrito, entre elas a correlao de Blasius para escoamento laminar, correlao
de Colebrook e o grfico de Moody. Todas essas correlaes podem ser
encontradas em TUCKENBRUCK (2009 e 2010).
Aps definir os parmetros do escoamento atravs das correlaes, o
gradiente de presso pode ser calculado.
4.3 Modelo Fsico
O modelo fsico apresentado na figura 4.3 a seguir foi o modelo escolhido
para ser trabalhado neste projeto.
Figura 4.3 - Representao do modelo fsico para todos os casos
Observa-se que ele composto de dois segmentos denominados aqui de
trecho 1, referindo-se um Subsea Tieback, disposto na horizontal e trecho 2,
referindo-se ao Riser, disposto na posio vertical.O ponto de partida do fluido
Trecho 1 Trecho 2
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o Subsea Manifold e o ponto final, ou ponto de recepo uma estao
separadora, localizada no interior de uma plataforma offshore. O Subsea
Manifoldtem a funo de receber a produo de leo e gs da rvore de Natal
molhada (ANM) instalada na superfcie do leito marinho, durante a produo de
um reservatrio. O Subsea Tieback uma linha submarina apoiada no leito
marinho, o Riser o duto responsvel pela conduo dos fludos at a
plataforma e o separador o equipamento de processamento primrio,
responsvel pela separao das fases gua e leo.
Na figura 4.4 a seguir, mostrado o mesmo modelo fsico definido
anteriormente, desta vez com a representao na simbologia gerada pelo
software.
Figura 4.4 - Representao na simbologia gerada pelo sof tware
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4.3.1 Propriedades do Manifold
As propriedades do manifoldso representadas atravs da tabela 4.1:
Tabela 4.1 Propriedades do Manifo ld
Parmetro Valor
Temperatura 80 C
Presso 3500 Psia
4.3.2 Propriedades do Separador
Seguem relacionadas na tabela 4.2 abaixo, as propriedades do
separador utilizado neste projeto.
Tabela 4.2 Propriedades do Separador
Parmetro Valor
Tipo Lquido
Eficincia 100%
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4.3.3 Propriedades do Subsea Tieback
As propriedades do subsea tieback so apresentadas de acordo com a
tabela 4.3 abaixo:
Tabela 4.3 Propriedades do Subs ea Tieback
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 1500 m
Diferena de Elevao 0 m
Dimetro Interno 0,254 m = 10 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
Como pode ser observado na tabela anterior, o subsea tieback est
totalmente disposto na horizontal, em todos seus mil e quinhentos metros de
extenso. A figura a 4.5 a seguir a representao do esquema do subsea
tiebackgerada pelo software.
Figura 4.5 - Esquema do Subs ea Tiebackgerado pelo sof tware
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4.3.4 Propriedades do Riser
Seguem relacionadas na tabela 4.4 as propriedades do riser utilizadas
neste projeto:
Tabela 4.4 Propriedades do Riser
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 0 m
Diferena de Elevao 2000 m
Dimetro Interno 0,254 m = 10 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
Observa-se da tabela acima que o riser est totalmente disposto na
vertical, em todos seus dois mil metros de extenso. A figura a 4.6 a seguir a
representao do esquema do risergerada pelo software.
Figura 4.6 - Esquema do Riser gerado pelo sof tware
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4.4 Propriedades do leo
Os dados utilizados neste projeto correspondem a valores reais e
utilizados em campo. Estas informaes foram obtidas junto a uma das
maiores empresas de energia do mundo, assim como do banco de dados do
software. A caracterizao dos fluidos foi feita utilizando o modelo Blackoil, por
necessitar de uma menor quantidade de informaes do que a modelagem
composicional, tornando a simulao mais rpida. Estes dados so mostrados
na tabela 4.5 a seguir:
Tabela 4.5 - Caracterizao do fluido modelo Blackoi l
Parmetro Valor
Porcentagem de gua - WCut 5%
Razo Gs/leo - RGO 800 Scf/STB
Densidade Relativa do Gs 0,64
Densidade Relativa da gua 1,02
Densidade do leo, API 30
Viscosidade do leo Morto, cP 79,55 cP a 15,55 C
2,64 cP a 93,33 C
Concluindo a descrio das propriedades do leo, segue na tabela 4.6
as correlaes usadas em cada etapa do modelo:
Tabela 4.6 - Correlaes UtilizadasParmetro Correlao
Escoamento Multifsico Vertical Beggs & Brill Revised
Escoamento Multifsico Horizontal Beggs & Brill Revised
Viscosidade do leo Morto Beggs & Robinson
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4.5 Apresentao dos casos analisados
De forma geral os casos estudados podem ser resumidos como:
Caso 1: Escoamento considerando riser limpo, sem incrustao
parafnica;
Caso 2: Escoamento considerando a espessura do depsito parafnico
de 3 polegadas;
Caso 3: Escoamento considerando a espessura do depsito parafnico
de 5 Polegadas;
Caso 4: Escoamento considerando a espessura do depsito parafnico
de 7 Polegadas;
Comparao dos resultados para os quatro (4) casos descritos.
Cada um dos casos ser efetuado utilizando o mdulo Pressure vs Total
DistanceProfiles com o campo Outlet Pressureuma vez que j conhecemos
a presso de entrada e queremos conhecer a presso na sada.
Como mencionado anteriormente, foram utilizadas as mesmas
propriedades do leo, o mesmo modelo matemtico, o mesmo modelo
numrico e o mesmo modelo fsico para cada um dos casos, alterando apenas
o raio da tubulao na regio de interesse para anlise. As propriedades do
manifold, do separador, do subsea tieback e do leo e j foram mostradas
anteriormente durante a modelagem fsica dos casos apresentados. Por este
motivo e por questo de comparao com os demais casos, ser mostrada
apenas a tabela com as propriedades do riser, onde a propriedade Dimetro
Interno ser modificada para cada caso simulado.
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5. Resultados e Discusses
5.1 Caso 1: Escoamento considerando r iser limpo, sem
incrustao parafnica.
Para o caso 1 em especfico, vamos considerar que no h incrustao
parafnica na parede dos dutos, ou seja, consideraremos o modelo de riser
mostrado no modelo fsico, com 10 polegadas de dimetro e 0 polegadas de
incrustao parafnica, como mostrado na tabela 5.1 a seguir.
Tabela 5.1 Propriedade do RiserCaso 1
O gradiente de presso calculado apresentado na Fig. 5.1 na qual se
pode verificar a queda de presso ao longo do duto.
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 0 m
Diferena de Elevao 2000 m
Dimetro Interno 0,254 m = 10 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
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Figura 5.1 Queda de Presso para o duto de 10 polegadas Caso 1
De acordo com o resultado apresentado, o fluido possui energia suficientepara escoar at o final da tubulao de comprimento equivalente igual a 3.500
m, percorrendo os primeiros 1500 m de duto (Trecho 1 - subsea tieback) sem
mostrar queda de presso relevante. Isso se deve ao fato do duto referente ao
primeiro trecho estar horizontalmente fixado no leito marinho, ou seja, no h
variao gravitacional permitindo que o termo da gravidade para o clculo da
queda de presso seja desprezado.
) +
) +
)
Isso implica dizer que a queda de presso para o primeiro trecho leva em
considerao apenas as componentes do atrito e da acelerao.
A partir de 1500 m at o separador situado no interior de uma plataformaoffshore (Trecho 2 risercom 2000 m de duto), o termo da gravidade para o
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clculo da queda de presso passa ser considerado, uma vez que a partir
deste ponto o duto de produo se encontra totalmente na vertical. A queda de
presso proporcional distncia percorrida pelo fluido produzido e a presso
final medida em superfcie para este caso de 1868,158 Psia. A tabela 5.2 a
seguir mostra com mais detalhe a queda de presso pela distncia percorrida
pelo fluido.
Tabela 5.2 Queda de Presso vs. Distncia Caso 1
Distncia (m) Presso (Psia)
0 3500,000375 3496,667
750 3493,332
1125 3489,997
1500 3486,66
1833,333 3192,253
2166,667 2906,008
2500 2629,315
2833,333 2363,6693166,667 2110,597
3500 1868,158
A queda de presso total calculada como:
3500 1868,158 1631,842
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5.2 Caso 2: Escoamento considerando a espessura do depsito
parafnico de 3 polegadas;
No caso 2 vamos considerar o incio de deposio parafnica na parede do
riser. Consideraremos que no riser de 10 polegadas do caso 1, h agora 3polegadas de incrustao parafnica aderida na parede do duto de forma
homognea, ou seja, em toda sua extenso, at o separador. Isto faz com que
a rea da seo transversal do duto aberta ao fluxo seja de 7 polegadas, como
mostrado na tabela 5.3 a seguir.
Tabela 5.3 Propriedade do RiserCaso 2
O gradiente de presso calculado apresentado na Fig. 5.2 na qual se
pode verificar a queda de presso ao longo do duto para este cenrio.
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 0 m
Diferena de Elevao 2000 m
Dimetro Interno 0,1778 m = 7 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
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Figura 5.2 Queda de Presso para o duto de 7 polegadas Caso 2
Similarmente ao resultado apresentado no caso 1, o fluido possui
energia suficiente para escoar at o final da tubulao de comprimento
equivalente igual a 3.500 m, percorrendo os primeiros 1500 m de duto (Trecho
1 - subsea tieback) sem mostrar queda de presso relevante. A presso final
medida em superfcie para este caso de 1782,922 Psia, um pouco menor do
que a presso apresentada no caso 1. A tabela 5.4 a seguir mostra com mais
detalhe a queda de presso pela distncia percorrida pelo fluido.
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Tabela 5.4 - Queda de Presso vs. Distncia Caso 2
A queda de presso para o caso dois :
3500 1782,922 1717,078
Distncia (m) Presso (Psia)
0 3500
375 3496,667
750 3493,332
1125 3489,997
1500 3486,555
1833,333 3174,374
2166,667 2872,777
2500 2582,1852833,333 2302,768
3166,667 2036,099
3500 1782,922
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5.3 Caso 3: Escoamento considerando a espessura do depsito
parafnico de 5 polegadas;
No caso 3 consideraremos que no riser de 10 polegadas do caso 1, h
agora 5 polegadas de incrustao parafnica aderida na parede do duto de
forma homognea. Isto faz com que a rea da seo transversal do duto aberta
ao fluxo seja de 5 polegadas, como mostrado na tabela 5.5 a seguir.
Tabela 5.5 Propriedade do RiserCaso 3
O gradiente de presso calculado apresentado na Fig. 5.3 na qual se
pode verificar a queda de presso ao longo do duto para este cenrio.
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 0 m
Diferena de Elevao 2000 m
Dimetro Interno 0,127 m = 5 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
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Figura 5.3 Queda de Presso para duto de 5 polegadas Caso 3
Semelhantemente aos resultados apresentados nos casos 1 e 2, o fluido
possui energia suficiente para escoar at o final da tubulao de comprimento
equivalente igual a 3.500 m, percorrendo os primeiros 1500 m de duto (Trecho
1 - subsea tieback) sem mostrar queda de presso relevante. A presso final
medida em superfcie para este caso de 1309,681 Psia, um pouco menor do
que a presso apresentada no caso 2. A tabela 5.6 a seguir mostra com mais
detalhe a queda de presso pela distncia percorrida pelo fluido.
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Tabela 5.6 - Queda de Presso vs. Distncia Caso 3
A queda de presso para o caso trs :
3500 1309,681 2190,319
Distncia (m) Presso (Psia)
0 3500375 3496,667
750 3493,332
1125 3489,997
1500 3486,66
1833,333 3103,647
2166,667 2728,39
2500 2361,5932833,333 2004,313
3166,667 1655,173
3500 1309,681
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5.4 Caso 4: escoamento considerando dimetro do r iserde 3 pol
No caso 4 consideraremos que no riser de 10 polegadas do caso 1, h
agora 7 polegadas de incrustao parafnica aderida na parede do duto de
forma homognea. Isto faz com que a rea da seo transversal do duto aberta
ao fluxo seja de 3 polegadas. importante salientar que este tipo de caso
ocorre para cenrios extremos, mas, apesar disso, j realidade em guas
ultra profundas. A tabela 5.7 a seguir mostra com detalhes as propriedades do
riserpara o caso 4 analisado.
Tabela 5.7 Propriedade do RiserCaso 4
O gradiente de presso calculado apresentado na Fig. 5.4 na qual se
pode verificar a queda de presso ao longo do duto para este cenrio.
Parmetro Valor
Distncia Horizontal 0 m
Diferena de Elevao 2000 m
Dimetro Interno 0,0762 m = 3 pol
Espessura da Parede 0,0127 m = 0,5 pol
Rugosidade 2,54m = 0,001 polTemperatura Ambiente 30 C
Transferncia de Calor 0 btu/hr/ft
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Figura 5.4 Queda de Presso para duto de 3 polegadas Caso 4
Diferentemente dos resultados apresentados nos casos 1, 2 e 3, o fluido
no possui energia suficiente para escoar at o final da tubulao de
comprimento equivalente igual a 3.500 m, pelo fato da queda de presso ser
muito grande. A distncia mxima que o fluido percorre na tubulao de
2166,667 m onde chega a 0 Psia de presso, ou seja, apenas 666,667 m a
partir do riser. A tabela 5.8 a seguir mostra com mais detalhe a queda de
presso pela distncia percorrida pelo fluido.
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Tabela 5.8 - Queda de Presso vs. Distncia Caso 4
Para este cenrio em especfico, outra simulao foi realizada considerando
as mesmas propriedades de fluido e dutos apresentadas anteriormente para
este caso, objetivando saber qual seria a presso mnima inicial medida no
manifold para que o fluido tivesse energia suficiente para chegar at a
plataforma de produo.
Para esta ltima simulao, utilizou-se o mdulo Pressure vs Total
Distance Profiles com o campo Inlet Pressure, uma vez que queremos
conhecemos a presso de entrada para uma presso de sada conhecida.
Distncia (m) Presso (Psia)
0 3500
375 3496,667
750 3493,332
1125 3489,997
1500 3486,66
1833,333 1867,627
2166,667 0
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Figura 5.5 Presso mnima para o duto de 3 polegadas Caso 4
De acordo com a anlise do grfico anterior, para que fluido tenha
energia suficiente para chegar at o separador passando pelos 3500 m dedutos na configurao apresentada, a presso mnima exigida no manifold de
8922,0539 Psia. Esse resultado ento garante a necessidade de intervenes
tcnicas e operacionais, sejam elas nos dutos ou no reservatrio em que o
poo est produzindo.
Para que esse problema seja resolvido, pode-se propor 2 caminhos
diferentes: O primeiro fazer com que a presso no manifold chegue at apresso mnima necessria para ascenso do fluido at a plataforma. Para que
essa presso seja atingida, se faz necessria a utilizao de mtodos especiais
de recuperao objetivando o aumento da presso do fluido na sada do
reservatrio. O grande problema que em sua grande maioria, estes mtodos
so bastante dispendiosos e por isso se descarta sua utilizao para este tipo
de problema. O segundo caminho proposto a utilizao de mtodos
corretivos, de forma a desobstruir as paredes da tubulao e por vez, realizar a
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substituio das linhas, causando empresa responsvel um gasto no
esperado e por vez inviabilizando a continuidade de produo nessas linhas.
5.5 Comparao dos Resultados
A comparao dos resultados para os 4 casos simulados pode ser
visualizada de forma grfica e a partir de tabela, como mostram a figura 5.6 e
a tabela 5.9, mostradas abaixo.
Figura 5.6 Comparao dos resultados para todos os casos simulados
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Tabela 5.9 Comparao dos casos analisados
Caso
Dimetro
do Riser
(Pol)
Espessura do
depsito
parafnico (Pol)
Dimetro da
rea aberta ao
fluxo (Pol)
Presso
Final (Psia)
Queda de
Presso
(Psia)
Caso 1 10 0 10 1868,158 1631,842
Caso 2 10 3 7 1782,922 1717,078
Caso 3 10 5 5 1309,681 2190,319
Caso 4 10 7 3 0 0
A partir do grfico e da tabela, ambos mostrados anteriormente, podemos
tirar as seguintes concluses:
1. Quanto maior a espessura do depsito parafnico, menor o dimetro da
rea aberta ao fluxo;
2. Quanto menor o dimetro da rea aberta ao fluxo, menor a presso final
medida em superfcie;
3. Uma menor presso final medida na superfcie implicar em uma maior
queda de presso.
Resumidamente, podemos dizer que quanto maior a espessura do depsito
parafnico, maior ser a queda de presso no duto por unidade de
comprimento. Com esse resultado, conseguimos chegar ao objetivo do
presente trabalho.
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6. Implicao dos Resultados
De acordo com os resultados apresentado nos casos simulados, a
queda de presso proporcional quantidade de parafina depositada naparede dos dutos. Para problemas mais graves, o resultado apresentado pode
gerar complicaes srias para a empresa operadora. So eles:
Obstruo parcial ou total da tubulao;
Perda de produo;
Perdas financeiras causadas por menor produtividade nas linhas;
Gastos com mtodos corretivos;
Incremento da potncia de bombeio;
Necessidade de substituio de equipamentos;
Paralizao da produo em casos mais graves, gerando perdas
financeiras adicionais.
Por este motivo, faz necessria a utilizao de mtodos que auxiliaro
na preveno de formao da parafina, sejam eles inibidores qumicos ou
isolamento trmico das linhas.
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7. Concluso
O presente trabalho mostrou o comportamento da presso mediante a
deposio parafnica em dutos subsea. Os resultados mostraram uma realqueda de presso associada formao de depsitos parafnicos em dutos.
As simulaes realizadas no software, juntamente com as correlaes
utilizadas, apresentaram resultados bastante expressivos e dentro do esperado
para as caractersticas do reservatrio e do fluido em questo, sendo
condizentes com os resultados reportados na literatura, o que comprova sua
grande aplicao e eficcia quando se trata de simulaes de escoamento.
As simulaes demostraram a importncia de um estudo prvio desta
disciplina em poos de produo de hidrocarboneto. Em um cenrio real, por
exemplo, se fosse utilizada a configurao de projeto de linhas apresentado
neste trabalho e considerando a formao de parafina, certamente haveria
srios problemas operacionais e grandes custos de mitigao. A
recomendao, portanto, realizar adequadamente uma anlise do potencial
de formao de parafina e de suas medidas preventivas.
O aprendizado com relao ao software foi de grande importncia, pois
alm de permitir o aprimoramento do conhecimento em diversas reas da
Indstria do Petrleo, esse programa computacional muito utilizado por
diversas empresas, como Petrobras, Schlumberger, Halliburton, Expro, dentre
outras.
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