Theoretical and experimental study of effective viscosity in oil-water emulsions flow within electrical submersible pump
Resumo
O sistema de Bombeio Centrífugo Submerso se destaca por sua alta capacidade produtiva mesmo em cenários severos de operação. Dentre esses cenários, a operação com emulsões óleo-água representa um problema de garantia de escoamento tanto para as linhas de produção quanto para a Bomba Centrífuga Submersa (BCS). A formação deste padrão de escoamento provoca um aumento significativo na viscosidade da mistura que é intensificada com o aumento da fração da fase dispersa até a inversão de fase. A inversão de fase é a transição do escoamento de água-em-óleo para óleo-em-água ou vice-versa. O aumento de viscosidade e a inversão de fase no interior de uma BCS provocam, respectivamente, redução em sua capacidade de produção e ocasionam severas instabilidades operacionais. O comportamento particular e complexo da viscosidade efetiva da emulsão e o fenômeno de inversão de fase ainda são pouco compreendidos mesmo em escoamentos em tubulações. A geometria complexa da BCS, além do comportamento hidrodinâmico do escoamento em seu interior, dificultam ainda mais o entendimento desses fenômenos dentro deste equipamento. Dessa forma, este trabalho pretende contribuir no entendimento fenomenológico do escoamento de diferentes sistemas de emulsão no interior de uma BCS, analisando, experimentalmente, o comportamento da viscosidade efetiva e da inversão de fase sob diferentes condições operacionais. Inicialmente, foram observados comportamentos opostos da viscosidade efetiva da emulsão de água-em-óleo no interior da BCS dependendo do tipo de sistema de emulsão, instável ou estável, com o aumento da fração da fase dispersa. Então, foi apresentado um critério denominado Critério de Relevancia de Deslizamento que é baseado no deslizamento da gota de água no meio óleo quando submetidos à um campo centrífugo. Para analisar tal comportamento, um número adimensional denominado número de Relevância de Deslizamento foi proposto para representar uma fronteira capaz de separar as tendências observadas. Além disso, um modelo para viscosidade efetiva de emulsões estáveis água-em-óleo passando através de BCS foi proposto levando em conta as propriedades das fases e parâmetros operacionas do equipamento. Tal modelo foi aplicado à equação proposta por Biazussi (2014) para prever a elevação da BCS, apresentando boa concordância quando comparado com os dados experimentais e com dados reais de operação. Finalmente, a análise da inversão de fase catastrófica é apresentada através da investigação do comportamento da potência de eixo da BCS. Deste estudo, observou-se um comportamento particular da potência de eixo com o aumento da fração da fase dispersa, principalmente ao se aproximar do ponto de inversão de fase. Esse comportamento foi observado tanto no torque quando na corrente elétrica consumida, mostrando a sensibilidade desses parâmetros com o início do processo de inversão de fase dentro da BCS.
Autor(a)
Natan Augusto Vieira Bulgarelli
