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???metadata.dc.type???: Dissertação
Title: Estudo da perda de carga e troca térmica no escoamento de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos em coiled tubing
Other Titles: The study of pressure drop and heat transfer in the flow of Newtonian and Non-Newtonian fluids in coiled tubing
???metadata.dc.creator???: Oliveira, Beatriz Rosas de 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Scheid, Cláudia Míriam
First advisor-co: Calçada, Luís Américo
???metadata.dc.contributor.referee1???: Scheid, Cláudia Míriam
???metadata.dc.contributor.referee2???: Melo Junior, Príamo Albuquerque
???metadata.dc.contributor.referee3???: Silva, Emílio César Cavalcante Melo da
???metadata.dc.description.resumo???: O coiled tubing é um sistema composto por um tubo de aço flexível, longo e contínuo, utilizado em diversos processos, principalmente na indústria do petróleo. Podendo ter mais de 6000 metros, parte do comprimento do tubo é direcionada ao poço, a partir de um injetor, enquanto a outra parte permanece enrolada em um carretel subdividida em camadas. Durante o abandono de poços, diferentes tipos de fluidos, como água e pasta de cimento, são bombeados por meio do coiled tubing a fim de garantir o isolamento e selamento do poço. O escoamento de fluidos em tubos curvados gera uma dissipação de energia significativa em comparação a um tubo reto, sendo necessário prever a perda de carga para obter a pressão de bombeio utilizada na operação. A dissipação de energia por atrito e as trocas térmicas entre o fluido e o ambiente alteram a temperatura do fluido e, consequentemente, suas propriedades físico-químicas, afetando a reologia e o tempo de cura da pasta de cimento. Um excesso de retardadores de pega é adicionado na formulação da pasta a fim de aumentar o tempo necessário para o seu endurecimento, gerando um aumento de custo e tempo do processo. Torna-se essencial prever a perda de carga e a troca térmica no escoamento de fluidos em coiled tubing, a fim de otimizar a formulação dos fluidos e controlar o processo. O objetivo deste trabalho foi avaliar experimentalmente e matematicamente o escoamento de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos em coiled tubing a fim de simular o perfil de pressão e temperatura ao longo do tubo. Água filtrada e uma solução aquosa de goma xantana, com comportamento reológico similar ao da pasta de cimento, foram utilizadas nos testes experimentais. A unidade experimental utilizada possui 375 metros de comprimento subdivididos em 8 camadas com medições de pressão e temperatura na entrada e saída de cada camada. Os fluidos foram bombeados em diferentes vazões volumétricas, razões de curvatura e temperatura inicial. Modelos matemáticos foram propostos para o cálculo da perda de carga e da troca térmica, considerando o regime permanente e transiente. Com base nos resultados experimentais obtidos em laboratório, os parâmetros de uma correlação de fator de atrito para fluidos não-Newtonianos presente na literatura foram reestimados. Para prever a variação de temperatura em função do tempo e do comprimento, foi proposto um balanço energético considerando as transferências de calor por atrito, do fluido com o tubo e com o ambiente. A resolução da modelagem matemática e a estimação de parâmetros foram realizadas em linguagem FORTRAN, com base nos dados obtidos em laboratório e no campo. As equações diferenciais parciais foram discretizadas espacialmente a partir da técnica de volumes finitos. Adicionalmente, o integrador DASSL foi utilizado visando obter a solução dinâmica do conjunto de equações. A modelagem proposta admite a existência de um bombeamento sequencial de diferentes fluidos ao longo do coiled tubing, com diferentes razões de curvatura e com a variação sequencial da área interna transversal ao escoamento. Um estudo de caso foi conduzido, considerando dados experimentais obtidos em operações de abandono de poços com um sistema de coiled tubing real. O software desenvolvido foi utilizado para simular as condições reais, onde foi observado uma boa aproximação aos dados de campo, com um erro percentual entre os valores experimentais e calculados inferiores a 7%.
Abstract: Coiled tubing is a system consisting of a long, continuous and flexible steel pipe used in many processes, especially in the oil industry. Measuring over 6000 meters, part of the pipe is directed to the well from an injector and a rotary table, while the other part remains wrapped in a reel subdivided in many layers. During well abandonment, different fluids, such as water and cement slurry, are pumped through coiled tubing to ensure well isolation and sealing. Fluid flow in curved pipes generates significant energy dissipation compared to a straight pipe, and it is necessary to predict the pressure drop to obtain the pumping pressure used in the operation. The energy dissipation by friction and the heat exchange between the fluid and the environment change the fluid temperature and, consequently, its physicochemical properties, affecting the rheology and the cement setting time. An excess of set retarders is added to the slurry formulation to increase the time required for setting, resulting in increased process time and cost. It is essential to predict pressure drop and heat transfer in coiled tubing in order to optimize fluid formulation and process control. The objective of this work was to experimentally and mathematically evaluate the flow of Newtonian and non-Newtonian fluids in coiled tubing in order to simulate the pressure and temperature profile along the tube. Filtered water and an aqueous solution of xanthan gum, with a rheological behavior similar to a cement slurry, were used in experimental tests. The experimental unit is 375 meters long divided into 8 layers with pressure and temperature measurements in each layer. Fluids were pumped at different volumetric flow rates, curvature ratios and initial temperature. Mathematical models were proposed to calculate pressure drop and heat transfer, considering permanent and transient regime. Based on experimental results obtained in the laboratory, the parameters of a friction factor correlation for non-Newtonian fluids present in the literature were reestimated. To predict the temperature variation as a function of time and length, an energy balance was proposed considering heat transfer by friction and the heat transfer of the fluid with the pipe and the environment. Parameter modeling and estimation were solved using FORTRAN language, based on laboratory and field data. The partial differential equations were spatially discretized using the finite volume technique. Additionally, the DASSL integrator was used to obtain the dynamic solution of the set of equations. The mathematical modeling assumes the existence of a sequential pumping of different fluids along the coiled tubing, with different curvature ratios and internal transverse flow area. A case study was conducted, considering experimental data obtained from well abandonment operations with a real coiled tubing system. The developed software was used to simulate the real conditions, where a good approximation to the field data was observed, with a percentage error between the experimental and calculated values below 7%.
Keywords: Flexitubos
Perda de carga
Troca térmica
Coiled tubing
Pressure drop
Heat transfer
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Química
Language: por
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
???metadata.dc.publisher.initials???: UFRRJ
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto de Tecnologia
???metadata.dc.publisher.program???: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citation: OLIVEIRA, Beatriz Rosas de. Estudo da perda de carga e troca térmica no escoamento de fluidos newtonianos e não-newtonianos em coiled tubing. 2019.153 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Instituto de Tecnologia, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, 2019.
OLIVEIRA, Beatriz Rosas de. Estudo da perda de carga e troca térmica no escoamento de fluidos newtonianos e não-newtonianos em coiled tubing. 2019.153 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Instituto de Tecnologia, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, 2019.
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
URI: https://tede.ufrrj.br/jspui/handle/jspui/5640
Issue Date: 11-Nov-2019
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Química

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