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Type: DISSERTAÇÃO
Degree Level: Mestrado
Title: Experimental study and modeling of the startup flow of waxy crudes in pipelines and the rheological behavior of gelled waxy crudes
Title Alternative: Estudo Experimental e simulação do reinício do escoamento de óleos parafínicos em tubulação e o comportamento reológico de óleos parafínicos gelificados
Author: Geest, Charlie Van Der, 1988-
Advisor: Bannwart, Antonio Carlos, 1955-
Abstract: Resumo: Os procedimentos de manutenção de equipamentos ou desligamento de emergência de uma unidade estacionária de produção de petróleo no mar ocorrem com freqüência na produção de petróleo. No caso de produção de petróleo parafínico escoando em uma linha de produção no fundo do mar, onde a temperatura é em torno de 4 ° C, a perda de calor podel conduzir o óleo a TIAC (Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais) do óleo. Isso leva à cristalização de parafinas. Dependendo do tempo que o óleo permaneça estático, neste ambiênte, perdendo calor, é possivel que se forme uma estrutura parafínica que bloqueie completamente a linha de produção. Linhas de produção com óleos parafínicos são um problema grave para a garantia de escoamento. É importante saber a pressão mínima necessária para reiniciar o escoamento para projetar as instalações de bombas na superfície. Óleos parafínicos são fluidos complexos e tem sido estudados há muito tempo. O comportamento reológico é um dos principais fatores que aumenta a complexidade do problema, no entando, para se prever o comportamento do óleo, o estudo de outros fenomênos é necessários, tais como compressibilidade e encolhimento térmico. Estudos experimentais foram feitos para estudar a reologia, compressibilidade e o encolhimento térmico, individualmente, em um reômetro Hakke Mars 3 e em uma celula PVT. Depois de todos os parâmetros estudados individualmente uma linha em escala reduzida foi construída para estudar o comportamento do óleo numa tubulação com a influência de todos os fenômenos físicos juntos. Todos os experimentos foram realizados com dois óleos reais parafínicos para melhor generalizar os resultados. O óleo apresenta o comportamento reológico denominado tixotrópia. Tixotropia é um fenômeno complexo e não é completamente compreendido pela comunidade científica, e foi definida pelo Dicionário de física de Oxford: "Certos materiais se comportam como sólidos sob pequenas tensões aplicadas, mas sob tensões maiores se tornam líquidos. Quando as tensões são removidas do material este volta para sua consistência inicial. Esta propriedade é particularmente associada com determinadas colóides que formam géis quando deixados em repouso, mas que se tornam líquidos quando mexido ou agitado, devido a uma redistribuição da fase sólida ". Neste estudo, o obetivo era simular o comportamento de dois óleos comerciais parafínico diferentes, com base nos resultados experimentais. A partir da revisão da literatura, o modelo de de Souza Mendez and Thompson (2013) foi selecionado para a reologia. O modelo não foi capaz de prever os dados perfeitamente, então, uma alteração foi feita para melhorar suas previsões, sem alterar o significado físico das equações. A abordagem matemática da linha foi feita com base no balanço de massa e quantidade de movimento, para simular os resultados da linha de produção foi feito um algoritmo baseado no método númerico das diferenças finitas. Um dos principais objetivos deste trabalho era simular a linha, baseado nas equações de conservação de massa e movimento, implementando o modelo elastico viscoplástico tixotrópico. Porém, como os resultados experimentais não mostraram um resultado onde a reologia era realmente relevante, a fase final do algoritmo considerou somente um fluido newtoniano fracamente compressível

Abstract: The Procedure of shutdown of an oil production unit for equipment maintenance or emergency occurs with high frequency during its operational lifetime. In the case of waxy crude oil production, when, the crude stays at the bottom of the sea at 4°C, the loss of heat leads to the WAT (Wax Appearance Temperature) of the oil, which leads to the crystallization of wax. If the oil stays static for sufficient time, it might form a structure that completely blocks the pipeline. Flow lines filled with gelled waxy crudes oil is a severe problem to flow assurance. It is important to know the minimum pressure necessary to restart the subsea flowline to design the surface pump facilities. Gelled waxy crudes are complex fluids and have been studied for a long time. One of the main factors that explain the complexity of the problems is the rheological behavior, though, in order to predict the minimum pressure, others physical parameters are required, such as compressibility and shrinkage. An experimental study was done with a rheometer to study the rheology, then, with the PVT cell to study the compressibility and the shrinkage. These parameters were studied individually and afterwards an apparatus was built to study the behavior of the oil in a pipeline were their influence were evalueted. All the experiments were performed with two waxy crudes oils to better generalize the results. The oil has a temporal rheological behavior defined as thixotropic. Thixotropy is a complex flow phenomenon and is not completely understood by the scientific community, and was defined by the Oxford Encyclopedic Dictionary of Physics as: "Certain materials behave as solids under very small applied stresses but under greater stresses become liquids. When the stresses are removed the material settles back into its original consistency. This property is particularly associated with certain colloids which form gels when left to stand but which become sols when stirred or shaken, due to a redistribution of the solid phase." In this study, the idea was to simulate the behavior of two different commercial waxy crude oils, based on the experimental results. From the literature survey, the model of Souza-Mendez-Thompson (2013) was chosen to evaluate the rheological behavior. The model was not able to predict the data perfectly, then, a modification was made to improve its predictions without changing the physical meaning of the equations. A mathematical approach was done based on mass and momentum balance to simulate the results of the pipeline with a difference finite method. The main goals of this study was to simulate the pipeline with an elasto viscoplastic thixotropic model within the algorithm based on mass and momentum equations. But, as the experimental results were showing that the rheological behavior was not a relevant phenomena in the restart process, the final phase of the algorithm was reconsider, since did not apply for our experimental data. The results considering the oil as a Newtonian fluid with high viscosity had good accuracy
Subject: Escoamento
Tixotropia
Reologia
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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