Avaliação numérica dos efeitos do diâmetro de partículas de carbonato de cálcio na incrustação em dispositivos de contenção de areia

Abstract

RESUMO: Com a descoberta do pré-sal, os desafios inerentes à exploração do petróleo demandam por tecnologias para mitigar a incrustação de CaCO3 em dispositivos vitais de completação, que são responsáveis pela garantia plena da produção de petróleo. Os cristais de CaCO3 podem precipitar, crescer e aderir aos elementos de completação, trazendo prejuízos para o funcionamento dos dispositivos e custos onerosos de manutenção. A compreensão dos fenômenos relacionados ao processo de adesão dos cristais de CaCO3 torna-se importante para o desenvolvimento de estratégias que visam mitigar essa problemática de magnitude mundial na exploração do petróleo. Utilizando a dinâmica dos fluidos computacional, este estudo objetiva investigar a influência do número de Reynolds de entrada e do diâmetro de partículas de CaCO3 na incrustação inorgânica em elementos de contenção de areia. As simulações foram realizadas através do software Ansys FLUENT®, com faixa para o diâmetro dos cristais 9 µm < dp < 25 µm e para o número de Reynolds 6000 < Re < 10000, totalizando nove casos, de acordo com o modelo fatorial 3k adotado no planejamento experimental. Foi elaborada uma função definida pelo usuário (User Defined Fuction - UDF) para representar o critério de adesão dos cristais de CaCO3 no dispositivo de contenção, e a interação entre as fases contínua e discreta foi representada pelo modelo de fase discreta (Discrete Phase Model - DPM). Também foram realizados testes experimentais com o intuito de validar o modelo numérico. Na análise fluidodinâmica, os resultados mostraram a formação de vórtices e oscilações bruscas nos perfis de velocidade e pressão através do dispositivo de contenção de areia. Para o escoamento granular com CaCO3, é verificado que na medida em que o diâmetro das partículas e o número de Reynolds diminuem, as forças de adesão são preponderantes em relação às de inércia, aumentando consideravelmente a quantidade de massa aderida de CaCO3 sobre o suporte de contenção, sendo essa mais sensível à variação do tamanho dos cristais. Com o presente estudo foi possível entender de forma satisfatória a dinâmica do escoamento granular com CaCO3 através de elementos de contenção de areia, podendo contribuir em estratégias futuras para mitigar a incrustação inorgânica nesses elementos.

ABSTRACT: With the discovery of the pre-salt, the challenges inherent to oil exploration demand technologies to mitigate CaCO3 incrustation in essential completion devices, which are responsible for ensuring full oil production, specifically the sand control screens. CaCO3 crystals can precipitate, grow and eventually adhere to the completion elements, causing damage to device performance and costly maintenance. Understanding the phenomena related to the adhesion process of CaCO3 crystals becomes important for the development of strategies aiming to mitigate this problem of global magnitude in oil exploration. Using the computational fluid dynamics, this study aims to investigate the influence of inlet Reynolds number and CaCO3 crystals diameter on inorganic incrustation in sand control elements. The simulations were performed using the Ansys FLUENT® software, with a range 9 µm < dp < 25 µm for the particle diameter and 6000 < Re < 10000 for the inlet Reynolds number, totaling nine cases, according to the 3k factorial model adopted in the experimental planning. A User Defined Function (UDF) was elaborated to represent the adhesion criteria of the CaCO3 crystals in the control device, and the interaction between the continuous and discrete phases was represented by the Discrete Phase Model (DPM). Tests were also performed on an experimental bench in order to validate the numerical model. In the fluid dynamic analysis of the flow through the sand control support, the results showed the formation of vortices and sudden oscillations in the velocity and pressure profiles. For the granular flow with CaCO3, it is verified that as the particle diameter and the Reynolds number decrease, the adhesion forces are preponderant in relation to the inertia ones, considerably increasing the amount of adhered mass of CaCO3 on the support of containment, being is more sensitive to the variation in the size of the crystals. With this study, it was possible to satisfactorily understand the dynamics of granular flow with CaCO3 through sand control elements, which may contribute to future strategies to mitigate inorganic incrustation in these elements.