Sistema de medição de vazões de líquido e de gás a partir de um tubo de Venturi modificado

Abstract

O desenvolvimento e o uso de novos sistemas de medição em substituição aos convencionais separadores de fases se tornaram foco das indústrias de petróleo e gás natural, nas medições das vazões de gás, óleo e água nos poços de extração. Buscam-se medidores a baixo custo e precisos, além do uso de tecnologias viáveis e soluções práticas no auxílio das operações de medição. Facilidades de medição são desejadas principalmente nas operações de extração em águas profundas. Tem-se por objetivo propor alternativa de baixo custo para as medições de vazões de escoamento do tipo líquido-gás através de um tubo de Venturi modificado. Para testar o medidor de vazão em situação típica da indústria de óleo e gás, uma bancada experimental foi construída para permitir escoamentos simultâneos com até três fases distintas: água, óleo vegetal e ar. Modelos de escoamentos bifásicos tradicionais foram adaptados para criar um algoritmo capaz de prescrever o campo de pressão teórico ao longo do Venturi e comparar com medições das pressões ao longo de um protótipo desse elemento deprimogênio. Foi obtido o fator de correção em virtude da geometria convergente-divergente para escoamentos monofásicos. Novos fatores de correção bifásico para a geometria convergente-divergente do Venturi baseado no modelo de fases separadas de Lockhart e Martinelli (1949) foram obtidos. Através dos novos coeficientes, o aumento da perda de carga em virtude do escoamento bifásico é contemplado. O desvio médio entre os resultados experimentais e numéricos para todos os experimentos foi reduzido de 2,2 kPa (com valores originais fornecidos por Chisholm, 1967) para 0,2 kPa (com os novos valores obtidos). Resultados do campo de pressão ao longo do Venturi também foram apresentados em situações onde singularidades à jusante do Venturi perturbam o escoamento ao longo do mesmo.

Abstract: The development of liquid and gas two-phase flow measurement systems in replacement to oldfashioned phase separators is essential to the oil and gas industry. Gas, oil and water flows occur simultaneously in pipes at these industries. Measurement techniques must satisfy precision and costs, besides they need to resist to challenging operational conditions. Measurement solutions are particularly interesting to deep-water operations. This work aims at developing a low cost liquid and gas two-phase flow measurement system consisting of a modified Venturi meter. In order to evaluate this flow meter in typical oil and gas applications, an experimental rig was built as to allow simultaneous flows of water, oil and air. Traditional two-phase flow models were adapted to the Venturi meter geometry to model the theoretical pressure behavior along the Venturi. Pressure measurements provided info to an algorithm in order to estimate liquid and gas flow rates without phase separation. A correction factor to the convergent-divergent geometry was provided to single-phase flows. New two-phase correction factors were provided to the Venturi meter based on the model of Lockhart and Martinelli (1949). Pressure drop mean errors have been reduced from 2.2 to 0.2 kPa with the new correction factors. Static pressure measurements were provided in circumstances where singularities downstream the Venturi affected the pressure field along this flowmeter.