Estudo da perda de carga e troca térmica no escoamento de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos em coiled tubing

Abstract

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%.