Modelagem e simulação da sedimentação de sólidos adensantes em fluidos de perfuração

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a capacidade de predição de modelos matemáticos simplificados para descrever a dinâmica de sedimentação de sólidos adensantes em fluidos de perfuração. Na etapa inicial deste trabalho, foram realizados experimentos de sedimentação de suspensões aquosas de barita e de calcita em colunas de vidro, com concentrações volumétricas iniciais de 6; 7%, 12% e 20% para cada sólido, e a variação da altura da interface entre a zona de clarificado e a zona de concentração constante foi registrada ao longo do tempo. A primeira abordagem fez uso de modelos conservativos, cuja velocidade relativa entre o sólido e o fluido é somente função da concentração volumétrica local do sólido. Dessa forma, os modelos conservativos utilizados para simular esses sistemas foram baseados nas leis de conservação da massa e em funções de densidade de fluxo. Para avaliar a acurácia dos resultados fornecidos pelos modelos conservativos, utilizou-se a variação da altura da interface de clarificação ao longo do tempo, como variável auxiliar para inferir a qualidade das predições fornecidas pelo modelo, visto que não se dispunha de equipamentos para determinar os perfis espaciais de concentração de sólidos. Através deste procedimento, verificou-se que os modelos conservativos foram capazes de predizer a variação temporal da interface de clarificação com erro relativo menor que 10% na maior parte do tempo, exceto na região que a concentração local aumenta rapidamente. Na segunda abordagem utilizou-se um modelo simplificado, composto pela equação da continuidade e pela equação do movimento, considerando as forças de interação entre as fases sólido e líquido. O modelo simplificado descreve a variação temporal da interface de clarificação dos sistemas de sedimentação simples, com valores bastante satisfatórios e com erro relativo menor do que os resultados exibidos pelos modelos conservativos. Na etapa final deste trabalho, este mesmo modelo foi avaliado na simulação dos perfis temporais e espaciais da concentração de barita na sedimentação no fluido BR-Mul, que é um fluido real de perfuração bastante utilizado pela Petrobras. Os perfis de concentração obtidos por simulação foram comparados a dados experimentais obtidos na Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia (FEQ/UFU). Neste estudo de caso, foi possível comparar diretamente a saída do modelo aos dados experimentais, e os resultados mostraram que o erro relativo do modelo foi menor para o fluido com a maior concentração inicial de barita, sobretudo nos pontos que se encontram próximos da região de compactação. No entanto, a metodologia experimental utilizada na FEQ/UFU apresenta elevada imprecisão em regiões com alta concentração de sólidos, devido ao erro experimental introduzido na utilização do equipamento emissor de raios gama.