Avaliação experimental do reinício de escoamento de solução aquosa de Laponita® RD

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Duarte Junior, Roque Martins
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5025
Resumo: During crude oil production, oil reservoirs can reach up to 7,000 meters of depth. The oil pressure and temperature in these conditions can reach up values of 100 MPa and 150 °C, respectively, while the seabed is approximately at 4 °C. Thus, during the production and transportation of crude oil from these reservoirs to the shore, which occurs through pipelines, the oil is subject to high temperature gradients. This temperature difference causes the oil to cool down, causing the crystallization of the paraffin crystals and, consequently, the oil gels in the pipeline. Under these conditions, the oil has a non-Newtonian behavior such as viscoplasticity, elasticity, temporal and shear history dependence. In order to restart the flow of the gelled material, it is necessary to impose higher pressures than the ones used during production. If the pressures are too high, the pipelines may be damaged causing economic and environmental problems. Understanding the influence of each rheological parameter during the startup is a difficult task due to the complexity of the oil. Therefore, in order to experimentally investigate the influence of the time dependence (thixotropy) on the flow startup phenomenon, it was used a model thixotropic material, which consists in an aqueous solution of Laponite® RD with a concentration of 2 wt%. To evaluate the material behavior the following tests were performed: flow curve, flow rate and pressure steps, flow startup with different resting times and visualization by flow rate imposition. The tests were carried out in a laboratory-scale flow loop with a long helical pipeline placed in a thermally insulated chamber. Through the flow curve it was possible to characterize the rheological behavior of a shear thinning yield-stress fluid in the steady-state regime. The flow rate steps test confirmed the dependence on the shear history of the material. Besides that, the flow startup demonstrated that the increase in the resting time delays the restart and increases the overshoot pressure reached. In the flow startup test with visualization and in the pressure steps, it was verified that the minimum stress that the material flows is similar to the yield-stress obtained through the flow curve. Finally, it was observed that an increase in the resting time and aging of Laponite® induced the appearance of partial breaking in the gelled structure during the flow startup tests.
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spelling Avaliação experimental do reinício de escoamento de solução aquosa de Laponita® RDExperimental evaluation of the flow start-up of aqueous Laponite RD solutionEngenharia do petróleoIndústria petrolíferaPetróleo - TransporteNanocompósitos (Materiais)Materiais compostosFluidos não-newtonianosViscosidadePetroleum engineeringPetroleum, Industry and tradePetroleum - TransportationNanocomposites (Materials)Composite materialsNon-Newtonian fluidsViscosityCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia MecânicaDuring crude oil production, oil reservoirs can reach up to 7,000 meters of depth. The oil pressure and temperature in these conditions can reach up values of 100 MPa and 150 °C, respectively, while the seabed is approximately at 4 °C. Thus, during the production and transportation of crude oil from these reservoirs to the shore, which occurs through pipelines, the oil is subject to high temperature gradients. This temperature difference causes the oil to cool down, causing the crystallization of the paraffin crystals and, consequently, the oil gels in the pipeline. Under these conditions, the oil has a non-Newtonian behavior such as viscoplasticity, elasticity, temporal and shear history dependence. In order to restart the flow of the gelled material, it is necessary to impose higher pressures than the ones used during production. If the pressures are too high, the pipelines may be damaged causing economic and environmental problems. Understanding the influence of each rheological parameter during the startup is a difficult task due to the complexity of the oil. Therefore, in order to experimentally investigate the influence of the time dependence (thixotropy) on the flow startup phenomenon, it was used a model thixotropic material, which consists in an aqueous solution of Laponite® RD with a concentration of 2 wt%. To evaluate the material behavior the following tests were performed: flow curve, flow rate and pressure steps, flow startup with different resting times and visualization by flow rate imposition. The tests were carried out in a laboratory-scale flow loop with a long helical pipeline placed in a thermally insulated chamber. Through the flow curve it was possible to characterize the rheological behavior of a shear thinning yield-stress fluid in the steady-state regime. The flow rate steps test confirmed the dependence on the shear history of the material. Besides that, the flow startup demonstrated that the increase in the resting time delays the restart and increases the overshoot pressure reached. In the flow startup test with visualization and in the pressure steps, it was verified that the minimum stress that the material flows is similar to the yield-stress obtained through the flow curve. Finally, it was observed that an increase in the resting time and aging of Laponite® induced the appearance of partial breaking in the gelled structure during the flow startup tests.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR)Petróleo Brasileiro (Petrobrás)Durante a produção offshore, os reservatórios de petróleo podem alcançar até 7.000 metros de profundidade em relação à superfície do mar. A pressão e a temperatura do petróleo nessas condições podem atingir valores de 100 MPa e 150 °C, respectivamente, enquanto o leito marinho encontra-se a aproximadamente a 4 °C. Durante a produção e o transporte de petróleo até a costa, que ocorre através de oleodutos, o petróleo fica sujeito a altos gradientes de temperatura. A diferença de temperatura causa o resfriamento do óleo, provocando a cristalização dos cristais de parafina, o que pode acarretar na gelificação do óleo na tubulação. O óleo gelificado apresenta comportamento não newtoniano como viscoplasticidade, elasticidade, dependência temporal e do histórico de cisalhamento. Para reiniciar o escoamento do material gelificado é necessário impor pressões superiores às presões utilizadas na produção, e se forem muito elevadas podem danificar as tubulações e causar problemas econômicos e ambientais. Compreender a influência das variáveis reológicas durante o reinício é tarefa difícil devido a complexidade do petróleo. Portanto com o objetivo de investigar experimentalmente a influência da dependência temporal (tixotropia) sobre o fenômeno de reinício de escoamento foi utilizado um material tixotrópico, que consiste numa solução aquosa de Laponita® RD com concentração de 2% em massa. Para avaliar o comportamento do material foram realizados os ensaios de curva de escoamento, patamares com imposição de vazão e pressão, reinício de escoamento com imposição de vazão, com aplicação de diferentes tempos de repouso e de visualização. Os ensaios foram realizados na unidade experimental composta por uma longa tubulação helicoidal (serpentina), inserida numa câmara térmica isolada. Por meio da curva de escoamento foi possível caracterizar o comportamento reológico de fluido viscoplástico no regime permanente. No teste de patamares de vazão foi confirmado a dependência no histórico de cisalhamento do material. Posteriormente, no reinício com imposição de vazão com diferentes tempos de repouso foi demonstrado que o aumento do tempo de repouso atrasa o reinício e aumenta os picos de pressões atingidos. Nos ensaios de reinício com imposição de vazão com visualização e patamares com imposiçao de pressão foi verificado que a mínima tensão que o material escoa é próxima à tensão limite de escoamento (TLE) obtida através da curva de escoamento. Por fim, foi constatado que o aumento do tempo de repouso e do envelhecimento da Laponita® induziu o surgimento de quebras parciais da estrutura gelificada durante o teste de reinício de escoamento.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRNegrão, Cezar Otaviano Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/4344790398205987Germer, Eduardo MatosSantos, Tainan Gabardo Miranda doshttp://lattes.cnpq.br/2932295996006714http://lattes.cnpq.br/3597283088741245Franco, Admilson Teixeirahttp://lattes.cnpq.br/3561428456009236Negrão, Cezar Otaviano Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/4344790398205987Andrade, Diogo Elias da Vinhahttp://lattes.cnpq.br/5726562903368886Naccache, Monica Feijohttp://lattes.cnpq.br/0010848295031388Duarte Junior, Roque Martins2020-06-19T18:09:14Z2020-06-19T18:09:14Z2020-03-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfDUARTE JUNIOR, Roque Martins. Avaliação experimental do reinício de escoamento de solução aquosa de Laponita® RD. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5025porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2020-06-20T06:01:30Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/5025Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2020-06-20T06:01:30Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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