Medidor de Fração de Água para Escoamento Bifásico (Água – Óleo) Utilizando Técnicas de Micro-ondas e Cavidades Ressonantes Eduardo Scussiato Orientador: Daniel J. Pagano Co-orientador: Walter Carpes PPGEAS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina 30 Abril de 2010

Conteúdo Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão

Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás Medição Multifásica INTRODUÇÃO Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás Escoamento Bifásico: Óleo e Água Bolha Golfada Processo de movimentacao das moleculas de um fluido, umas em relacao as outras e aos limites impostos Transição [Kg/s] Nevoeiro

Vazão Volumétrica: Vazão Mássica: Medição Multifásica INTRODUÇÃO Água e Óleo: Homogêneo: Vazão Volumétrica: [m³/s] Escoamento: é a mudança de forma do fluido sob ação de um esforço tangencial. [Kg/s] Objetivo:

Ocorre em todo processo produtivo Medição Multifásica INTRODUÇÃO Ocorre em todo processo produtivo

Avaliar a Produção / Recuperação Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO Avaliar a Produção / Recuperação

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Longo tempo para estabilizar São conectados a unidades Móveis Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO Longo tempo para estabilizar São conectados a unidades Móveis Grandes e Pesados Manutenção LONGO TEMPO ENTRE AMOSTRAS;

Sistema de Medição Complexo Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO Todos Importados Sistema de Medição Complexo Custo elevado $300.000,00 – topside $500.000,00 – subsea [Vx Technology - Schlumberger]

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Há uma tendência em automatizar campos produtores Medição Multifásica MOTIVAÇÃO Há uma tendência em automatizar campos produtores Métodos: Separação total; Sem separação; Separação parcial.

Medidores por ondas eletromagnéticas: MOTIVAÇÃO Técnicas: Capacitância e Resistência; Atenuação Radioativa (Raio-X e Raio-Gamma); Ultrassom; Micro-ondas (Ondas Eletromagnéticas). Medidores por ondas eletromagnéticas: Possibilitam a leitura das medições em tempo real; Medem sem a separação das fases; Medições instantâneas e contínuas; Pequenos e leves; Fácil instalação e manutenção.

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Medição em dutos de forma não intrusiva; Baixo custo; OBJETIVOS Desenvolver um medidor de fração de água para escoamento de água e óleo por ondas eletromagnéticas em cavidade ressonante; Medição em dutos de forma não intrusiva; Baixo custo; Medição em ampla faixa de fração de água (0-100%); Estável e confiável; Parâmetros metrológicos adequados.

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Cúbicas ou Cilíndricas; Frequência de Corte x Dimensões; Cavidades Ressonantes TEORIA Cúbicas ou Cilíndricas; Frequência de Corte x Dimensões; Infinitas Frequências Ressonantes; Padrão de Campos: Elétrico Magnético

Frequência Ressonante Cavidade Ressonante: Cilíndrica TEORIA Frequência Ressonante [N/A²] = Newton por Ampere ² µ = Permeabilidade Magnética [N/A²] (µ = µ0 µr )  µr = 1 quão facilmente ele se polariza em resposta a um campo elétrico ε = Permissividade Elétrica [F/m] (ε= ε0 εr)  εr = ? permissividade dielétrica descreve como um material se comporta na presença de um campo elétrico A susceptividade elétrica χe de um material dielétrico é a medida de quão facilmente ele se polariza em resposta a um campo elétrico. Isto determina a permissividade elétrica do material e, portanto, influencia muitos outros fenômenos no meio, como a capacitância de capacitores e a velocidade da luz. Material εr Ar 1 Petróleo 2,1 Óleo Mineral 2,3 Água doce 81

Cavidades Ressonantes: Permissividade TEORIA Relação de Debye: Tempo de Relaxação:

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Frequência Operação: Mensurar em duto de 3”; Não ser intrusivo; Especificações SENSOR Frequência Operação: ↑ Frequência ↓ Perdas  ↓Diâmetro ↑ Custo 10GHz: Perdas Desaparecem  Diâmetro Cavidade ≈ 1mm FrMáx. < 400 MHz; Mensurar em duto de 3”; Não ser intrusivo; Definir: Modo propagação; Excitação/Recuperação; Dimensões da cavidade.

TE111 EigenMode: Campos Eletromagnéticos Simulação: HFSS SENSOR Um modo normal de vibração de um sistema oscilador TE111

Cavidade 3” diâmetro Define-se: Especificações - Dimensões SENSOR Água: Fr = 280 MHz Óleo: Fr = 1.735,0 MHz Δf = 1455,0 MHz Define-se: Diâmetro=5” (a = 6,35cm) d = 15cm

Permissividade Equivalente: Brüggeman Especificações - Brüggeman SENSOR Permissividade Equivalente: Brüggeman Mistura de água\óleo Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Brüggeman) 2,1 5,3 15,8 22,8 30,6 39,3 48,7 58,9 69,6 81

Vão preenchido com água Especificações - Vão SENSOR AR εrVão= εrA = 1 εrPVC=2,1 Brüggeman εrSensor=1,09 ÁGUA εrVão= εrW = 81 εrPVC=2,1 Brüggeman εrSensor=68,84 Vão: Ar Vão preenchido com ar Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Equivalente) 1,68 3,36 5,75 8,7 12,18 16,11 20,45 25,17 30,23 35,63 41,31 Fr. [MHz] 1316 932 712 579 489 425 378 340 311 286 266 Vão preenchido com água Água[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 εr (Equivalente) 36,0 38,2 41,2 44,8 48,6 52,6 56,8 60,9 65,0 69,3 76,4 Fr. [MHz] 285 276 266 255 245 235 227 219 205 195 Ar (Δfr=1050MHz) Água (Δfr=90MHz)

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Excitação Modal (Driven Modal) HFSS SIMULAÇÃO Excitação Modal (Driven Modal) Atenuação de Tx  Rx Ressonâncias Arrumar DB

Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

Homogênea: Brüggeman SIMULAÇÃO

Conteúdo Introdução a Medição Multifásica Caracterização do Problema Motivação Objetivos Teoria Eletromagnética e Permissividade Sensor Resultados Simulação Resultados Experimentais Conclusão Enfase entre simulacao e ai pro experimento.

EXPERIMENTO Estático

EXPERIMENTO Estático: Óleo Mineral

EXPERIMENTO Estático: Óleo Diesel

Estático: HFSS x Diesel x Mineral EXPERIMENTO Estático: HFSS x Diesel x Mineral Mudar escala para 100 – 500 MHz Repetitividade – co-relacao

EXPERIMENTO Estático: Água Salgada (250 kppm – σ =25 S/m)

EXPERIMENTO Dinâmico Realizado em 2 etapas: Mistura homogênea 20 litros de água 20 litros de óleo Mistura homogênea

EXPERIMENTO Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%)

EXPERIMENTO Dinâmico: Experimento 2

Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático EXPERIMENTO Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático repetitividade

EXPERIMENTO Dificuldades

EXPERIMENTO Futuro

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Micro-ondas em cavidades ressonantes: CONCLUSÃO Micro-ondas em cavidades ressonantes: Medição da fração de água em dutos; Medição não intrusiva: Protege as antenas; Não provoca queda de pressão na linha; Permite limpeza/enceramento de dutos. Medição em ampla faixa de fração de água: Combustíveis; Tratamento de água; Produção de petróleo. O Desenvolvimento foi motivado por aplicações no monitoramento de campos produtores na industria de petróleo. Entretanto há aplicações em diversos processos.

Resultados de simulação e experimentos: CONCLUSÃO Resultados de simulação e experimentos: Simulação de caso ideal: Ɛrw=81 e Ɛro=2,1; Experimento: Presença de impurezas na água; Presença de aditivo no óleo; Bomba monofásica; Bolhas de ar fluindo na mistura; Variação de temperatura; Erros de medições: Dimensões da cavidade; Diferenças nos volumes das amostras.

Experimento com água saturada de sal CONCLUSÃO Experimento com água saturada de sal Mantêm a ressonância e o principio de funcionamento; Elevadas perdas (σ ≈ 25 S/m); Reduz a penetração das ondas EM; Reduz o fator de qualidade; Eleva os erros de medição.

Gerou as seguintes publicações CONCLUSÃO Desenvolvimento de um medidor de fração de água para escoamento bifásico (água e óleo) utilizando técnicas de micro-ondas em cavidade ressonante. 5º Congresso Brasileiro de PD em Petróleo e Gás, 2009, Fortaleza/CE. Development of water cut sensor for two fase (oil and Water) flow in pipeline by microwave in resonator cavity. ESSS South American Ansys User Conference, 2009, Florianopolis/SC; Medidor de fração de água para aplicações de controle e automação da produção de poços de petróleo. Rio Oil and Gas, 2010, Rio de Janeiro/RJ, (submetido); Medidor eletromagnético de fração de água para escoamento bifásico de água e óleo. XVIII Congresso Brasileiro de Automática - CBA, 2010, Bonito/MS, (submetido).

Direções para trabalhos futuros CONCLUSÃO Estudo do modo TM010 e comparar com o modo TE111; Desenvolvimento de um sistema eletrônico de processamento de sinal; Inclusão de sensores de temperatura e de salinidade; Medição da velocidade média dos fluídos; Realização de experimentos dinâmicos com diferentes padrões de escoamentos; Estudo para avaliar o monitoramento das três primeiras ressonâncias; Utilização de medições distribuídas (tomógrafo) para caracterizar os tipos de escoamento; Levantamento dos parâmetros metrológicos do sensor.

Laboratório de Circuitos Integrados AGRADECIMENTOS Laboratório de Circuitos Integrados scussiato@das.ufsc.br