Estudo de escoamento multifásico em válvulas choke através de fluidodinâmica computacional

Abstract

Em uma plataforma petrolífera, estimar ou mensurar a vazão durante todo o ciclo produtivo é essencial para o controle e otimização do processo. Entretanto, a correta medição da vazão é um dos principais desafios enfrentados nessa indústria, devido principalmente aos diferentes padrões de escoamento e à complexidade do fluido, que é uma mistura multifásica composta predominantemente por óleo, gás natural, CO2 e água. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar o uso de correlações simples de válvulas de controle, aplicadas em uma válvula choke que recebe o petróleo na plataforma (topside), para inferir a vazão. Como variáveis, foram utilizadas a queda de pressão a montante e a jusante da válvula, a abertura da válvula, a composição do fluido e o padrão de escoamento. A válvula choke foi modelada em CAD a partir de catálogos de uma válvula real e os dados de escoamento foram obtidos através de simulações em fluidodinâmica computacional (CFD) utilizando o software COMSOL Multiphysics®. As simulações foram realizadas para escoamento turbulento monofásico incompressível (água), multifásico incompressível (água e óleo) e multifásico compressível (água e ar). Para os casos multifásicos, foram utilizados escoamento homogêneo e padrão de escoamento de bolhas/gotículas dispersas. As curvas características, que relacionam a abertura da válvula com o coeficiente de vazão (Cv), foram desenvolvidas a partir dos dados obtidos através das simulações em CFD para os diferentes tipos de escoamento e apresentaram um perfil muito semelhante ao da válvula real, com Erro Absoluto Percentual Médio (MAPE) de 40,25% para os valores de Cv. As correlações para os diferentes casos de escoamento incompressível resultaram em valores de Cv muito próximos (MAPE entre 1,98% e 3,46%). A correlação para o escoamento multifásico compressível apresentou, além de um perfil muito semelhante, um MAPE de 8,71%. Devido às limitações do software de CFD, para o escoamento multifásico compressível só foi possível realizar simulações com baixas frações volumétricas de ar a montante da válvula (≈4,5%). De modo geral, as correlações empregadas são uma alternativa para inferir a vazão que passa pela válvula choke no topside de uma plataforma de petróleo, apresentando baixos erros para o coeficiente de vazão entre os escoamentos multifásicos e o monofásico.

On an oil platform, estimating or measuring flow rate throughout the production cycle is essential for process control and optimization. However, accurately measuring flow rate is a significant challenge in this industry due to the diverse flow patterns and the complexity of the fluid, which is a multiphase mixture primarily containing oil, natural gas, CO2, and water. In this context, the objective of this study is to evaluate the use of simple control valve correlations applied to a topside choke valve to infer flow rate. The variables include the upstream and downstream pressure drop, valve opening, fluid composition, and flow pattern. The choke valve was modeled in CAD using catalogs of a real valve and flow data were obtained through computational fluid dynamics (CFD) simulations using COMSOL Multiphysics® software. Simulations were conducted for incompressible single-phase flow (water), incompressible multiphase flow (water and oil), and compressible multiphase flow (water and air). For multiphase cases, homogeneous flow with dispersed bubbly flow pattern were employed. The characteristic curves, which establish the relationship between valve opening and the flow coefficient (Cv), were constructed using the CFD simulation data for the different flow scenarios and exhibited a profile similar to that of the real valve, with a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 40.25% for Cv values. The correlations for different incompressible flow cases resulted in very close Cv values (MAPE ranging from 1.98% to 3.46%). The correlation for compressible multiphase flow exhibited a similar profile but with an 8.71% MAPE. Due to CFD software limitations, simulations for compressible multiphase flow could only be performed with low volumetric fractions of air upstream of the valve (≈4.5%). Overall, these correlations offer an alternative for inferring flow rate through the topside choke valve on an oil platform, demonstrating low errors for the flow coefficient between multiphase and single-phase flows.