Medição experimental e modelagem do equilíbrio termodinâmico de hidratos de metano e dióxido de carbono em bases de glicerina e olefina utilizadas em fluidos de perfuração

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mendes, Hariel Udi Santana, 1995-
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/19913
Resumo: Orientadores: Paulo Roberto Ribeiro, Nara Angélica Policarpo
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spelling Medição experimental e modelagem do equilíbrio termodinâmico de hidratos de metano e dióxido de carbono em bases de glicerina e olefina utilizadas em fluidos de perfuraçãoExperimental measurement and thermodynamic equilibrium modeling of methane and carbon dioxide hydrates in glycerin and olefin bases applied for drilling fluidsEngenharia do petróleoGas natural - HidratosMetanoDióxido de carbonoPoços de petróleo - Fluidos de perfuraçãoGlicerinaOlefinasPetroleum engineeringNatural gas - HydratesMethaneCarbon dioxideOil wells - Drilling fluidsGlycerinOlefinsOrientadores: Paulo Roberto Ribeiro, Nara Angélica PolicarpoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de GeociênciasResumo: A explotação de hidrocarbonetos em cenários offshore, principalmente em lâminas d’água profundas onde predominam condições de alta pressão e baixa temperatura do solo marinho, trazem à tona um grave desafio: a formação de hidratos de gás natural. Para evitar este problema, principalmente na perfuração de poços de petróleo, podem ser utilizadas bases de fluidos de perfuração que contenham constituintes que inibam sua formação, como no caso da glicerina e da olefina. Entretanto, poucos dados experimentais de equilíbrio de hidratos existem na literatura que comprovem a eficiência destes fluidos como inibidores. Outro desafio encontrado, como nos campos do pré-sal brasileiro, é o grande teor de dióxido de carbono existente nos reservatórios, que pode facilitar ainda mais esta formação em determinadas situações. Nesse contexto, foram realizadas medições experimentais do equilíbrio de hidratos para as seguintes misturas: metano/dióxido de carbono (75/25 %mol) em soluções aquosas de glicerina sem e com sais inorgânicos; gás natural sintético em solução aquosa de glicerina com cloreto de sódio; e metano/dióxido de carbono (70/30 %mol) em emulsão de olefina em água. Os experimentos foram conduzidos em uma célula PVT, utilizando o método PVT isocórico, para pressões e temperaturas máximas de 35 MPa e 25 °C, respectivamente. Para modelar o comportamento de fases, foram testados dois modelos, o CPA e o RKSA, ambos disponíveis no MultiflashTM, um software de comportamento de fases comercial. Para estimar a supressão de temperatura provocada pela adição dos inibidores termodinâmicos, foram utilizadas cinco correlações matemáticas distintas da literatura e elaborados dois novos modelos matemáticos empíricos, a partir dos dados experimentais gerados. Os resultados experimentais obtidos mostraram que a glicerina atua bem tanto na inibição de hidratos, quanto na diminuição da quantidade de hidratos formados no sistema, com redução da temperatura de equilíbrio em até 12,8 ºC para o caso com maior quantidade de inibidores. Situações de campo são mais críticas, visto que outros componentes do gás natural podem aumentar em até 5,5 ºC a temperatura de equilíbrio, favorecendo tanto formação, e podendo gerar cinco vezes mais cristais. Ao utilizar olefina, é provocada uma redução em termos de temperatura de equilíbrio na ordem de 6 ºC. As bases glicerina e olefina testadas não formaram hidratos, mesmo a altas pressões e temperaturas mínimas de -5,5 ºC, reforçando o potencial destes fluidos para prevenção deste problema. O modelo termodinâmico RKSA se ajustou bem aos dados experimentais, com desvios absolutos menores que 1 ºC, para a maioria dos casos. A correlação de Østergaard et al. (2005) teve um bom ajuste para predição de supressão de temperatura provocada pela glicerina até concentrações de 40% em massa e a correlação de Yousif e Young (1993) teve uma boa correlação com os dados da solução aquosa contendo glicerina e sais, para concentrações de até 10% glicerina + 15% sais. Os novos modelos empíricos propostos foram testados em vários dados experimentais publicados, mostrando boa representatividade, podendo ser empregados para prever condições de equilíbrio de hidratos de misturas de metano e dióxido de carbono em situações de campoAbstract: The hydrocarbons exploitation in offshore scenarios, mainly in deepwater depths where conditions of high pressure and sea floor low temperature prevail, brings up a serious challenge: natural gas hydrates formation. To avoid this problem, mainly in the well drilling, drilling fluids bases containing constituents that inhibit hydrate formation could be applied, as in the case of olefin and glycerin. However, few experimental data on hydrate equilibrium exist in the literature that prove the efficiency of those fluids as inhibitors. Another challenge encountered, as in the Brazilian pre-salt fields, is the carbon dioxide high level in the reservoirs, which might facilitate hydrates formation in certain situations. In this context, experimental measurements of hydrate equilibrium were carried out for the following mixtures: methane/carbon dioxide (75/25 mol%) in aqueous glycerin solutions with and without inorganic salts; synthetic natural gas in aqueous solution of glycerin with sodium chloride; and methane/carbon dioxide (70/30 mol%) in olefin and water emulsion. The experiments were conducted in a PVT cell, using the isochoric PVT method, for maximum pressures and temperatures of 35 MPa and 25 °C, respectively. To model the phase behavior, two models were tested, the CPA and the RKSA, both available in MultiflashTM, which is a commercial phase behavior software. To estimate the temperature suppression caused by the thermodynamics inhibitors addition, five different mathematical correlations from the literature were used and two new empirical mathematical models were created, based on the experimental data generated. The experimental results obtained showed that glycerin works well both in inhibiting hydrates and in reducing the hydrates amount formed in the system, reducing the equilibrium temperature by up to 12.8 ºC for the case with a greater inhibitors amount. Field situations are more critical, as other natural gas components could increase the equilibrium temperature by up to 5.5 ºC, favoring both formation and generating five times more crystals. When applying olefin, the reduction in terms of equilibrium temperature is around 6 °C. The tested glycerin and olefin bases did not form crystals, even at high pressures and minimum temperatures of -5.5 ºC, reinforcing those fluids potential to prevent this problem. The RKSA thermodynamic model fitted the experimental data well, with absolute deviations smaller than 1 ºC for most cases. The Østergaard et al. (2005) correlation had a good fit for predicting temperature suppression caused by glycerin up to concentrations 40wt% and the Yousif and Young (1993) correlation had a good correlation with data from aqueous solution containing glycerin and salts, for concentrations up to 10wt% glycerin + 15wt% salts. The proposed new empirical models were tested on several published experimental data, showing good representation, and could be applied to predict hydrate equilibrium conditions in methane and carbon dioxide mixtures in field situationsAbertoDoutoradoExplotaçãoDoutor em Ciências e Engenharia de PetróleoCNPQ142601/2019-5[s.n.]Ribeiro, Paulo Roberto, 1961-Policarpo, Nara Angélica, 1981-Lomba, Rosana Fatima TeixeiraPessôa Filho, Pedro de AlcântaraMendes, José Ricardo PelaquimUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de PetróleoUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASMendes, Hariel Udi Santana, 1995-20242024-03-05T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (252 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/19913MENDES, Hariel Udi Santana. Medição experimental e modelagem do equilíbrio termodinâmico de hidratos de metano e dióxido de carbono em bases de glicerina e olefina utilizadas em fluidos de perfuração. 2024. 1 recurso online (252 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/19913. 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