PPGEAS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas

1. 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

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

3. Medição Multifásica INTRODUÇÃO • Escoamento Multifásico: Óleo, Água e Gás • Escoamento Bifásico: Óleo e Água Bolha Golfada Transição [Kg/s] Nevoeiro

4. Medição Multifásica INTRODUÇÃO • Vazão Volumétrica: • Vazão Mássica: Água e Óleo: Homogêneo: Vazão Volumétrica: [m³/s] [Kg/s] Objetivo:

5. Medição Multifásica INTRODUÇÃO • Ocorre em todo processo produtivo

6. Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO • Avaliar a Produção / Recuperação

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

8. Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO • Longo tempo para estabilizar • São conectados a unidades Móveis • Grandes e Pesados • Manutenção

9. Medição Multifásica CARACTERIZAÇÃO • Todos Importados • Sistema de Medição Complexo • Custo elevado • $300.000,00 – topside • $500.000,00 – subsea [VxTechnology - Schlumberger]

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

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

12. 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.

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

14. 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.

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

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

17. Cavidade Ressonante: Cilíndrica TEORIA • Frequência Ressonante [N/A²] = Newton por Ampere ² • µ = Permeabilidade Magnética [N/A²] • (µ = µ0µr ) µr= 1 quão facilmente ele se polariza em resposta a um campo elétrico • ε = Permissividade Elétrica [F/m] • (ε= ε0εr)  εr = ?

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

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

20. 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.

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

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

23. Especificações - Brüggeman • SENSOR • Permissividade Equivalente: Brüggeman • Mistura de água\óleo

24. Especificações - Vão • SENSOR Vão: Ar Ar (Δfr=1050MHz) Água (Δfr=90MHz)

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

26. HFSS SIMULAÇÃO • Excitação Modal (Driven Modal) • Atenuação de Tx Rx Ressonâncias

27. Homogênea: Brüggeman • SIMULAÇÃO

28. Homogênea: Brüggeman • SIMULAÇÃO

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

30. EXPERIMENTO Estático

31. EXPERIMENTO Estático: Óleo Mineral

32. EXPERIMENTO Estático: Óleo Diesel

33. EXPERIMENTO Estático: HFSS x Diesel x Mineral

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

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

36. EXPERIMENTO Dinâmico: Experimento 1 (passos 5%)

37. EXPERIMENTO • Dinâmico: Experimento 2

38. EXPERIMENTO • Dinâmico 1 x Dinâmico 2 x Estático

39. EXPERIMENTO Dificuldades

40. EXPERIMENTO Futuro

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

42. 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.

43. 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.

44. 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.

45. 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 OilandGas, 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).

46. 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.

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