Desenvolvimento de uma nova técnica experimental para a medição da espessura residual da camada de parede em água

May 18, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4530 (2023) Citar este artigo

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A remoção e o deslocamento efetivos de fluidos são importantes em muitas aplicações industriais e ambientais, como operação e limpeza de equipamentos de processo, injeção de fluidos em meios porosos para recuperação de petróleo ou remediação de aquíferos ou para obter isolamento zonal subterrâneo em poços novos ou abandonados. A medição precisa do filme residual da parede do fluido deixado para trás após o deslocamento por um fluido de limpeza é um desafio de longa data, particularmente para filmes de fluido muito finos, onde a espessura pode ser da ordem de micrômetros. Nós nos concentramos na caracterização de filmes de óleo deixados na parede de um tubo horizontal depois que o tubo foi deslocado pela água e desenvolvemos uma nova técnica analítica não intrusiva que permite o uso de materiais de tubo relevantes. O óleo que ocupa originalmente o tubo é tingido por um corante hidrofóbico vermelho do Nilo, e um solvente orgânico intermediário é usado para coletar o volume de óleo residual que resta após o deslocamento do tubo com um volume conhecido de água. Finalmente, a espectroscopia ultravioleta-visível é usada para medir a concentração de vermelho do Nilo no fluido coletado, que é proporcional ao volume residual de óleo na tubulação. Demonstramos a metodologia realizando experimentos onde o fluido de deslocamento é injetado em duas velocidades impostas diferentes, e onde o volume do fluido injetado é variado. Como esperado, encontramos um afinamento gradual do filme de óleo com o aumento do volume de fluido injetado. Comparamos as espessuras de filme medidas com um modelo de deslocamento baseado no perfil de velocidade constante em um tubo e descobrimos que os experimentos produzem consistentemente espessuras de filme menores. Esta técnica desenvolvida permite quantificar os mecanismos de deslocamento e limpeza envolvidos em deslocamentos imiscíveis em regimes laminar, transicional e turbulento, para diferentes pares de fluidos não newtonianos, e para diferentes materiais de tubos e rugosidades superficiais realistas.

Escoamentos bifásicos e de deslocamento de fluido envolvendo fluidos imiscíveis são amplamente difundidos em aplicações industriais e biológicas1, como o fluxo simultâneo de óleo e gás em dutos2, o deslocamento de óleo de rochas reservatório porosas por injeção de água3,4 ou o fluxo de ar pelas vias aéreas pulmonares revestidas por um líquido viscoso5,6. Dependendo da aplicação e das condições de escoamento, escoamentos bifásicos imiscíveis podem apresentar diferentes arranjos de fluidos, sendo exemplos relevantes encontrados em dutos2 o escoamento estratificado, escoamento núcleo-anular ou escoamento bolha. Nosso foco aqui é o deslocamento de líquidos imiscíveis de tubulações, onde a água é injetada para deslocar um óleo residente que inicialmente ocupa a tubulação. O estudo é em parte motivado por processos de deslocamento semelhantes envolvidos no empreendimento de construção de poços para produção de petróleo ou sequestro geológico de dióxido de carbono. Tais poços requerem a colocação de barreiras cimentícias competentes para isolamento zonal7. A qualidade da barreira está ligada ao deslocamento completo do fluido de perfuração residente no poço e à limpeza hidráulica efetiva das superfícies delimitadoras sólidas ao longo da extensão da barreira8,9.

Estudos de deslocamento de fluido ligados à cimentação e colocação de barreira têm focado principalmente em pares de fluidos miscíveis, e efeitos considerados de geometria (inclinação, folga anular e excentricidade), condições de colocação (taxa de fluxo, volume de injeção) e propriedades de fluido (densidade e contrastes de viscosidade ) sobre a evolução da interface fluido-fluido e a eficiência de deslocamento7. Recentemente, deslocamentos envolvendo líquidos imiscíveis (água e óleo) têm sido estudados experimentalmente para dutos inclinados10,11 e teoricamente para dutos inclinados12, revelando novas instabilidades e padrões de escoamento em relação aos deslocamentos miscíveis10. A maior parte da pesquisa atual em estudos de deslocamento foi baseada na observação visual de interfaces fluido-fluido durante o deslocamento em tubos e anéis transparentes. Como tal, o estudo da remoção de películas de paredes finas tem sido amplamente limitado pela resolução óptica da instrumentação e pela refração da luz através das superfícies curvas das paredes. Neste trabalho, apresentamos um método analítico novo e simples para estimar o volume de óleo residual deixado para trás em um tubo após a injeção de um volume conhecido de deslocamento de água. O método permite medir volumes residuais de óleo que correspondem a espessuras de filme de tamanho micrômetro equivalente usando métodos não intrusivos. O método baseia-se na coloração da fase oleosa com um corante hidrofóbico e na utilização de um solvente orgânico para coletar o óleo remanescente após o deslocamento do tubo por meio da injeção de um volume conhecido de água. Usamos vermelho do Nilo como corante hidrofóbico e tetrahidrofurano (THF) como solvente orgânico. A propriedade hidrofóbica do vermelho do Nilo já foi utilizada para coloração seletiva e detecção de gotículas lipídicas13, para caracterização de proteínas14 e para medir a eficácia de filtros aquosos injetáveis ​​para separação subsuperficial de líquidos de fase não aquosa15. Finalmente, a espectrofotometria ultravioleta-visível (UV-Vis) é subsequentemente usada para medir a concentração de corante na solução de THF, que por sua vez é proporcional ao volume de óleo residual.