Resumo: Os campos de petróleo em águas profundas exigem sistemas de produção mais robustos para garantir sua segurança e vida útil. A condição ambiental extrema e o comportamento da produção intensificam os esforços exercidos sobre o sistema flowline-riser, podendo gerar acidentes com altos danos ambientais, econômicos e humanos. Steel Lazy Wave Riser é uma opção ao riser em catenária livre devido ao uso de módulos de flutuadores (curva em S) que minimizam tais esforços. Os dados de produção são influenciados pelo padrão do escoamento e suas propriedades. O escoamento intermitente é o padrão mais comum na produção de petróleo, e o que causa a maior influência em análises estruturais de riser devido a sua característica aleatória. Por outro lado, a geometria complexa do lazy wave riser também influencia os parâmetros do escoamento devido às suas mudanças de inclinação e direção (hilly terrain). Existem estudos prévios que analisam essa influência, porém eles utilizam geometrias mais simples e menores inclinações. Este estudo propõe uma investigação experimental e numérica do escoamento ao longo da curva em S. A seção de teste é um lazy wave riser em escala de laboratório, onde é realizado a aquisição de dados e visualização do escoamento. A linha contém 10 estações de medição, cada uma delas tem um sensor de pressão e dois sensores de impedância. As filmagens de alta frequência foram realizadas em seis posições da curva. A matriz de teste consiste em seis condições operacionais, que abrange duas velocidades de mistura e quatro razões entre velocidades superficiais de ar e da água. Os parâmetros de interesse são pressão, velocidades e comprimentos da bolha e do pistão e frequência de passagem de células. O comportamento do escoamento ao longo do hilly terrain é fortemente influenciado pela velocidade da mistura e razão ar e água. Adicionalmente, este estudo propõe algumas melhorias ao modelo de seguimento de pistões de Rosa et al. (2015) visando utilizá-lo em geometrias complexas e cenários de produção de óleo e gás. Essas melhorias englobam metodologias para capturar a influência do hilly terrain e da mudança da interface da bolha devido a inclinação da linha, e para definir as propriedades do petróleo e as condições de entrada e de contorno do modelo. A validação é feita com os dados experimentais. Além disso, baseado nos dados de Andreolli (2018), o software simula o escoamento em um riser real (lazy wave) utilizado em um campo de petróleo. As duas análises numéricas apresentam boa concordância Ver menos

Abstract: The deep offshore oil gas field requires a robust production system to ensure its security and to enhance its useful life. The extreme environmental condition and production behavior intensify the forces exerted in the flowline-riser, which can lead to accidents with high environmental, economic and human impacts. Steel Lazy Wave Riser is an alternative to the conventional Steel Catenary Riser due to the usage of a buoyancy section (S curve) that minimizes those effects. The production data is influenced by the flow pattern and properties. The slug flow is the most common pattern encountered in petroleum production systems and it highly influences the structural analysis due to its random feature. On the other hand, the complex lazy wave geometry also influences the flow parameters due to the pipe inclination and orientation change (hilly terrain). There are previous studies that analyzed that influence, but most of them employed simpler geometries and small inclination changes. This study proposes an experimental and numerical investigation of the flow behavior along the S curve. The test loop is a laboratory-scale lazy wave riser where the data acquisition and the flow visualization are conducted. The line has 10 measuring stations, and each of them contains a pressure transducer and two impedance sensors. The high-speed filming was recorded in six positions along the curve. The test grid contains six operation points that cover two mixture velocities and four superficial air and water velocities ratio. The desired parameters are the pressure, bubble and liquid slug lengths and velocities, as well as the cell frequency. The experimental images show that the flow behavior strongly depends on the mixture velocity and the superficial gas and liquid velocities ratio. In addition, this study improves Rosa et al.'s (2015) slug tracking model by targeting complex geometries and real-world oil and gas scenarios. Those upgrades cover the hilly terrain influence, the bubble interface transition due to the pipe inclination and the oil and gas thermodynamic properties. In addition, a new initial and boundary conditions are proposed. The updated model is validated against a dedicated experimental data. In addition, the software simulates an actual lazy wave riser employed in a petroleum field which was provided by Andreolli (2018). Both numerical analyses show good agreement Ver menos