Analysis of Interface Between Newtonian and Non-Newtonian Fluids Inside Annular Eccentric Tubes

Dutra, Eduardo S. S.; Naccache, Mônica F.; Mendes, Paulo R. Souza; Souto, Carlos A. O.; Martins, André Leibsohn; Miranda, C.R.

doi:10.1115/imece2004-59335

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“…Other than the studies by Tehrani and coworkers, there have been only occasional experimental results reported (e.g. Jakobsen et al 1991;Vefring et al 1997;Dutra et al 2004;Nguyen et al 2008).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

An experimental study of laminar displacement flows in narrow vertical eccentric annuli

et al. 2010

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We present an experimental study of slow laminar miscible displacement flows in vertical narrow eccentric annuli. We demonstrate that for suitable choices of viscosity ratio, density ratio and flow rate, we are able to find steady travelling wave displacements along the length of the annulus, even when strongly eccentric. Small eccentricity, increased viscosity ratio, increased density ratio and slower flow rates all appear to favour a steady displacement for Newtonian fluids. Qualitatively similar effects are found for non-Newtonian fluids, although the role of flow rate is less clear. These results are largely in line with predictions of a Hele-Shaw style of displacement model (Bittleston et al., J. Engng Math., vol. 43, 2002, pp. 229–253). The experiments also reveal interesting phenomena caused largely by secondary flows and dispersion. In the steady displacements, eccentricity drives a strong azimuthal counter-current flow above/below the advancing interface. This advects displacing fluid to the wide side of the annulus, where it focuses in the form of an advancing spike. On the narrow side we have also observed a spike, but only in Newtonian fluid displacements. For unsteady displacements, the azimuthal currents diminish as the interface elongates. With a strong enough yield stress and with a large enough eccentricity, unyielded fluid remains behind on the narrow side of the annulus.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

An experimental study of laminar displacement flows in narrow vertical eccentric annuli

et al. 2010

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“…Dutra et al (27) investigaram numericamente o escoamento de dois fluidos em espaços anulares excêntricos. Os efeitos dos parâmetros reológicos dos fluidos e a excentricidade da geometria na eficiência de deslocamento foram estudados para diferentes vazões de bombeio.…”

Section: Revisão Bibliográficaunclassified

Deslocamento De Fluidos Não Newtonianos Em Anulares

ABDU¹

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Primeiramente, gostaria de agradecer aos meus pais, Tadeu e Heloiza, por investirem na minha educação e pelos valores passados. Tudo que conquistei só foi possível porque tenho vocês.A minha orientadora, Mônica Feijó Naccache, por todo o conhecimento transmitido e por toda a paciência ao longo desses anos.Ao Paulo Roberto de Souza Mendes, pela contribuição técnica no desenvolvimento do loop experimental.A todos do Grupo de Reologia (GReo), Alexandra, Alexandre, Bruna, Bruno, Carina, Camila, Gisllane, Hannah, Priscilla e Ricardo por todo o apoio durante esses anos. Sem a ajuda de todos vocês esse trabalho não seria possível.O que a vida nos reserva, o tempo dirá. Obrigada Luis Henrique, por todo apoio, carinho e atenção durante esse tempo juntos. Só tenho a agradecer por tudo.Por fim, gostaria de agradecer ao CNPq pelo apoio financeiro e à PUCRio pela bolsa de isenção de mensalidades do doutorado. Na indústria do petróleo são comuns processos envolvendo deslocamentos de um fluido pelo outro, como nos processos de completação e cimentação de poços. A eficiência desses deslocamentos é de suma importância, garantindo a vida útil do poço. A operação é considerada adequada quando ocorre uma distribuição homogênea da pasta de cimento na parede do poço. No presente trabalho um estudo experimental e numérico do deslocamento de fluidos em espaço anular foi realizada. Para os testes experimentais um simulador físico de um poço em escala foi construído. As equações de conservação de massa e momento foram resolvidas através do método de volumes finitos, utilizando os programas Fluent e OpenFOAM. Para a modelagem multifásica foi utilizado o método volume-of-fluid (VOF). No estudo, a avaliação da influência de parâmetros reológicos, razões de densidade e viscosidade, geometria do poço e vazão de bombeio foi realizada com o objetivo de otimizar o processo de cimentação. Os fluidos utilizados foram fluidos modelos e reais, newtonianos e não newtonianos. A eficiência de deslocamento foi avaliada através da configuração da interface entre os fluidos e através da determinação do da densidade da mistura na saída do anular ao longo do tempo. Displacement of one fluid by another is a common process at petroleum industry, as completion and cementing operations of oil wells. The success of these fluids displacement guarantee the lifetime of the wells. The adequate operation occurs when the cement slurry distribution at the wall is homogeneous. In this work, experimental and numerical studies of Newtonian and non-Newtonian fluid displacement through annuli are performed. The experiments are performed using a scaled oil well model. The numerical solution of the governing conservation equations of mass and momentum is obtained using the finite volume technique and Fluent and OpenFOAM softwares. The multiphase modeling is performed using the volume of fluid (VOF) method. The effect of rheological parameters, density and viscosity ratios, geometry configuration, and flow rate on displacement efficiency was evaluated to optimize cementing ope...

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