Grupo de Radiotraçadores do IEN: tecnologia para a indústria de petróleo e gás

O Grupo de Radiotraçadores do IEN é um dos mais ativos do Instituto, e vem se ampliando desde 2001, quando o seu coordenador, o físico Luís Eduardo Brandão (DIRA), defendeu tese de doutoramento na COPPE sobre o assunto. Marco na história do grupo de pesquisadores foi a criação em 2015 de uma empresa júnior, denominada Atŏmum, na Incubadora de Empresas da COPPE, a partir do conhecimento gerado ao longo dos anos pelos pesquisadores.

“Nossa ideia é consolidar um grupo de conhecimento sobre radiotraçadores, que disponibilize serviços e produtos para a indústria. As aplicações vão do emprego na indústria de petróleo e gás à marcação de moléculas com uso na medicina”, enfatiza Brandão. A principal questão técnica com que os pesquisadores se defrontam é a medida da vazão (volume que passa em uma seção por intervalo de tempo) das diversas fases (partes homogêneas de um sistema heterogêneo) dos fluidos que escoam em um duto. Por exemplo, na indústria petrolífera – onde está a maior parte das aplicações dessa tecnologia – essas fases podem ser o óleo, gás e água que passam por uma tubulação de extração de petróleo e gás.

O conhecimento da vazão é importante de várias maneiras para a indústria: desde funções comerciais – quando se quer saber o volume total de combustível vendido ou comprado – até verificar vazamentos e obstruções nas tubulações. Pode-se citar também, entre outras aplicações, a identificação de desvios clandestinos de material fluido e a análise da refrigeração de reatores nucleares.

Ideia simples

A ideia de como medir a vazão é simples: introduz-se uma pequena quantidade de material radioativo no líquido que está escoando e colocam-se dois detectores do lado de fora e ao longo do tubo, um pouco afastados, mas com distância conhecida. Medindo-se a diferença dos tempos de máximo sinal em cada um dos detectores, basta multiplicar a área interna da seção do duto pela distância dos detectores (obtendo-se assim o volume que passou nesse intervalo de tempo) e dividir pelo intervalo de tempo. A vazão do líquido é este resultado.

Claro que na prática o problema é mais complicado – e é nessas complicações que entra o trabalho do Grupo de Radiotraçadores do IEN. O óleo, o gás e a água em uma tubulação de extração de petróleo costumam, por exemplo, estar a velocidades diferentes. “Medir com precisão a vazão de cada uma das fases de um sistema multifásico é muito complexo, mas é nessa direção que caminhamos, sem nunca dominar o assunto por completo”, define o físico César Salgado (DIRA), outra liderança do grupo.

Mestrandos e doutorandos

Para tentar resolver essas questões, Brandão e Salgado, que são servidores do IEN, contam com a colaboração dos vários mestrandos e doutorandos. “Os trabalhos se complementam, porque estamos buscando a solução de um problema nada trivial. Os resultados obtidos pelos alunos têm nos ajudado muito, não teríamos chegado onde chegamos sozinhos”, explica Salgado. Muitos alunos já passaram e vão passar pelo grupo, mas atualmente são cinco os que defenderam recentemente suas dissertações e teses, ou que têm o trabalho de pós-graduação adiantado.

Por exemplo, a física e atual doutoranda da COPPE Caroline Barbosa defendeu, em fevereiro de 2016, dissertação pelo Programa de Pós-Graduação do IEN (PPGIEN), onde estudou, usando técnicas nucleares, a influência da salinidade da água sobre o cálculo das frações de volume dos líquidos que escoam em um duto. “Busquei validar experimentalmente resultados de simulações que constam na tese de doutorado do César Salgado”, explica Caroline, acrescentando que não detectou nenhum trabalho igual ao que desenvolveu. Ela pretende aperfeiçoar suas pesquisas em sua tese de doutorado.

“Determinação de Frações e Volume em Fluxos Bifásicos Óleo-Gás e Água-Gás Utilizando Redes Neurais Artificiais e Densitometria Gama” é o nome da dissertação de mestrado também defendida no PPGIEN, em abril de 2016, pelo engenheiro mecânico Philipe Peixoto. A dissertação, cujo título é autoexplicativo, usa como base física a atenuação dos raios gama emitidos pelo césio-137 pelos fluidos que passam pela tubulação, Para chegar as suas conclusões, Peixoto treina uma rede neural – que é a imitação por software das redes de neurônios encontradas no cérebro – para, a partir dos dados da radioatividade detectada depois de atravessar o tubo, encontrar as frações de volume das várias fases do material.

Na indústria do petróleo, após a extração, existe uma unidade de separação dos materiais que afloram. Segundo Peixoto, para se fazer um bom projeto dessa unidade de separação, e para ajustá-la à composição do material ao longo do tempo, é necessário conhecer em tempo real a composição do material que está saindo do poço. Daí a utilidade do seu trabalho, que também é uma continuação da tese de doutoramento de Salgado.

Química dos radiotraçadores

Já a técnica em química da DIRA Hericka Kenup – também engenheira de produção – usou seus conhecimentos específicos em sua dissertação de mestrado defendida em fevereiro de 2016 pelo Programa de Engenharia Nuclear (PEN) da COPPE. “Nossa proposta”, explica Hericka, “é ter um radiotraçador com composição similar ao meio de estudo. Minha pesquisa se concentra no aspecto químico, que envolve as etapas do processo de marcação radioativa dos derivados de petróleo. Mas a pesquisa não está restrita à aplicação industrial. Futuramente tencionamos estudar o uso da técnica de eletromarcação de compostos orgânicos com foco na medicina nuclear.”

O trabalho de Hericka por enquanto se restringe ao processo da halogenação, isto é, a quebra da dupla ligação entre átomos de carbono e inserção, aí, de dois átomos de iodo radioativo. A técnica chama-se eletromarcação por utilizar a eletrólise para transformar o íon iodeto em molécula de iodo. Depois a molécula de iodo é transferida para a fase orgânica, onde reage com o óleo. “Encontrei dificuldade de achar referências porque a técnica é segredo industrial”, completa Hericka.

Problemas mais complexos

Já a tese de doutoramento do físico venezuelano Eddie Avilán, que está em curso, tem como diferencial a medida de vazão em dutos parcialmente preenchidos, analisando escoamentos com volume variável. Ele enfrenta as dificuldades inerentes ao problema usando um método matemático denominado “correlação cruzada” (mais conhecido pela expressão em inglês “cross correlation”), redes neurais e o código MCNP-X.

Outro membro do Grupo de Radiotraçadores do IEN é o professor de física Eduardo Ramos Gonçalves, doutorando do PEN/COPPE. Como Avilán, os métodos que ele desenvolve são usados em escoamentos mais complexos, com obstrução, podendo ajudar a localizar perda de material e aplicáveis também à medida de vazão em canais e rios.

Gonçalves vem utilizando agora a técnica desenvolvida por Hericka, usando o iodo-123 produzido no IEN para marcar o óleo. De acordo com ele, “essa técnica mostrou melhor performance, pela meia-vida mais curta, atividade maior e representa um um radiotraçador mais adequado ao método de medir vazão”.
Ele destaca ainda que “um dos objetivos é fazer com que a medida de vazão tenha incerteza em torno de 0,1%, tenho confiança que chegaremos a isso. Incertezas de 0,5% têm sido regularmente obtidas”.

Todos esses estudos colocam o grupo do IEN entre os mais ativos e inovadores de pesquisas com radiotraçadores no país, fortalecendo a área de Aplicações de Técnicas Nucleares do PPGIEN, e seus resultados devem contribuir para a ampliação da carteira de serviços do Instituto.

Fonte: ASCOM IEN/CNEN