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Desenvolvimento de uma Planta Piloto para Estudos de Poços de

1. e Transmissor de vaz o turbina um instrumento de medi o de vaz o volum trico O elemento sens vel vaz o um rotor que gira a uma velocidade proporcional velocidade do fluido As palhetas do rotor geram pulsos el tricos e cada pulso re presenta o volume discreto do fluido porntanto a frequ ncia ou a repeti o dos pulsos representa o valor de vaz o instant nea e a totaliza o dos pulsos acumula dos representa o volume total medido Figura 4 16 e Transmissor de vaz o eletromagn tico Medidor cujo princ pio de funcionamento baseado na lei da indu o de Faraday possui um alto grau de desempenho em fun o das seguintes caracter sticas Os equipamentos n o possuem pe as m veis eliminando problemas de desgaste ou travamento dos internos n o oferece obs tru o passagem do fluxo e virtualmente n o apresenta perda de carga e possui m dulos eletr nicos remotos que operam como conversores computadores de vaz o e fornecem aos usu rios as fun es de indica o instant nea da vaz o totaliza o alarmes etc Figura 4 15 AP NDICE C DESCRI O DOS EQUIPAMENTOS 96 Tabela C 8 Transmissor turbina Caracter sticas T cnicas Medidor de Vaz o tipo Turbina Incontrol Modelo VTG050 Linearidade Melhor do que 1 0 FE Repetitividade 0 1 Sinal de Sa da pulso ou 4 20 mA Faixa de Medi o 17 0 a 339 8 m3 h Conex o ao Processo flangeada Temperatura de Operera o 30 a 180
2. H plg L plg 2 Comprimento da golfada na linha de produ o D 30 Enquanto a golfada n o alcan ar o separador o comprimento da mesma na linha de produ o calculado pela equa o da continuidade o volume de l quido na linha de produ o o volume inicial da golfada menos o volume de l quido na coluna de produ o acima do pist o AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 111 Atb Lstgp SE ae Lag 7 D 31 Aprod Se a golfada alcan ar o separador ent o o seu comprimento constante e igual ao comprimento da linha de produ o 3 Velocidade da golfada na linha de produ o A velocidade da golfada na linha de produ o relaciona se com a velocidade da golfada na coluna de produ o pela equa o da continuidade D 32 4 Fator de atrito da golfada na coluna e na linha de produ o O fator de atrito de Darcy Weisbach da golfada na coluna e na linha de produ o calculado de modo similar s Eq e levando se em conta suas respecti vas velocidades e temperaturas 5 Acelera o da golfada na coluna e na linha de produ o A acelera o da golfada na coluna e na linha de produ o calculada por sua defini o d v l Astg d vsi si D 33 d Vs dd d sige a D 34 AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 112 Etapa 2 A Produ o de g s com l quido na linha de produ o As principais vari veis necess rias para descrever esta etapa s o mostradas na Figura a
3. Vsi Dive Uslg D 24 Resig onde Usig viscosidade m dia da golfada Pa s A viscosidade m dia da golfada calculada na sua temperatura m dia ponderando se as viscosidades do leo e da gua 7 Posi o do pist o A posi o Hpig relaciona se com a sua velocidade por AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 107 d Hpi D 25 Vslg dt 8 Acelera o da golfada A acelera o da golfada calculada por sua defini o d ue D 26 Ose at 9 Outras rela es Para o c lculo do fator de compressibilidade da temperatura e das viscosidades do leo da gua e dos g s nesta e em todas as outras etapas foram utilizadas corre la es emp ricas Mais detalhes em Baruzzi 1994 Etapa 1 B Produ o da Golfada As principais vari veis necess rias para descrever esta etapa s o mostradas na Fig D 2 a Equa es de balan o As equa es descritas na etapa anterior para o balan o de massa de l quido Eq D 1 balan o de massa de g s Eq D 2 perda de carga no anular Eq D 3 perda de carga no l quido no fundo da coluna de produ o Eq D 4 e perda de carga na coluna de produ o entre o pist o e o l quido no fundo da coluna Eq D 5 permanecem v lidas nessa etapa AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 108 1 Perda de carga no pist o e na golfada de l quido na coluna de produ o A press o na coluna de produ o na superf cie igual a press o na b
4. definidos como aceit veis janela de chegada A manuten o da velocidade do pist o dentro dessa janela pode ser reali zada da seguinte forma se a velocidade medida est muito abaixo da pr estabelecida pode se aumentar o tempo de aumento da press o e ou diminuir o tempo de p s fluxo re duzindo assim o comprimento da golfada Caso contr rio se o pist o chegar muito acima da velocidade estipulada a solu o reduzir o tempo de aumento da press o e ou incre mentar o tempo de p s fluxo aumentando dessa forma o tamanho da coluna de l quido Lea et al 2008 A otimiza o desta estrat gia de controle ocorrer quando o tempo estimado para a v lvula de ciclo permanecer fechada for aquele no qual se espera obter a press o necess ria para que se obtenha a maior produ o Crow 1990 Assim o controle por tempo deve agir com o objetivo de minimizar o tempo de aumento da press o build up uma vez que menores valores dessa etapa resulta em menor press o m dia acu mulada menor contrapress o forma o produtora e consequentemente maior volume dispon vel no fundo do po o a cada ciclo Entretanto esse per odo em que o po o fica fechado s pode ser reduzido at um valor m nimo o sufuciente que garanta a chgada do pist o ao fundo do po o 3 5 2 Controle por press o no revestimento Baruzzi 1994 descreve como controle cl ssico aquele em que a abertura da motor valve feita quando a press o no revestimen
5. do g s pela coluna de l quido quando ambos se elevam A utiliza o de pist es aumentam radicalmente a efici ncia da eleva o de l quido por evitar a passagem do g s atrav s dele Assim como ocorre com os po os de g s po os com alta RGL podem se valer das mesmas adapta es na estrutura do po o Ou seja plunger de ciclo r pido pode inicialmente manter uma elevada taxa de produ o e mais tarde quando ocorrer uma decad ncia na taxa de fluxo o plunger lift convencional pode ser adotado e em ltimo caso quando o influxo se tornar ainda menor pode se utilizar o plunger lift progressivo Morrow e Hearn 2007 Com o tempo de produ o ocorre o ac mulo de parafinas hidratos e incrusta es nas colunas de produ o dos po os O efeito dessa deposi o sobre o sistema de produ o acarreta em perda de produ o de leo aumento da perda de carga perda de equipa mentos perda da efici ncia de tratamento o petr leo muitas vezes sofre altera es na sua viscosidade em alguns casos chegando a gelificar devido ao contato com esses de p sitos Com uso de pist es evita se nesses casos uma poss vel parada do po o para CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 24 manuten o e troca da coluna de produ o Como o pist o se movimenta constantemente ele promove uma limpeza no interior da coluna de produ o evitando a forma o de in crusta es Durante o est gio de eleva o do gas lift intermitente a exp
6. es de balan o 1 Balan o da massa de l quido Sup e se que o l quido produzido pelo reservat rio acumula se no fundo da coluna de produ o Despreza se os efeitos do g s que atravessa este volume de l quido Assim a taxa de varia o no tempo do n vel de l quido dada por Ate e Orres D 1 onde Hyp nivel de l quido no fundo da coluna m 2 Balan o da massa de g s Pela conserva o da massa a taxa de varia o no tempo da massa de g s no volume de controle constitu do pelo anular e pelo trecho da coluna de produ o abaixo do AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA L Emis ESTANTE ROTATE 3 ESTANTE e E Figura D 1 Identifica o das vari veis da etapa 1 A 99 AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 100 pist o igual vaz o m ssica instant nea de g s produzida pelo reservat rio d Mecsg Ji d Mgdwn dt dt Meres D 2 onde Mgcsg massa de g s no anular kg Medwn Massa de g s na coluna de produ o abaixo do pist o kg Hieren Vaz o m ssica instant nea de g s do reservat rio kg s 3 Perda de carga no anular PM Leauda ea D 3 Pocsg Pocser S exp Leese E R S Tocsa onde Pn press o no anular na extremidade da coluna Pa Pocser press o no anular na superf cie Pa Leauda comprimento da coluna de produ o m Zs fator de compressibilidade m dio do g s no anular Tese temperatura m dia do g s no a
7. o mesmo descrito anteriormente e SP Abertura conjunto de campos utilizados para alterar os valores de aberura das v lvulas de controle de fluxo de ar e gua Quando o CheckBox com o nome PID Autom tico se estiver desmarcado esses campos ficam habilitados e atrav s do procedimento de escrita podem ser ajustados para valores que varia de O a 100 Entretanto por quest o de seguran a a v lvula que controla o fluxo de ar deve possuir uma abertura m xima de 25 Caso o usu rio digite um valor acima deste limite automaticamente esse valor ser ajustado para o limite e Gr ficos apresentam o comportamento das press es e vaz es do processo ao longo dos ciclos O gr fico superior refere se s 3 press es envolvidas press o no reves timento na superf cie REV press o na cabe a do po o CAB e press o na linha de surg ncia SURG Por outro lado o inferior indica as vaz es de ar QAR e gua QAG injetadas na Planta Piloto e Anima o vis o panor mica da Planta Piloto com seus respectivos componentes e indica o num rica de suas vari veis O hardware de controle composto basicamente por sensores atuadores e contro ladores o respons vel por controlar cada etapas do ciclo do plunger lift O processo de aquisi o de dados e controle se inicia na esta o remota aqui representado o pelo Controlador L gico Program vel ZAP500 BX da HI Tecnologia com a leitura dos val ores atuais dos dispos
8. Comportamento das vaz es com 100 de abertura da v lvula de gua e 3 da v lvula de ar crescem at a golfada ser toda produzida e durante o per odo de produ o de g s p s fluxo per odo no qual n o h mais a resist ncia do l quido no escoamento Quando a v lvula de controle de ciclo fechada a press o na coluna de produ o e no revestimento aumentam continuamente at a reabertura da linha de produ o iniciando um novo ciclo Foi observado que no momento no qual a v lvula de ciclo foi fechada houve um cresci mento cont nuo das press es no anular e na coluna de produ o Entretando se tratando de um po o real com dimens es muito superiores do po o da Planta Piloto o compor tamento dessas press es diferem do que foi apresentado Baruzzi 1994 mostra que com o fechamento da linha de produ o ocorre um aumento brusco da press o na coluna de produ o correspondendo a uma queda de press o no revestimento Segundo ele esse comportamento se d em decorr ncia da passagem instant nea do g s do espa o anular para a coluna de produ o como forma de igualar as press es na extremidade inferior da coluna e no espa o anular Somente depois dessa adequa o nas press es que elas pas sariam a crescer continuamente Devido ao seu tamanho reduzido a coluna de produ o do po o n o sente essa falta de press o press es praticamente iguais o que explica o comportamento apresentado A descid
9. LISTA DE S MBOLOS E ABREVIATURAS H prod dist ncia do po o golfada m Leauda comprimento da coluna de produ o m Lpig L prod La gp La gt La g Mg tbg Mgup Megcsg Medwn Mgpd Mpig pm psd Pe P 8csgB P ScsgT P dwnB P dwnT P pdB P pdT P amp proB comprimento do pist o m comprimento da linha de produ o m comprimento da golfada na linha de produ o m comprimento da golfada na coluna de produ o m comprimento da goldada m massa de g s na coluna de produ o kg massa de g s na coluna de produ o acima da golfada kg massa de g s no anular kg massa de g s na coluna de produ o abaixo do pist o kg massa de g s na linha de produ o entre o po o e a golfada kg massa do pist o kg press o medida pelo sensor atm press o nas condi es padr o atm press o est tica do reservat rio Pa press o no anular na extremidade da coluna Pa press o no anular na superf cie Pa press o no topo do l quido no fundo da coluna Pa press o na base do pist o Pa press o na linha de produ o junto ao po o Pa press o a montante da golfada Pa press o na frente da golfada na linha de produ o Pa LISTA DE S MBOLOS E ABREVIATURAS amp puB Pre p Psi gT P tbgT Ogres Ql RGL qm rsd Jup Tedwir tq plg Ty eT Tsu p vm vstd D gproB VedwnB Vg pdB Vg puT Vesep Vg tbgT Vgupr press o
10. Morrow S J e W Hearn 2007 Plunger lift advancements including velocity and pres sure analysis Society of Petroleum Engineers SPE 108104 Mower L N J F Lea E Beauregard e P L Ferguson 1985 Defining the character istics and performance of gas lift plungers Society of Petroleum Engineers SPE 14344 Oliveira R L 2010 Ambiente de programa o spdsw Technical report HI Tecnolo gia http www hitecnologia com br download PMUSPDS001 pdf acessado em 25 06 2010 Oyewole P O e D Garg 2007 Plunger lift application and optimization in the san juan north basin our journey Society of Petroleum Engineers SPE 106761 Patricio A R 1996 Estudo de um sistema inteligente para eleva o de po os e controle de processos petrol feros Mestrado em engenharia de petr leo P s Gradua o em Engenharia de Petr leo UNICAMP Campinas SP Brasil Ribeiro M A 1999 V lvulas de controle e seguran a Technical report Tek Rosina L 1983 A study of plunger lift dynamics Mestrado em ci ncias University of Tulsa Tulsa OK USA REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 84 Rowlan O L J N McCoy e A L Podio 2003 Determining how plunger manufacture features affect plunger fall velocity Society of Petroleum Engineers SPE 80891 Rowlan O L J N McCoy e A L Podio 2006 Analyzing and troubleshooting plunger lifted wells Society of Petroleum Engineers SPE 102
11. a dist ncia a cobrir aproximadamente 1 5m e a simplicidade do sistema apenas um CLP e uma esta o de supervis o o meio de comunica o mais adequado o serial RS 232 C Cap tulo 5 Resultados obtidos e discuss es Devido ao fato do po o da Planta Piloto possuir uma estrutura cujo comprimento bastante reduzido aproximadamente 21 5 m em rela o aos po os do campo algumas restri es nas condi es de opera o foram impostas Essas restri es se refletiram nos valores limites que as vaz es injetadas poderiam assumir Ou seja os limites dessa faixa n o podem ser extrapolados sob a pena de ocorrer ciclos que n o condiz com a realidade de um po o plunger lift ou situa es indesej veis para um po o que produz por esse m todo de eleva o Os objetivos do presente cap tulo s o em linhas gerais apresentar os resultados das experi ncias realizadas na Planta Piloto e compar los com resultados obtidos em simu la o Seguidamente ser o analisados os resultados obtidos com testes na Planta Piloto utilizando as duas formas de controle de ciclo apresentadas no cap tulo 3 Finalizando a etapa de apresenta o e discuss o de resultados ser feito um compara tivo entre o comportamento de duas das tr s press es envolvidas no processo obtidos via simula o e experimentalmente na planta O cap tulo conclu do com a justificativa dos resultados apresentados 5 1 Procedimento para adequa o d
12. cnicas Transmissor de press o Modelo A2 da Willy Ashcroft Precis o 0 50 sob temperaturas entre 20 at 85 C B Conex o 1 2 NPT M Sinal de Sa da 4 20 mA Escala O a 1000 psig Alimenta o 1 5 Vdc 5 mA Temperatura de Operera o 40 a 125 C Vida til 10 milh es de opera es e Bomba Helicoidal Weatherford Carca a intermedi ria que permite a substitui o do rotor sem desmontar a tubula o de entrada bomba autoescorvante alta resist n AP NDICE C DESCRI O DOS EQUIPAMENTOS 95 cia abras o e corros o n veis m nimos de ru do capacidade para bombear fluidos de v rias viscosidades temperaturas elevadas etc Figura 4 22 Tabela C 6 Bomba Helicoidal deslocamento positivo Caracter sticas T cnicas Bomba Helicoidal S rie WHT Modelo 32 F RPM Nominal 251 Press o M xima 6 kgf cm Vol ciclo 0 262 dm Conex o de Descarga 1 1 2 Motor Eberle 1 5cv trif sico e Compressor Schulz Unidade compressora a parafuso lubrificado motor el trico trif sico blindado resfriador posterior transmiss o por corr ia painel anal gico com instrumentos de f cil leitura e resfriamento a ar projetado para operar em am bientes com temperaturas at 45 C Figura 4 23 Tabela C 7 Compressor parafuso Caracter sticas T cnicas SCHULZ Modelo SRP 2050 Press o M xima 12 bar Peso 790 Kg Ruido 80dB A Conex o de Descarga KE Pot ncia 50 Hp Vaz o Efetiva 5240 lm
13. eee ere 50 ages 51 Ego de da eo cl Gate oe De aS 51 4 14 Transmissores de press o localizados na base dos ACOS205 51 iii 4 15 Medidor de vaz o tipo magn tico com transmissor de sinal 52 4 16 Medidor de vaz o tipo turbina com transmissor de small 53 eh ge aga Rd aie E aa a a RA A aA 54 DEE Gee Oh Oa A DO R 56 Stan thn obo hoo bb a koe ee 56 its na DES dE Ove Soe 56 Ok GE an e a ae Say ee Se Ree Be Re EE 57 KEE ee 58 pe aa DRA ES 59 4 24 Painel frontal do compressor e 60 4 25 Arquitetura monol tica Fonte Zhang 2008 62 4 26 Arquitetura distribuida Fonte Zhang 2008 2 62 ga ee e Be hoe ROR EE EE EE EE 63 bad neds bee bs e Bee A 65 5 1 Comportamento das press es para uma press o maxima no revestimento mine 69 eira EAS EAM ERD EE 69 rine d EE 72 5 5 Etapa de aumento da press o durante a queda do pistao 13 S 74 nu ae O PEPEES 99 EEN 109 Kee 113 EEEE E 120 D 5 Identifica o das vari veis da etapa 3 aooaa a 123 Lista de Tabelas 4 1 Itens da Planta Piloto Figura 4 8 2 2 2 2 2 ee 48 4 2 Configura o dos sinais pol 49 5 1 Par metros do controle por press o ooa a 68 CEEE R STR akane ee e 70 E iii a et Aria dad hae FA ESA a 75 C 1 V lvula de esfera tripartida plena 1000 WOG MAI 93 Ag RAE od Gd RR o E 93 aw dr E a qn OD E PD RU O IR O E E 94 bee Ge e See ee ee E E 94 C 5 Transmissor de press o o
14. nota se que ela foi mais intensa no po o da planta do que na simula o aproximadamente 13 psi e 4 5 psi respectivamente Um dos fatores que contribuiram para esse comportamento se deve ao fato do simulador conside rar a exist ncia de um separador com press o de 5 psi ao contr rio da planta em que o separador se encontra a press o atmosf rica No momento da subida e chegada do pist o superf cie nota se que o crescimento da press o na coluna se manifesta de forma bem mais intensa em rela o ao mesmo crescimento apresentado pelo po o Como o Baruzzi 1994 menciona seu texto uma poss vel explica o para esse acontecimento seria devido o modelo n o considerar a resist ncia ao escoamento Com o fechamento da v lvula de ciclo tanto o po o quanto o simulador demonstram CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 77 resultados similares para as press es no revestimento e na coluna de produ o princi palmente no que diz respeito ao comportamento Em termos quantitativos as press es no revestimento apresentam praticamente a mesma faixa de crescimento pressuriza o aproximadamente de 10 a 22 psi para o po o e de 5 5 a 17 5 psi para a simula o En tretanto a press o na coluna de produ o n o apresentou tanta precis o sendo de aproxi madamente 0 8 a 9 8 psi para a simula o e de 1 a 15 5 psi para o po o Cap tulo 6 Conclus es e Recomenda es Este trabalho descreve o projeto e funcion
15. o uma solu o trivial Al m da RGL que fator determinante do comportamento de um po o a caracter stica de opera o intermitente do m todo exige o monitoramento e adequa o do tempo de aumento da press o e do tempo de p s fluxo para o melhor desempenho do m todo Uma outra vari vel importante cujo gerenciamento mant m a estabilidade da pro CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 35 Figura 3 12 In cio da primeira etapa queda do pist o du o do po o a velocidade de subida do pist o Lea et al 2008 Al m de evitar quebras inefici ncia do m todo e poss veis acidentes a manuten o da velocidade do pist o detro de limites seguros e operacionais facilita a implementa o de procedimentos de otimiza o para o m todo Lea et al 2008 Entretanto essa vari vel determinada indiretamente atrav s do tempo de viagem do pist o ou seja o tempo computado a partir do instante de abertura da v lvula de ciclo at o momento em que o pist o detectado pelo sensor magn tico localizado na coluna de produ o na superf cie CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 36 3 5 1 Controle por tempo Uma estrat gia de controle que vem sendo utilizada para otimizar o ciclo de produ o o tempo Marcano e Chac n 1992 em que a v lvula de controle de ciclo permanece fechada A cada ciclo o tempo de viagem do pist o que reflete a velocidade m dia de subida do pist o medido e comparado a valores pr
16. o do ar entrando em seguida na etapa de carga Pressostato um instrumento de medi o de press o utilizado como componente do sistema de pro te o de equipamento ou processos industriais CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 59 Figura 4 23 Compressor de inje o de ar no fundo do po o parcial Nesta fase com a v lvula de admiss o fechada a aspira o de ar ainda continua por pequenos orif cios denominados de by pass Com uma menor quantidade de ar sendo aspirada o compressor entrega para a rede de ar apenas 25 a 30 de sua capacidade total de suc o Essa redu o no fluxo de ar aspirado leva a uma diminui o na pot ncia do motor necess ria para manter o sistema e desta forma poss vel aumentar a press o final de trabalho nesta etapa Caso o consumo seja maior que a produ o do compressor 20 a 30 do total ocorrer uma queda da press o no sistema retornando o compressor etapa de trabalhdo em carga plena Por m caso o consumo de ar seja inferior produ o 20 a 30 do total a press o lentamente subir quando ent o o compressor passar a operar em regime de al vio Ou seja mesmo aspirando ar pelo by pass a press o no sistema poder aumentar at uma valor ajustado no pressostato P2 onde desernegizar uma v lvula solen ide VS2 que por sua vez drenar o ar que mantinha a v lvula de al vio fechada permitindo a libera o do ar comprimido Nesta fase n o ocorre produ o de ar para rede
17. o sistemas de supervis o de processos industriais que coletam dados dos processos atrav s de remotas industriais pricipalmente CLPs compilam e for matam esses dados e os apresentam ao operador de diversas formas como por exemplo gr ficos anima es tabelas etc de modo que o operador na sala de controle possa tomar decis es e intervir no controle O objetivo principal dos sistemas SCADA propiciar uma interface de alto n vel do operador com o processo informando o em tempo real de todos os eventos de import ncia da planta A utiliza o de um software de supervis o e controle para o monitoramento e controle de um processo torna o processamento das vari veis de campo mais r pido e eficiente Dessa forma a ocorr ncia de eventos imprevistos no processo pode ser rapidamente vi sualizada e altera es nos valores dos par metros de controles s o imediatamente provi denciadas pelo sistema supervis rio no sentido de regularizar a situa o Ao operador resta somente o dever de acompanhar o processo de controle da planta com o m nimo de interfer ncia exceto em casos onde realmente sejam necess rias tomadas de decis o de atribui o restrita ao operador Os sistemas SCADA evoluiram em paralelo com o crescimento e sofistica o dos computadores Zhang 2008 A maioria dos sistemas SCADA est o divididas nas seguintes CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 62 topologias sistemas SCADA monol ticos e sistemas SCADA distribu do
18. o tempo deste est gio 1O compressor n o fornece uma vaz o de ar constante Ap ndice B Layouts isom trico e fluxograma de engenharia Pr xima p gina Z A APENDICE B LAYOUTS ISOMETRICO E FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA 89 Indicadores de vaz o Reservat rio de L quido Sensores de vaz o Compressor DOCUMENTOS DE REFER NCIAS NOTAS GERAIS o Benk oan 04 01 10 Cl vis Kelyson Cl vis ara Por E UFRN V lvulas de Jnvoroese Federale Rio Grande do Note trol dd FUNPEC UFRN PO O ESCOLA PO O ESCOLA UFRN LAYOUT DAS INSTALA ES ma cons wem e oam oowe ESNA SFM ESCALA IS kee PM a 2 a GH Sr JAN 2010 D 594x420mm Z A DOCUMENTOS DE REFER NCIAS NOTAS GERAIS Po o L Escada SE 04 01 10 Cl vis Kelyson Cl vis ma a pata PoR APROV universidade Federal do Rio Granos do None FUNPEC UFRN PO O ESCOLA PO O ESCOLA UFRN LAYOUT DAS INSTALA ES mo cr ms wem Te crows nr oos a JAN 2010 0 Seite APENDICE B LAYOUTS ISOMETRICO E FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA 90 Z A APENDICE B LAYOUTS ISOMETRICO E FLUXOGRA
19. s no fundo da coluna de produ o Zg dwnB Z gupr fator de compressibilidade do g s no topo da coluna de produ o ZgpdaB fator de compressibilidade do g s na linha de produ o junto ao po o Z epuB fator de compressibilidade do g s na linha de produ o a jusante da golfada Zgsep fator de compressibilidade do g s no separador ZetbeT fator de compressibilidade do g s no topo da coluna de produ o Cap tulo 1 Introdu o A produ o de petr leo envolve dois sistemas distintos mas intimamente conectados o reservat rio que um meio poroso com caracter sticas nicas de armazenamento e de fluxo e as estruturas artificiais que incluem o po o os equipamentos de eleva o as faci lidades de produ o separadores bombas e os tanques de armazenamento Economides et al 1993 O reservat rio prov ao po o volumes de g s e ou leo cru O po o por sua vez promove um meio f sico de escoamento dos fluidos do seu extremo inferior fundo at superf cie al m de oferecer um meio de controlar a taxa de produ o de l quidos atrav s de equipamentos localizados na sua cabe a Os fluidos s o ent o produzidos na linha de produ o ou linha de surg ncia e atrav s dela levados at o separador Em l estando g s e gua s o removidos do leo produzido e com aux lio de bombas e com pressores esses fluidos s o trasportados atrav s de gasodutos e oleodutos at
20. trico penum tico e o converte em uma for a que movimenta a haste da v lvula que se desloca linearmente de forma a abrir ou fechar totalmente a v lvula ou mant la em qualquer posi o de seu curso proporcionalmente ao sinal de comando A press o de alimenta o das v lvulas deve ser limpa seca livre de leos e gases corrosivos Fisher 2010 Para isso foi instalado a montante das v lvulas um regulador de filtro para filtrar e regular o ar de alimenta o O regulador est ajustado para liberar o ar comprimido a uma press o de 4 bar aproximadamente 58 psi suficiente para ali menta o das v lvulas do sistema Por m essa press o n o submetida diretamente s v lvulas de controle sob o risco de danific las Antes de chegar s v lvulas essa press o passa por um conector onde as v lvulas est o ligadas em paralelo reduzindo portanto o valor de press o para um valor aceit vel de alimen o A press o de alimenta o deve ser alta o suficiente para permitir a configura o do regulador 5 psi acima do limite su perior da faixa de press o adequada Fisher 2010 Logo para as v lvulas em quest o Figuras 4 18 e a press o de alimenta o de 20 psi uma vez que elas trabalham em uma faixa de 3 a 15 psi Deve se ainda tomar o cuidado de n o exceder a press o de alimenta o m xima permitida de 50 psi V lvulas Manuais As v lvulas manuais Figura s o v lvulas de esfera de a o inoxid vel de 2
21. APpig Di 8 Le PS Pr e Late Vsig Vsig Zon Pi Lsig as D 6 7 Ding Ee TE onde Psigr press o no topo da golfada Pa APpig perda de press o no pist o Pa Lsig comprimento da goldada m folg fator m dio de atrito de Darcy Weisbach da golfada Vsig velocidade da golfada m s D bg di metro interno da coluna de produ o m Mplg massa do pist o kg AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 102 dee acelera o da golfada m s A perda de press o no pist o calculada desprezando se o atrito do mesmo com a coluna de produ o Ap IS E D 7 plg Ags 7 Perda de carga na coluna de produ o entre a golfada e a superficie A press o a jusante calculada pela fun o F1 com a velocidade do g s a montante igual velocidade da golfada Pret F Pyier TsigT 5 Tsup Lenta Apig Lpis Ls g Vsig 90 D 8 onde Piper press o na coluna de produ o na superf cie Pa Tsigr temperatura no topo da golfada K Tsup temperatura na superf cie K L plg comprimento do pist o m 8 Perda de carga na linha de produ o A press o do separador uma condi o de contorno e deve ser igual press o calculada pela fun o Fl com Prep PU PB aer Tsup Tsup Lprod Vg proB 0 D 9 onde Prep press o do separador Pa Lproa comprimento da linha de produ o m VeproB velocidade do g s na linha de produ
22. Assmann 2008 entretanto decorrido um certo tempo de produ o esses po os come am a perder gradativamete a energia necess ria para elevar os fluidos superf cie como consequ ncia da cont nua extra o de fluidos deple o do reservat rio necessitanto portanto de um m todo de eleva o artificial A eleva o artificial de petr leo consiste portanto no fornecimento de energia externa ao sistema po o reservat rio Silva 2007 com o objetivo de garantir a manuten o do escoamento do leo da forma o para o po o e deste at a suprf cie superando as perdas de cargas ao longo da coluna de produ o Bezerra 2002 Al m de ser aplicado a po os que pederam a caracter stica de surg ncia este m todo de eleva o se aplica tamb m a po os que n o possuem originalmente condi es de operar de forma natural na extra o do petr leo ou seja po os cujos reservat rios possuem press o interna reduzida Um reservat rio de petr leo n o produzir todo o seu potencial a menos que um m todo de eleva o artificial seja aplicado Martins 1991 Thomas 2001 Na ind stria do petr leo existem v rios m todos de eleva o artificial dentre eles o bombeio mec nico com hastes bombeio por cavidades progressivas bombeio centr fugo submerso gas lift cont nuo e intermitente pig lift e o plunger lift Esse m todos de ele va o podem ser classificados sa seguinte forma e Pneum ticos Gas Lift Cont n
23. D 18 onde Veupr Velocidade do g s no topo da coluna de produ o m s Aprod rea interna da linha de produ o m A velocidade do g s no topo da coluna relaciona se com a vaz o m ssica de g s nesse ponto Menor Pgupr Vgupr ube D 19 onde Meupr Vaz o m ssica de g s no topo da coluna de produ o kg s Pgupr Massa espec fica de g s no topo da coluna de produ o kg m A vaz o m ssica de g s no topo da coluna igual a menos a varia o da massa de g s no volume de controle constitu do pelo trecho da coluna de produ o acima da golfada d mg an GE D 20 5 Massa espec fica do g s no fundo e no topo da coluna de produ o As massas espec ficas do g s s o calculadas pela equa o de estado P amp dwnB PM wn D 21 Psa ZeaunB ake Te aun i AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 106 Pret pu Per Zeon legs D 22 onde Zeng fator de compressibilidade do g s no fundo da coluna de produ o Zgupr fator de compressibilidade do g s no topo da coluna de produ o 6 Fator de atrito da golfada O fator m dio de atrito de Darcy Weisbach da golfada calculado aqui e ao longo de todo o modelo para o n mero de Reynolds m dio que por sua vez calculado com a viscosidade m dia da golfada a E sig p Res D tbg D 23 onde Resig n mero de Reynolds m dio da golfada rugosidade absoluta da tubula o m e pu
24. Natal RN Brasil Baruzzi J O A 1994 Um sistema para estima o de vaz o de po os produzindo por Plunger Lift para vaso separador de teste em plataformas de petr leo Mestrado em engenharia de petr leo P s Gradua o em Engenharia de Petr leo UNICAMP Campinas SP Brasil Baruzzi J O A e F J S Alhanati 1994 Optimum plunger lift operation Society of Petroleum Engineers SPE 29455 Beauregard E e P L Ferguson 1982 Introduction to plunger lift Applications ad vantages and limitations Society of Petroleum Engineers SPE 10882 Bezerra Murilo Valen a 2002 Avalia o de m todos de eleva o artificial de petr leo utilizando conjuntos nebulosos Mestrado em engenharia de petr leo P s Gradua o em Engenharia de Petr leo UNICAMP Campinas SP Brasil Boswell J B e J D Hacksma 1997 Controlling liquid load up with continuous gas circulation Society of Petroleum Engineers SPE 37426 Braganza E E Rost S J Bosco E Gonzalez e A Salleo 2001 Artificial system plunger lift time of fall of the plunger under operative condition of well of petroleum Society of Petroleum Engineers SPE 72171 Chac n J e D Doty 1992 Modeling and optimization of plunger lift assisted intermit tent gas lift installations Society of Petroleum Engineers SPE 23683 Crow R W 1990 Eletronic controller for the optimization of plunger lift we
25. O SISTEMA PLUNGER LIFT 28 e O plunger lift de dois est gios O plunger lift convencional foi apresentado como sendo uma proveitosa rela o custo benef cio para remo o de l quido do fundo o po o Entretando existem casos em que esse m todo n o suficiente para cumprir a atividade ao qual foi de signado s o eles po os com baixa RGL e po os profundos Services 2010b Para estes po os o plunger lift de dois est gios ou multi est gio Figura 3 5 uma al ternativa econ mica que tem produzido excelentes resultados Wienen 2010 Essa ferramenta cria m ltiplos sistemas plunger lift em um nico po o de forma que o l quido seja elevado em est gios Com essa estrat gia grandes quantidades de l quidos podem ser removidas utilizando a energia do pr prio po o Figura 3 5 Plunger lift multi est gio Fonte Services 20104 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 29 e O plunger lift com c mara refor ada Chamber lift um outro m todo de eleva o artificial que se estende originalmente do gas lift E Beauregard 2007 e caracteriza se por possuir uma terceira coluna ou tubo entre o revestimeto e a coluna de produ o ver Figura 3 6 originando assim um segundo espa o anular de menor di metro Trata se de um processo intermitente e de natureza c clica e que durante a sua etapa de produ o pode apre sentar o mesmo problema dos po os surgentes com alta RGL ou at mesmo dos po os de gas l
26. S MBOLOS E ABREVIATURAS 2 Do Aug Doan Pgsep Peer Peupr PeoupB A prod Halen Aslgt K CLP D prod D tbg Ss gp Any p Hpig fator de compressibilidade m dio do g s no anular fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o abaixo do pist o fator de compressibilidade m dio do g s na linha de produ o entre o po o e a golfada fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o acima da golfada massa espec fica do g s no fundo da coluna de produ o kg m massa espec fica do g s na linha de produ o junto ao po o kg m massa espec fica do g s na press o do separador kg m massa espec fica do g s no topo da coluna de produ o kg m massa espec fica de g s no topo da coluna de produ o kg m3 massa espec fica do g s na linha de produ o a jusante da golfada kg m rugosidade absoluta da tubula o m rea interna da linha de produ o m acelera o da golfada na linha de produ o m s acelera o da golfada na coluna de produ o m s acelera o da golfada m s Controlador l gico program vel di metro interno da linha de produ o m di metro interno da coluna de produ o m fator de atrito de Darcy Weisbach da golfada na linha de produ o n vel de l quido no fundo da coluna m posi o do pist o m
27. Se ocorrer consumo neste momento a press o no sistema poder diminuir fazendo com que a v lvula solen ide VS2 seja energizada pelo pressostato P2 e retor nando o compressor carga parcial Caso ocorra queda de press o motivada pelo au mento de consumo a v lvula solen ide do by pass VS1 ser energizada pelo pressostato P1 retornando o compressor carga plena Conforme apresentado na Figura o compressor possui alguns man mertos dentre CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 60 Figura 4 24 Painel frontal do compressor eles o man metro indicador da press o na rede O term metro indicador de temperatura de descarga deve ser constantemente observado pois para esse compressor a temperatura de trabalho est numa faixa e 80 a 95 C Caso esse valor ultrapasse os 115 o com pressor ser desligado por a o de um termostato Quanto ao procedimento de partida e parada o compressor simples com um bot o liga verde e outro desliga vermelho Este ltimo quando acionado o compressor entrar em al vio e ap s um determinado per odo de tempo ocorrer o desligamento do motor Por seguran a o compressor possui um bot o de emerg ncia que quando acionado desligar imediatamente o equipamento Para religar o compressor gira se esse bot o destravando o e em seguida aciona se o bot o liga Como uma medida de seguran a para o compressor foi instalado no mesmo um rel de falta e sequ ncia de fase que des
28. a Planta Piloto que foi desen volvida para emular um po o de petr leo produzindo por plunger lift desde a montagem at a etapa de produ o Inicialmente ser fornecida vis o geral sobre a planta piloto des crevendo cada uma de suas partes A seguir ser o descritos os aspectos de funcionamento dos instrumentos e equipamentos que comp em a Planta Piloto incluindo os instrumen tos inerentes ao plunger lift e explicados detalhes da montagem da estrutura do po o Em seguida ser mostrado como ser o feitos os controles de vaz o de fluidos para o fundo do po o Por fim ser apresentado o sistema SCADA respons vel pelo monitoramento e ajuste dos par mentros de controle do po o 4 1 Descri o A Planta Piloto para estudos de po os com plunger lift tamb m conhecida como po o escola trata se da implementa o de uma planta de dimens es reduzidas com o prop sito geral de reproduzir o comportamento de um po o de petr leo que venha a utilizar esse m todo de eleva o Sua finalidade proporcionar um estudo detalhado do comportamento de po os de petr leo com plunger lift atrav s de medi es experimentos testes e coleta de dados que subsidiem a elabora o de uma modelagem din mica mais fiel do comportamento de po os reais A conforma o dessa planta constitu da por tr s entidades distintas o po o a casa de m quinas e a sala de controle sendo estes dois ltimos localizados em um laborat rio Figur
29. ajusante da golfada Pa press o do separador Pa press o no topo da golfada Pa press o na coluna de produ o na superf cie Pa vaz o de g s do reservat rio na condi o padr o std m s vaz o m xima de l quido se a contrapress o zero na forma o zero m s Raz o g s l quido temperatura medida pelo sensor K temperatura nas condi es padr o K temperatura no topo do l quido no fundo da coluna K temperatura na base do pist o K tempo gasto pelo pist o para ir da superf cie extremidade da coluna s temperatura no topo da golfada K temperatura na superf cie K vaz o medida pelo sensor m h vaz o nas condi es padr o m h velocidade do g s na linha de produ o a montante m s velocidade do g s no fundo da coluna m s velocidade do g s na linha de produ o junto ao po o m s velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador m s velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador m s velocidade do g s no topo da coluna de produ o m s velocidade do g s no topo da coluna de produ o m s LISTA DE S MBOLOS E ABREVIATURAS Vagas Velocidade m dia de queda do pist o atrav s do g s m s Varig Velocidade m dia de queda do pist o atrav s do l quido m s Volen Velocidade da golfada na linha de produ o m s Vsigt velocidade da golfada na coluna de produ o m s Voie velocidade da golfada m s fator de compressibilidade do g
30. anal gica PIM 300 1 V lvula de Controle de Vaz o FY GUA AO0 Sa da anal gica PIM 300 2 CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 50 Figura 4 10 CLP ZAP500 BX A programa o e configura o do CLP foi realizada atrav s do programa fornecido pelo pr prio fabricante do CLP HI Tecnologia O SPDSW Figura 4 11 um ambi ente que oferece todos os recursos necess rios para o desenvolvimento de aplica es que ir o rodar nos CLPs incluindo configura o dos equipamentos edi o dos programas de aplica o depura o e monitoramento on line al m de integra o com ambientes de programa o de Interfaces Homem M quina ou IHM da HI Oliveira 2010 Figura 4 11 Tela inicial do SPDSW Fonte HI Tecnologia Al m se ser utilizado para o desenvolvimentos das aplica es que ir o rodar no CLP o SPDSW foi til na calibra o das entradas e sa das anal gicas do CLP m dulo ZEM 400 atrav s da ferramenta exposta na Figura 4 12 bem como na supervis o e ajuste dos ganhos dos controladores PI utilizados atrav s da tela de supervis o dos PIDs Figura 4 13 CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 51 Figura 4 12 Calibra o das entradas Figura 4 13 Supervis o e ajuste dos con anal gicas Fonte HI Tecnologia troladores Sensor de Press o Instrumento utilizado no monitoramento cont nuo das tr s press es envolvidas no pro cesso de produ o por plunger lift press o no espa o
31. cie entre a coluna e a linha de produ o Considerando se 3 curvas entre a coluna e a linha de produ o a press o na linha junto ao po o Pepab Progr Lo Peper V8iber Vana D 38 onde P ag press o na linha de produ o junto ao po o Pa Peper Massa espec fica do g s no topo da coluna de produ o kg m3 Veiner Velocidade do g s no topo da coluna de produ o m s 4 Perda de carga na linha de produ o entre o po o e a golfada A press o a montante da golfada calculada a partir da press o e velocidade do g s na linha de produ o junto ao po o pela fun o F1 Pepar FALE ais Tsup Tsup Hprod Verano 0 D 39 onde Pg ar press o a montante da golfada Pa Hproa dist ncia do po o golfada m Ve ag Velocidade do g s na linha de produ o junto ao po o m s 5 Perda de carga na golfada A press o a jusante da golfada igual press o a montante menos a perda de press o por atrito e acelera o da golfada Di Ssigp Lsigp Vslgp ben Pepu Pomar SS Dprod Di Lsigp Asi gp D 40 onde Perus press o ajusante da golfada Pa AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 115 6 Perda de carga na linha de produ o entre a golfada e o separador A partir dessa etapa considera se tamb m a presen a de 3 curvas conectando a linha de produ o ao separador devido forte acelera o dos fluidos quando o l quido come ar a ser produzido no sepa
32. de fluidos que ser o produzidos pelo po o isto l quidos e g s natural A simula o do fluxo de petr leo para o fundo do po o est sendo feita atrav s da inje o de gua contida em um reservat rio de 500 litros por uma bomba hidr ulica de deslocamento positivo O g s natural injetado no fundo do po o simulado pelo ar comprimido oriundo de um compressor de ar de parafuso rotativo As vaz es da gua e do ar injetadas no po o s o controladas atrav s de duas v lvulas eletro pneumatica tipo globo Para que seja poss vel realizar o controle de vaz o as linhas de ar e de gua est o equipadas com dois sensores de vaz o sendo um magn tico e outro tipo turbina A v lvula de controle de fluxo motor valve representada por uma v lvula esfera controla o ciclo de funcionamento do plunger lift A pr xima sub se o relata os equipamentos dispostos na casa de m quinas e sala de controle do laborat rio A Figura 4 7 mostra o diagrama esquem tico do circuito hidro peneum tico projetado para simular o reservat rio e o po o equipado com plunger lift Denke Peso Conpres cor THAE KN 1 JO Feservat rio Motor Op waly F l Ijli a fa LiPo SM ALE DECH Figura 4 7 Diagrama esquem tico do plunger lift Fonte J nior et al 2008 O trajeto percorrido pelos fluidos desde a forma o at o momento em que pro duzido pode ser visto na Figura 4 8 cujos itens est o descrito na tabela 4
33. de g s sem l quido na linha de produ o As principais vari veis necess rias para descrever esta etapa s o mostradas na figura a Equa es de balan o As equa es descritas nas etapas anteriores para o balan o de massa de l quido Eq D 1 perda de carga no anular Eq D 3 perda de carga no liquido no fundo da coluna de produ o Eq D 4 perda de carga na coluna de produ o Eq e D 37 e perda de carga nas conex es no po o na superf cie Eq D 38 permanecem v lidas nesta etapa 1 Balan o de massa de g s Pela conserva o da massa a taxa de varia o no tempo da massa de g s no volume de controle constitu do pelo anular coluna de produ o e linha de produ o igual vaz o m ssica de g s que entra menos a que sai do volume de controle d mg J d mg a a fg T D 56 dt dt F dt Die Mg sep onde Mig Vaz o m ssica de g s no separador kg s 2 Perda de carga na linha de produ o entre a golfada e o separador A press o no separador deve ser igual calculada pela fun o Fl com a press o e velocidade do g s a montante menos as perdas nas 3 curvas junto ao separador D 57 9 Prep F1 Pepap Tsup Tsup Lprod VgpdB 0 KS 1 5 5 Don E Vesep Vesep onde Vgsep Velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador m s AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 120 TANTE Figura D 4 Identifica o das vari veis d
34. dos volumes produzidos pelo po o alcan ada com a minimiza o da press o m dia no revestimento no decorrer dos ciclos Portanto essa estrat gia de controle deve atuar no sentido de encontrar os menores para P ev de forma que no instante que essa press o atinja o valor Vmax estipulado reabrindo a v lvula de ciclo o pist o tenha alcan ado o fundo do po o e Prevmin para que n o haja uma redu o acentuada na energia armazenada e garantir que o volume da golfada que se acumula n o seja elevado ao ponto de reduzir significamente a velocidade de subida do pist o no pr ximo ciclo o que garantir a estabilidade das viagens do pist o e por conseguinte a estabilidade da produ o 3 5 3 Controle por fator de carga O fator de carga FC utilizado para verificar se durante o per odo de aumento da press o o sistema possui energia suficiente para elevar o pist o juntamente com a golfada de l quido superf cie Sua defini o Prev Peab FC 100 Prey Pis 3 1 onde FC fator de carga Da press o no revestimento na superf cie Pa Pn press o na cabe a do po o topo da coluna de produ o Pa PD press o na linha de surg ncia Pa Ele simplesmente compara a energia necess ria para elevar a golfada numerador com a energia potencial dispon vel no sistema denominador Lea et al 2009 Uma boa regra assegurar que o fator de carga n o ultrapasse 40 a 50 antes
35. e dire o do campo magn tico O valor dessa for a eletromotriz proporcional velocidade do condutor e densidade do fluxo magn tico O equipamento eletr nico associado ao medidor amplifica e converte esta for a eletromotriz para um padr o de 4 20 mA ou sinal de frequ ncia Para se utilizar o sinal de frequ ncia enviado pelo sensor Figura 4 15 de vaz o necess rio configurar a entrada digital do CLP para esse tipo de leitura r pida Por m para fazer essa configura o necess rio abrir o CLP e posicionar alguns jumpers da placa de aquisi o de sinais Portanto por quest o de praticidade o sensor foi configurado para trabalhar com o padr o sinal de corrente de 4 20 mA onde 4 mA refere se vaz o m nima que o sensor consegue detectar 0 03 m3 h e 20 mA vaz o m xima 1 01 m h Esse sinal de corrente enviado ao CLP onde passa por dois filtros implementados em software para remo o de ru dos Em seguida o CLP processa esse sinal filtrado e atrav s de algorit mos de controle gera um sinal resposta de controle que enviado atrav s de sinal de corrente para a v lvula de controle de vaz o Figura 4 15 Medidor de vaz o tipo magn tico com transmissor de sinal CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 53 Medidor de Vaz o tipo Turbina Utilizado para medir a vaz o de ar que entra no fundo do po o o medidor de vaz o tipo turbina Figura 4 16 um medidor de vaz o volum trico cujo elemento s
36. e E H Bolonhini 2008 Planta piloto para estudo de po os com plunger lift Rio Oil amp Gas Expo and Conference 2006 n 1951 Lea J F 1982 Dynamic analysis of plunger lift operations Society of Petroleum Engineers SPE 10253 Lea J F H V Nickens e M R Wells 2008 Gas Well Deliquification GPP Oxford pp 123 190 Lea J F O L Rowlan e J N McCoy 2009 Modified foss and gaul model accurately predicts plunger rise velocity Society of Petroleum Engineers SPE 120636 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 83 Marcano L e J Chacin 1992 Mechanistic design of conventional plunger lift instal lation SPE Advanced Technology Series SPE 23682 Martins S V 1991 Efeitos transientes no projeto e an lise de Gas Lift cont nuo Mestrado em engenharia de petr leo P s Gradua o em Engenharia de Petr leo UNICAMP Campinas SP Brasil McCoy J L Rowlan e A L Podio 2001 Plunger lift optimization by monitoring and analyzing well high frequency acoustic signals tubing pressure and casing pressure Society of Petroleum Engineers SPE 71083 McCoy J L Rowlan e A L Podio 2003 Plunger lift monitoring by analyzing well bore high frequancy acoustic signals and tubing and casing pressures Society of Petroleum Engineers SPE 83672 McMurry E D 1953 Use of the automatic free piston in oil well production prob lems Petroleum Transactions AIME 198
37. esta es de tratamento e tanques A Figura I 1 mostra de forma geral como esses dois sistemas est o relacionados A eleva o de petr leo um segmento da tecnologia de produ o de petr leo que trata do escoamento de fluidos produzidos por um po o desde o fundo at a superf cie incluindo o escoamento multif sico atrav s da coluna de produ o os sistemas de bombeio de subsuperf cie os meios de transmiss o de energia da superf cie at o fundo do po o e o acoplamento do comportamento do sistema de eleva o com o do reser vat rio Assmann 2008 O maior desafio da engenharia de eleva o a maximiza o da produ o de leo e ou g s de modo mais rent vel poss vel Economides et al 1993 Guo et al 2007 A eleva o do petr leo o transporte de fluidos do fundo do po o at a superf cie Vidal 2005 Sua ocorr ncia se d de forma natural quando a press o no reservat rio alta o suficiente para elevar os fluidos at a superf cie superando as perdas de cargas ao longo da coluna de produ o de maneira espont nea Po os que utilizam esse processo de eleva o s o denominados po os surgentes Thomas 2001 CAP TULO 1 INTRODU O 7 Figura 1 1 Vis o geral do processo de produ o e transporte de leo e g s Fonte Guo et al 2007 CAP TULO 1 INTRODU O 8 Na maior parte dos po os a press o do reservat rio alta o suficiente para trazer o leo ou g s at a superf cie
38. estes ser o confrontados com resultdos gerados por um simulador configurados com as caracter sticas da Planta Piloto Palavras chave Eleva o Artificial de Petr leo Plunger Lift Planta Piloto Abstract This document proposes to describe a pilot plant for oil wells equipped with plunger lift In addition to a small size 21 5 meters and be on the surface the plant s well has part of its structure in transparent acrylic allowing easy visualization of phenomena inherent to the method The rock formation where the well draws its pilot plant fluids water and air is simu lated by a machine room where they are located the compressor and water pump for the production of air and water To keep the flow of air and water with known and controlled values the lines that connect the machine room to the wellhole are equipped with flow sensors and valves It s developed a supervisory system that allows the user a real time monitoring of pressures and flow rates involved From the supervisor is still allowed the user can choose how they will be controlled cycles of the process whether by time pressure or manually and set the values of air flow to the water used in cycles These values can be defined from a set point or from the percentage of valve opening Results from tests performed on the plant using the most common forms of control by time and pressure in the coating are showed Finally they are confronted with results generated by a
39. externo do tubing DOtbg 2 385 pol Diametro interno do revestimento DIcsg 4 92 pol Massa do pistao Mplg 6 46 Kg Velocidade de queda no l quido Vqpl 110 p min Velocidade de queda no gas Vqpg 1500 p min Eficiencia de veda o do pist o ao gas EfVed 95 Press o est tica do reservat rio Pest 5 0 kgf cm Vaz o de teste do reservat rio Qteste 5 0 mid Press o de teste do reservat rio Pteste 0 0 kgf cm Comprimento inicial da golfada Lslg 2 1m Press o inicial maxima no topo do revestimento PcsgT 17 psig Dura o do p s fluxo Afterflow 10 seg Tempo de fechamento Offtime 60 seg Tempo limite para nao chegada do pistao a superficie Ontime 30 seg Press o de separa o Psep 5 psig Di metro de passagem na v lvula de ciclo Dab 0 750 pol Raz o g s l quido no po o RGL 50 mistd m Percentual de gua no l quido BSW 100 Densidade relativa da gua SGagua 1 00 CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 76 Fazendo uma an lise da desenvoltura dos gr ficos poss vel verificar que com a abertura da linha de produ o a press o no anular diminue enquanto que a press o na coluna de produ o cai abruptamente at um valor praticamente igual ao da press o no separador aproximadamente 5 psi Decorrido um curto per odo de tempo a press o na coluna de produ o sobe instantaneamente devido a chegada da golfada superf cie Esse aumento repentino se deve s perdas
40. mesmo di metro da linha e acionamento manual por alavanca utilizadas para bloquear as entradas de ar e gua na base do po o da Planta Piloto fechando o completamente CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 56 Figura 4 18 V lvula de controle do Figura 4 19 V lvula de controle do fluxo de gua fluxo de ar Quando aberta essas v lvulas permitem passagem plena do fluido possibilitando m nima perda de carga Figura 4 20 V lvulas de fechamento do po o Filtro Regulador de Ar A fun o de um filtro de ar comprimido Figura 4 21 evitar que as impurezas leos contaminantes e a umidade presentes ao longo da tubula o de ar comprimido atinjam a aplica o final no caso as v lvulas de controle Esse filtro constitu do por uma carca a resistente press o do ar comprimido e por um elemento filtrante que respons vel pela filtragem do ar CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 57 O regulador empregado na Planta Piloto que do tipo ajust vel tem por finalidade manter a press o de trabalho secund ria constante independentemente da press o na rede prim ria ou seja abaixa a press o mais elevada de distribui o para um valor caracter stico de trabalho de 20 psi Figura 4 21 Filtro regulador de press o Bomba Hidr ulica O fluxo da gua na unidade piloto proporcionado por uma bomba de deslocamento positivo do tipo helicoidal de um est gio e pot ncia de 1 CV da marca GEREMIAS WEATHERFORD Fi
41. mulo tornar se mais severo o plunger lift instalado e devidamente configurado com um by pass mais largo para que o pist o alcance o fundo do po o mais rapidamente e os ciclos ocorram de maneira bem mais r pida do que o normal Essa redu o no tempo de cada ciclo mant m o fluxo de g s do reservat rio para o po o praticamente constante fazendo portanto a taxa de produ o permanecer elevada Quando ocorre uma redu o no fluxo de g s e consequentemente na press o do reser vat rio para o po o decorrente do tempo de produ o do po o o plunger de ciclo r pido se torna ineficiente sendo portando plaus vel a reestrutura o para o tipo conven cional do plunger lift Tempos depois quando as taxas de produ o se tornam menores uma outra modifica o do plunger lift desde que comprovado o retorno econ mico pode ser adotada Se trata do sistema plunger lift progressivo que uma configura o do m todo que faz uso de dois pist es na mesma coluna de produ o Essa t cnica per mite que os po os se mantenham produzindo mesmo quando a RGL decai para um valor abaixo do normalmente aceit vel para opera o do plunger lift convencional Morrow e Hearn 2007 Po os produtores de petr leo que apresentam elevada RGL s o fortes candidatos a usar o plunger lift Devido a alta produ o de g s o l quido que deveria ser produzido tende a ser deixado para tr s fallback em decorr ncia da passagem preferencial
42. o e manuten o bomba helicoidal s rie wht Technical report Weatherford http www rodrize com br acessado em 10 07 2010 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 85 Wienen Julie 2010 Multi stage plunger lift Technical report Production Control Services http wellservicingmagazine com multi stage plunger lift acessado em 18 03 2011 Wiggins M L S H Nguyen e S Gasbarri 1999 Optimizig plunger lift operations in oil and gas wells Society of Petroleum Engineers SPE 52119 Zhang P 2008 Industrial Control Technology William Andrew Inc Norwich Ap ndice A Manual de funcionamento da planta Checar se todas as v lvulas manuais duas do fundo do po o e uma da comuta o da linha entre o po o e o vaso separador est o abertas 2 Checar se as v lvulas de controle de fluxo est o fechadas Ligar o CLP 4 Se o CLP n o estiver com o c digo ladder em sua mem ria ent o liga se o com 10 putador executa o aplicativo SPDSW ambiente de programa o do CLP e atrav s deste abri se o c digo ladder em quest o e o carrega no CLP Ligar a bomba de gua e checar se o man metro presente na linha de recircula o da gua n o ultrapassa os 5 bar Abrir a tampa de visita manuten o do compressor e chegar visualmente se existe vazamento de leo pe as folgadas fios desconectados n vel de leo na altura do visor de n vel deflex o m xima aceit vel de 1 cm da
43. pist o open time e p s fluxo afterflow A segunda foi dividida em duas etapas independentes subida do pist o open time produ o producing para uma melhor visualiza o do ciclo Figura 3 7 Figura 3 7 Ciclo do plunger lift O per odo de aumento da press o come a quando a v vula de controle de ciclo mo tor valve se fecha O pist o come a o seu movimento de descida para o fundo do po o enquanto que o g s produzido pelo reservat rio vai se armazenando principalmente no es pa o anular que funciona como um reservat rio para armazenar esse g s e o l quido que chega ao fundo do po o vai se acumulando na coluna de produ o Uma pequena parcela do g s produzido pelo reservat rio tamb m se deslococa para a coluna de produ o e se acumula sobre a coluna de l quido Para uma maior efici ncia do m todo necess rio que esse tempo de aumento da press o seja m nimo o suficiente para que o pist o atravesse a coluna de g s e de l quido e finalmente alcance o fundo do po o antes da reabertura da v lvula de controle de ciclo Independente do tipo de controle do ciclo se por press o no revestimento na superf cie por tempo etc a press o no revestimento deve ser alta o sufi ciente para elevar o pist o juntamente com a coluna de l quido acumulada at a superf cie quando a v vula de controle for reaberta Rowlan et al 2006 importante ficar claro que g s e l quido continuam sendo produzidos pelo res
44. por atrito na coluna e na linha de produ o quando a v lvula de superf cie aberta e O gas e o l quido oriundos da forma o contabilizado durante todo o ciclo Condi es de opera o de campo como caracter sticas o po o informa o da pro du o e press es na cabe a do po o publicadas por Baruzzi e Alhanati 1994 foram utilizadas pra testar o desempenho do modelo din mico Utilizaram ainda para testes as caracter sticas de um exemplo de po o utilizado por Lea 1982 para analisar o transiente da press o no topo da golfada O modelo apresentou resultados satisfat rios uma vez que conseguiu replicar os resultados obtidos por Lea 1982 e aproximar com uma precis o rezo vel os valores de campo publicados por Baruzzi e Alhanati 1994 Chacin e Doty 1992 apresentaram um modelo destinado a projeto de instala o de po os de gas lift intermitente com pist o O modelo leva em considera o o ciclo com pleto de produ o constituido por ac mulo de fluidos no fundo do po o press o de build up no anular subida do pist o e coluna de l quido e produ o na linha de surg n cia Par metros como press o do reservat rio comportamento da entrada de fluidos no fundo do po o caracter sticas da coluna e da linha de produ o caracter sticas do pist o press o de inje o dispon vel projeto da v lvula de inje o e da v lvula de gas lift e com portamento do g s foram levados em considera o na mo
45. rio quanto as vari vies que regem o ciclo do plunger lift 4 2 O Po o O po o da Planta Piloto formado basicamente por duas tubula es conc ntricas coluna de produ o e revestimento cujos di metros internos s o de duas polegadas e cinco polegadas e meia respectivamente extendendo se a partir do solo at uma altura de 20 metros dos quais 16 metros s o de a o galvanizado e 4 metros de acr lico transparente para se visualizar os momentos de partida do pist o e chegada dele ao fundo do po o Na extremidade superior ou cabe a do po o localiza se a cabe a de produ o que diferente do formato da cabe a de produ o convencional um carretel com dois flanges e duas sa das laterais um carretel com um nico flange no centro promovendo uma veda o entre a coluna e o revestimento de produ o e servindo de interface entre a rvore de natal e o po o Ou seja quando a cabe a de produ o instalada o lado inferior do flange fica apoiado na cabe a do revestimento de produ o e o lado superior recebe a rvore de natal com 1 5 m de altura Esta o equipamento de superf cie constitu do no caso da Planta Piloto por uma v lvula tipo esfera motor valve com acionamento pneum tico e a finalidade de permitir de forma controlada o fluxo de leo e g s do po o e pelo lubrificador que possui uma v lvula agulha tamb m conhecida como segurador catcher cuja fun o manter o pist o na superf cie para u
46. s pra AN EN Sem We A ee ERR ee we Bes 70 Kon PRAGA REDE REE ROEDERER E RES 74 5 5 1 Compara o com resultados da planta 76 78 d 86 88 C Descri o dos equipamentos 93 D Modelagem Mec nica 98 E Gloss rio de Termos em Ingl s 125 Lista de Figuras 1 1 Vis o geral do processo de produ o e transporte de leo e g s Fonte e Ah e E ekua ADE ADEE EER P A 7 3 1 Sistema plunger lift Fonte Services 2009 Adaptado 22 3 2 Plunger lift convencional ee ces 25 So We Go He GD p EE EE 26 idades a deed rE ePRER ERS RSRS 27 3 5 Plunger lift multi estagio Fonte Services 2010a 28 3 6 Plunger Enhanced Chamber Lift ou PECL Fonte E Beauregard 2007 29 3 7 Ciclo do plunger lift enge ob et RE HE E EE 30 3 8 Primeira etapa do ciclo Aumento da pressao 31 3 9 Subida do pist o e produ o liquido 2 2200 32 3 10 Subida do pist o e produ o liquido 204 33 3 11 Terceira etapa do ciclo p s fluxo LL cccclcccc a 34 3 12 Inicio da primeira etapa queda do pist o o ooa a 35 4 1 Laborat rio casa de m quinas e sala de controle 40 o ee 41 EE PNI VESES Presa 41 Poe be hot asas dA 43 on S ee ee ee 45 4 1 Diagrama esquem tico do plunger lift Fonte J nior et al 2008 46 EE 47 4 9 M dulo de aquisi o de dados ACOS205 0 48 pe digo dd eee oe eee A a 50
47. simulator configured with the the pilot plant s feature Keywords Petroleum Artificial Lift Plunger Lift Pilot Plant Sum rio ista de Figuras ista de Tabelas m Es 5 Sv A Introdu o 1 1 Motiva o e Justificativa a oaaae 1 2 Objetivos 1 3 Apresenta o e Organiza o 2 2 ee ee Lista de Simbolos e Abreviaturas 2 Estado da Arte 2 1 Introdu o ao Plunger Lift x sau a eR eR Aw RSE eS SESS 2 2 Modelos Estaticos 0 0 00 eee ee ee eee 2 3 Modelos Dindmicos 0 00800 eee eee 3 O Sistema Plunger Lift 3L Des serio Bee ERE EDS SANDS Da SE OT ud pgs Bowe eee EE ee SR E ORE wR Oe 3 3 Tipos de Plunger Lift 6 4 6 gow see ek ek ee EVER EER HERES 3 4 Descri o do Ciclo do Plunger fu 3 5 Modos d Controle 26s ave due ovo Rb eh eee eo hes 3 5 1 Controle por tempo oaa a era ana EE Ee ee ee ee ey eee ee 4 Planta Piloto 4 1 Descri o iii 11 11 14 15 20 20 21 24 30 34 36 36 37 38 39 4 2 POCO 2kse ude fie wehbe Roh EE EE 42 4 2 1 Equipamentos do Plunger Lg 43 if de sev de Se oe ey og He EO OD RRO 46 4 3 1 Equipamentos do Laboratorio 48 4 4 Modos de Control 61 coe OPH H Oe Des OS es ee 61 5 Resultados obtidos e discuss es 66 5 1 Procedimento para adequa o da medi o da vaz o de gas 66 pa da ita PA EA n SATA 68 eee RR ee AE E ee EAD Send E md 70 54 Disc ss
48. ym td __ VE mp Sai onde P d press o nas condi es padr o atm Vs d vaz o nas condi es padr o m h DI press o medida pelo sensor atm VI vaz o medida pelo sensor m h T d temperatura nas condi es padr o K T temperatura medida pelo sensor K A aus ncia de um sensor de temperatura na linha de g s enquadra a Planta Piloto do descrito acima impossibilitanto a adequa o uma vez que n o se tem acesso tempe ratura medida Quanto vari vel press o medida apesar de n o existir um sensor na linha de g s seria utilizada a press o no revestimento como uma aproxima o para essa medi o At ent o os valores de vaz o de g s empregados nos testes s o os obtidos pelo CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 68 o transmissor de vaz o localizado na linha de g s Portanto por depender da press o e temperatura do ar na linha as leituras feita pelo transmissor dificilmente representam a real quantidade de massa injetada no po o 5 2 Controle por press o no revestimento Devido a problemas t cnicos s foi poss vel obter dois ensaios utilizando a Planta Piloto o que acaba n o apresentando a real capacidade que esta ferramenta did tica tem a oferecer O resultado obtido para o teste de controle por press o est reportado na Figura 5 1 onde est o explicitadas as press es no revestimento na superf cie REV na cabe a do po o CAB e na linha de surg ncia SURG O
49. 1 O circuito composto por duas linhas em paralelo que atendendo a Norma Regulamentadora 26 CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 47 que padroniza as cores de tubula es industriais foram pintadas de acordo com o tipo de fluido que ir passar por ela Como no projeto est sendo utilizado gua fria e ar comprimido ent o as cores previstas na norma s o verde e azul respectivamente Figura 4 8 Vis o geral da Planta Piloto CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 48 Tabela 4 1 Itens da Planta Piloto Figura 4 8 Reservat rio de l quido Compressor Bomba hidr ulica Linhas de gua verde e ar azul Linha de surg ncia CLP V lvulas de controle de fluxo Transmissores de vaz o Supervis rio Po o VD Gi JA Ch LN EUR 4 3 1 Equipamentos do Laborat rio ACOS205 O ACOS205 acr nimo de Aquisition and Control Oil System da HI tecnologia um equipamento de aquisi o de dados e controle utilizado em diversos m todos de eleva o de petr leo Na sua vers o completa para plunger lift o ACOS205 formado por um conjunto integrado com painel solar e bateria antena 3 transmissores de press o v lvula solen ide painel de bateria e painel do controlador onde se localiza o CLP A simplici dade da Planta Piloto diante de po os reais de plunger lift torna desnecess ria a utiliza o desta vers o do equipamento O fato deste est localizado na sala de controle elimina a necessidade do uso anten
50. 336 Services PCS Production Control 2009 Pcs plunger works Relat rio t cnico PCS http pcslift com plungerlift plungerliftwork html acessado em 16 05 2010 Services PCS Production Control 20104 Multi stage plunger lift An economical alternative to pumping units Relat rio t cnico PCS http www pcslift com PDFs PCSMulti StagePlungerLift pdf aces sado em 15 04 2011 Services PCS Production Control 2010b Our new and improved multi stage tool maximizes production of deep or low glr wells Technical report PCS http pcslift com plungerlift multistage html acessado em 16 05 2011 Silva S J G 2007 Um sistema para estima o de vaz o de po os produzindo por Plunger Lift para vaso separador de teste em plataformas de petr leo Mestrado em ci ncias Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica e de Computa o UFRN Natal RN Brasil Souza R B A A D Medeiros J M A Nascimento A L Maitelli e H P Gomes 2006 Sisal um sistema supervis rio para eleva o artificial de petr leo IBP n 156805 Thomas Jos Eduardo 2001 Fundamentos de Engenharia de Petr leo Editora Inter ci ncia Vidal Francisco Jos Targino 2005 Desenvolvimento de um simulador de bombeio por cavidades progressivas Mestrado em ci ncias Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica e de Computa o UFRN Natal RN Brasil Weatherford 2003 Manual de instala
51. C Tabela C 9 Transmissor magn tico Caracter sticas T cnicas Medidor de Vaz o Eletromagn tico Incontrol Modelo VM006 Exatidao 0 25 F E Sinal de Sa da pulso ou 4 20 mA Faixa de Medi o 0 03 1 01 m h Condutividade do L quido 5 uS cm minima Conex o ao Processo 5 flangeada e Indicador Totalizador de Vaz o Indicadores de vaz o Figura 4 17 com op es de transmiss o e comunica o serial um computador de vaz o universal micro processado e com uma programa o simples e amig vel Tabela C 10 Indicador totalizador de vaz o Caracter sticas T cnicas Indicador Totalizador de Vaz o Incontrol Modelo MEV 1000 Fun es Indicador de vaz o instant nea Totalizador Programa o Via teclado frontal Sinais de Entrada Pick up magn tico pulsos em onda quadrada e 4 20 mA Exatid o lt 0 1 do valor lido Alim por Transmissor 24 Vcc para alimenta o de transmissores a dois ou quatro fios Temperatura Opera o 30 C a 50 C e Filtro de ar e regulador de press o Alta efici ncia na remo o de umidade Devido ao sistema de defletores a gua e as part culas s lidas contidas no ar comprimido s o totalmente separadas A grande superf cie do elemento filtrante garante baixa queda de press o e aumento de sua vida til Figura 4 21 e Controlador L gico Program vel ZAP 500BX M dulo de expans o ZEM 400 Foi desenvolvido para atender aplica es de controle de processos e
52. DA ARTE 12 fechamento da linha de produ o a partir da press o no anular Isso garantiu uma me lhoria significante da efici ncia do m todo com grande economia de g s Beeson 1959 apud Baruzzi 1994 Labeaux 1955 apud Baruzzi 1994 utilizou em seu trabalho o controle de ciclo baseado no tempo j que foi mais eficiente do que o controle baseado em press o Por m o ajuste do ciclo al m de emp rico era trabalhoso sendo necess rio testes de produ o para o seu ajuste Com o advento dos controladores eletr nicos os po os passaram a trabalhar de forma automatizada Dentre as suas atribui es estava a regulagem da opera o por tempo ou press o al m de monitorar as press es no revestimento coluna e linha de produ o Crow 1990 Apesar de se valer das t cnicas de controle at ent o descoberta para o ciclo de produ o e do monitoramento das press es para McCoy et al 2001 e Wiggins et al 1999 a otimiza o da opera o ainda se tornava dif cil devido a falta de um co nhecimento preciso do comportamento do sistema maior desvantagem do plunger lift tamanha a sua complexidade O ajuste dos par metros de controle do ciclo tempo ou press o eram muitos imprecisos muitas vezes sendo ajustados s escuras ou seja O operador ajustava o valor do par metro de controle para um valor que levaria a uma maior produ o A consequ ncia de um ajuste impreciso por exemplo um tempo de aumento da press o muit
53. Equa es de balan o As equa es descritas na etapa 1 A para o balan o da massa de l quido Eq D 1 perda de carga no anular Eq D 3 e perda de carga no l quido no fundo da coluna de produ o Eg D 4 permanecem v lidas nessa etapa 1 Balan o da massa de g s Pela conserva o da massa a taxa de varia o no tempo da massa de g s no volume de controle constitu do pelo anular coluna de produ o e pelo trecho da linha de produ o do po o at a golfada igual vaz o m ssica de g s produzida pelo reservat rio d Mgcsg d Misa d mgpa dt S dr T dt Meres D 35 onde Mgpd Massa de g s na linha de produ o entre o po o e a golfada kg 2 Perda de carga na coluna de produ o A press o do g s na coluna de produ o a jusante pode ser calculada a partir da press o e velocidade a montante pela fun o F1 Po sunt F 1 LE ando ToawnB Tsup Lauda E Hpup H VedwnB H 90 D 36 A press o na coluna de produ o na superf cie obtida considerando se a perda de press o no pist o que calculada como na Eq D 7 0 peso do pist o equilibrado pelos esfor os resultante do escoamento do g s pelo mesmo AP Pier P plg D 37 dwnT AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 113 IITA 3 PATASTE i oo AL Etta TE Figura D 3 Identifica o das vari veis da etapa 2 4 AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 114 3 Perda de carga nas conex es na superf
54. ICA 109 ESTANTE ESTANTE Pest ANTEt o dl Figura D 2 Identifica o das vari veis da etapa 1 B AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA P amp proB Juden fator de atrito de Darcy Weisbach da golfada na linha de produ o press o na frente da golfada na linha de produ o Pa Lsigp comprimento da golfada na linha de produ o m Vsigp Velocidade da golfada na linha de produ o m s Dproa di metro interno da linha de produ o m Astgp acelera o da golfada na linha de produ o m s 3 Perda de carga na linha de produ o entre a golfada e o separador 110 A press o do separador uma condi o de contorno e deve ser igual calculada pela fun o Fl com a velocidade do g s a montante igual velocidade da golfada na linha de produ o Prep Fai Tsup Tsup Loroa Lsigp Vslgp 0 b Equa es de fechamento D 29 As equa es descritas na etapa anterior para a vaz o de l quido e g s do reservat rio Eq a D 12 massa de g s no anular e na coluna de produ o abaixo da golfada respectivamente Eq D 13 e D 14 velocidade do g s no fundo da coluna de produ o Eq D 16 e D 17 massa espec fica do g s no fundo da coluna Eq D 21 e posi o do pist o Eq permanecem v lidas nessa etapa 1 Comprimento da golfada na coluna de produ o O comprimento da golfada na coluna de produ o varia com o tempo e igual a Lstet Lauda
55. LAGEM MEC NICA 122 produ o Eq D 4 permanecem v lidas nessa etapa 1 Balan o da massa de g s Pela conserva o da massa a taxa de varia o no tempo da massa de g s no vo lume de controle constitu do pelo anular e pela coluna de produ o igual vaz o m ssica instant nea de g s produzida pelo reservat rio d Meese d ma 7 Wn 5 Mitre D 60 onde Mg Massa de g s na coluna de produ o kg 2 Perda de carga na coluna de produ o A press o na coluna de produ o na superf cie calculada a partir da press o no topo do l quido no fundo da coluna considerando apenas a press o de uma coluna est tica de g s P 8dwnB Fier E e PM 8 Kemuda Houp o Zeawn RT ayn b Equa es de fechamento As equa es descritas na Etapa 1 A para a vaz o de l quido e g s do reservat rio Eq a D 12 e massa de g s no anular permanecem v lidas nesta etapa 1 Massa de g s na coluna de produ o A massa de g s na coluna de produ o relaciona se com sua press o m dia pela equa o de estado m GE Pring Arby Leauda Houp Zon pag R Ta D 62 onde Prive press o m dia do g s na coluna de produ o Pa Zou fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o Toy temperatura m dia do g s na coluna de produ o K AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 123 ESTANTE i Sm ESTATE i o ZA Figura D 5 Id
56. MA DE ENGENHARIA 91 2 A DOCUMENTOS DE REFER NCIAS NOTAS GERAIS J ENTRADA DE AGUA TRATADA 06 AR DE INSRUMENTOS fo VENT EMISS O ORIGNAL 04 01 10 Cl vis Kelysor Cl vis ege e POR APR ESAI UFRN apres ORG ne SENA universidade Federal do Rio Grance do Nore FUNPEC UFRN PO O ESCOLA PO O ESCOLA UFRN REPRESENTA O ISOM TRICA DAS TUBULA ES Po ci ms 0 keLyson Te oo Im oos Sek SEM ESCALA ME PADR O BA e q DATA NOTAS mer JAN 2010 MEDIDAS EM MIL METROS o 594x420mm Z DOCUMENTOS DE REFER NCIAS NOTAS GERAIS VAI PARA A CAIXA DE L QUIDO VEM DA BOMBA DESLOCAMENTO POSITIVO T E ENTRADA DE AGUA TRATADA VEM DA LINHA DE SURG NCIA Jl AR DE INSRUMENTOS fio VENT VAI PARA ENTRADA DA PLANTA DE COLFADAS BOMBA DESLOCAMENTO POSITIVO VAI PARA A ENTRADA D EE 04 01 10 Cl vis Kelyson Cl vis DA LINHA DE LIQUIDO DA asch DATA POR APROV VAI PARA ENTRADA DA LINHA DE G S ESAI UFRN A empresa de Servi os Assessoria Industrial h Universidade Federal do Rio Grande do Norte GSE OU UNO 9 FUNPEC UFRN EUPREENOMENTO OU PROGRAMA PO O ESCOLA PO O ESCOLA UFRN FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA
57. Po KELYSON PE keLysoN Te crows nr oos ESA EM ESCALA MM PADRRO Fain 1 4 A So es WEY JAN 2010 o Seana APENDICE B LAYOUTS ISOMETRICO E FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA 92 Ap ndice C Descri o dos equipamentos As especifica es dos equipamentos da Planta Piloto podem ser vistas a seguir e V lvula de esfera tripartida passagem plena 1000 WOG MGA 2 V lvula de blo queio de fluxo classe 300 indicada para utiliza o em diversos tipos de fluido em ampla faixa de temperatura e press o conforme norma ASME B16 34 Tabela C 1 V lvula de esfera tripartida plena 1000 WOG MGA 2 Caracter sticas T cnicas V lvula de Esfera Press o Nominal 300 PSI Coeficiente de Fluxo 278 Rota o 90 Alavanca A o cromado revestido com PVC azul Rosca NPT e V lvula esfera monobloco BSP 2 V lvula classe 300 Figura 4 20 corpo em lat o niquelado esfera e haste em lat o niquelado passagem plena veda o em PTFE e rosca BSP 2 Indicada para utiliza o em diversos tipos de fluido em ampla faixa de temperatura e press o conforme norma ASTM B 124 Tabela C 2 V lvula de esfera Monobloco Caracter sticas T cnicas V lvula de Esfera Press o Nominal 435 PSI Rota o 90 Alavanca Lat o niquelado Rosca BSP e Pist o T PAD single PAD O pist o T pad constru do com tratamento t rmico de ligas de a o AISI 4140 para uma maior dura
58. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA E E COMPUTA O Desenvolvimento de uma Planta Piloto para Estudos de Po os de Petr leo Produzindo por Plunger Lift Diego Antonio de Moura Fons ca Orientador Prof Dr Pablo Javier Alsina Disserta o de Mestrado apresentada ao Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica e de Computa o da UFRN rea de concentra o Automa o e Sistemas como parte dos requisitos para obten o do t tulo de Mestre em Ci ncias N mero de ordem PPgEE M322 Natal RN Agosto de 2011 Se o de Informa o e Refer ncia Cataloga o da publica o na fonte UFRN Biblioteca Central Zila Mamede Fons ca Diego Antonio de Moura Desenvolvimento de uma planta piloto para estudos de po os de petr leo produzindo por plunger lift Diego Antonio de Moura F nseca Natal RN 2011 125 il Orientador Pablo Javier Alsina Disserta o Mestrado Universidade Federal do Rio Grande do Norte Cen tro de Tecnologia Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica e de Computa o 1 Eleva o artificial de petr leo Disserta o 2 Plunger lift Disserta o 3 Planta piloto Disserta o I Alsina Pablo Javier II Universidade Federal do Rio Grande do Norte IV T tulo RN UF BCZM CDU 622 276 5 Desenvolvimento de uma Planta Piloto para Estudos de Po
59. Weatherford 2003 Figura 4 22 Bomba de inje o de gua no fundo do po o Compressor de Ar O g s que adentra o po o da Planta Piloto oriundo de um compressor de ar rotativo de parafuso Figura 4 23 localizado na casa de m quinas Com uma pot ncia de 50 HP vaz o efetiva de 5240 l min e uma press o m xima de trabalho de 12 bar este equipa mento se enquadra perfeitamente nas necessidades do projeto Por m o compressor foi pr ajustado para trabalhar a uma press o de 4 bar que uma press o suficiente e segura para opera o da Planta Piloto Embora esse modelo de compressor tenha sido escolhido por satisfazer as necessi dades do projeto outro fator importante que levou prefer ncia por este equipamento foi a seguran a que ele oferece Durante o seu funcionamento o compressor pode trabalhar em tr s etapas diferentes carga plena carga parcial ou al vio dependendo de valores de press o de trabalho A permuta entre essas tr s fases de trabalho se d devido a utiliza o de pressostatos que s o utilizados para evitar subpress o ou sobrepress o e portanto evitar danos ao processo da Planta Piloto O funcionamento do compressor entre as tr s etapas citadas baseado no manual descrita a seguir Para o compressor trabalhando em carga plena quando a press o sobe atingindo o valor ajustado no pressostato P1 o mesmo desenergizar uma v lvula solen ide VS1 que fechar totalmente a v lvula de admiss
60. a comunica o via cabo al m do conjunto painel solar mais bateria j que alimentado diretamente da rede el trica A seguir ser o descritos cada ins trumento que comp e o ACOS205 da Planta Piloto Sua vers o completa e simplificada est o representadas na Figura 4 9 Figura 4 9 M dulo de aquisi o de dados ACOS205 CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 49 Controlador L gico Program vel CLP Controlador l gico program vel definido pelo International Eletrotechnical Com mission TEC como Sistema eletr nico operando digitalmente para uso em um ambiente industrial que usa uma mem ria program vel para a armazenagem interna de instru es orientadas para o usu rio para implementar fun es espec ficas tais como l gica sequencial tem poriza o contagem e aritm tica para controlar atrav s de entradas e sa das digitais ou anal gicas v rios tipos de m quinas ou processos O controlador program vel e seus perif ricos associados s o projetados para serem facilmente integr veis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas as fun es previstas No sistema desenvolvido o controlador Figura 4 10 monitora 0 status do processo em tempo real da planta atrav s de seis sensores tr s de press o dois de vaz o e um mag n tico Exceto este ltimo que converte uma varia o de fluxo mang tico e gera um pulso el trico que enviado para a entrada digital do CLP os outros conve
61. a 4 1 A primeira delas refere se ao po o propriamente dito e formado por duas tubula es conc ntricas de 20 m de altura devidamente equipadas sobre as quais se localiza a rvore de natal de 1 5 m Por m no caso da Planta Piloto o po o est localizado sobre a superf cie e portanto se fez necess rio o uso de uma estrutura que o sustentasse Com uma arquitetura devidamente favor vel e altura compat vel uma das colunas de sustenta o do reservat rio de gua elevado do CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 40 Figura 4 1 Laborat rio casa de m quinas e sala de controle Centro de Tencnologia da UFRN foi escolhida para esse fim A Figura 4 2 d uma vis o geral de como o po o est estruturado A casa de m quinas Figura 4 3 tem como fun o emular a forma o geol gica de onde os fluidos escoam em dire o ao fundo do po o Os recursos produzidos por esse reservat rio formado por duas fases uma l quida e uma gasosa origin rias de con junto formado por uma bomba d gua mais reservat rio de gua e de um compressor de ar respectivamente O fluido escoado parte separadamente fases separadas da casa de m quinas e chega ao fundo do po o atrav s de duas linhas paralelas sendo cada uma delas instrumentadas com um transmissor de vaz o e uma v lvula de controle de fluxo Durante a etapa de produ o do ciclo do plunger lift a gua e o ar s o produzidos na linha de surg ncia Visando manter um reaproveitament
62. a a instala o de uma v lvula agulha tornando poss vel a troca de pist o quando necess rio e Queima do sensor magn tico de chegada do pist o Solu o Utiliza o de um temporizador implemetado no ladder que inicia a contagem no momento da abertura da v lvula motora e incrementado at um tempo pr definido maior que o tempo m ximo que o pist o levaria para alcan ar a superf cie Portanto quando o sensor falha esse contador o res pons vel pelo fechamento da v lvula S o recomenda es para trabalhos futuros e Realizar testes na planta piloto com diferentes tipos de pist es e Implementar no CLP o controle do ciclo pelo fator de carga em desenvolvimento e Pesquisar e aplicar m todos para calcular a velocidade de queda do pist o suges t es Processamento de imagem em desenvolvimento Sensor magn tico Sensor infravermelho e Adequa o do sensor de vaz o de g s ler menores valores e Adequa o da bomba d gua para uma de maior vaz o e Implanta o do sensor de temperatura trabalhar nas condi es padr o std e Utiliza o de potes de selagem para os sensores de press o Refer ncias Bibliogr ficas Assmann Benno Waldemar 2008 Estudo de Estrat gias de Otimiza o para Po os de Petr leo com Eleva o por Bombeio de Cavidades Progressivas Doutorado em ci ncias Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica e de Computa o UFRN
63. a do pist o at o fundo do po o pode ocorrer de forma bastante lenta prin CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 73 Figura 5 5 Etapa de aumento da press o durante a queda do pist o cipalmente se o l quido estiver sendo carregado no interior da coluna de produ o na etapa de p s fluxo Observou se que este fen meno mais significativo na redu o da velocidade de queda que os efeitos do atrito do pist o com a coluna devido ao arrasto Qualquer objeto que se movimenta num fluido sofre um arrasto for a na dire o do es coamento composta pelas for as de press o e cisalhamento que atuam na superf cie do objeto At o po o ser fechado a vaz o m ssica da entrada do po o passar por completo para a sa da deste Por m quando a v lvula de controle de ciclo fechada essa vaz o deixa de ser produzida e o pist o come a a sua queda Mas de acordo com a curva da queda da vaz o m ssica esse fechamento da v lvula n o foi sentido pelo fundo do po o que ainda continua sofrendo inje o de g s e esse g s com uma certa press o empurra o pist o para cima de maneira a reduzir a velocidade de descida Aos poucos o fundo do po o vai sentido esse fechamento da v lvula de ciclo at praticamente cessar a inje o de g s e o pist o cair at mola amortecedora CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 74 Figura 5 6 Etapa de aumento da press o Figura 5 7 Etapa de p s fluxo todo o c
64. a etapa 2 B AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 121 b Equa es de fechamento As equa es descritas nas etapas anteriores para a vaz o de l quido e g s do reser vat rio Eg a D 12 massa de g s no anular e na coluna de produ o Eq e D 43 velocidade do g s no fundo da coluna de produ o Eq e D 17 velocidade do g s no topo da coluna de produ o Eq e D 46 velocidade do g s na linha de produ o junto ao po o Eq D 47 massa espec fica do g s no fundo e no topo da coluna de produ o Eq e D 49 massa espec fica do g s na linha de produ o junto ao po o e junto ao separador Eq e D 52 permanecem v lidas nessa etapa 1 Massa de g s na linha de produ o A massa de g s na linha de produ o relaciona se com a sua press o m dia pela equa o de estado Mg pd PM R Tsup D 58 Pena Aprod Lprod Z8 pd 2 Velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador A velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador relaciona se com a vaz o m ssica de g s nesse ponto Meson Don j Vesep Aprod D 59 Etapa 3 crescimento de press o build up As principais vari veis necess rias para descrever esta etapa s o mostradas na Figura a Equa es de balan o As equa es descritas na etapa 1 A para o balan o de massa de l quido Eq D 1 perda de carga no anular Eq e perda de carga no liquido no fundo da coluna de AP NDICE D MODE
65. a medi o da vaz o de g s Um ponto importante que deve levar se em considera o durante a realiza o dos testes a compressibilidade do g s que o compressor injeta no po o Sua import ncia se deve ao fato de um volume ocupado por uma certa massa de g s sofrer varia o em decorr ncia de mudan a da temperatura e press o as quais este volume est submetido Essa varia o no volume do g s afeta diretamente a sua massa que passa pelo medidor de vaz o volum trico ou seja a vaz o de g s que passa a mesma entretando o seu CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 67 volume massa dependendo da temperatura e press o se altera Portanto a informa o fornecida pelo transmissor de vaz o volume por unidade de tempo insuficiente para determinar a massa de g s por unidade de tempo Uma poss vel solu o expressar o volume de g s por unidade de tempo em condi es de refer ncia Uma t pica condi o de refer ncia a condi o padr o onde T 293 K P latm e o Z fator de compressibilidade padr o depende do g s A convers o para as condi es de refer ncia feita atrav s da lei do gases equa o 5 1 de acordo com a equa o 5 3 R T Pia 5 1 PM onde P press o V volume m massa molecuar R constante universal dos gases PM peso molecular Considerando que o g s apresenta o mesmo fator de compressibilidade Z tem se pstd E vstd rsd 5 2 qstd pr
66. a modelagem atrav s da elabora o de etapas ainda n o contempladas Adi cionalmente e n o menos importante ser o as contribui es da Planta Piloto do que diz respeito a testes de controladores com capacidade de otimzar a produ o de leo junta mente com simuladores e avalia o da produ o para uma diversidade de pist es visto que para esta ltima principalmente a paralisa o da opera o po os para realizar esses testes acarreta em redu o da produ o reduzindo o retorno financeiro Cap tulo 3 O Sistema Plunger Lift No per odo inicial de produ o do po o de petr leo em quase na totalidade dos ca sos O reservat rio possui a press o interna necess ria para superar as perdas de carga gerada na rocha reservat rio na coluna de produ o e nas instala es de superf cie ca racterizando com isto a etapa de surg ncia Patricio 1996 Por m no decorrer de sua vida produtiva onde as caracter sticas do reservat rio se alteram de forma que esse n o apresenta mais condi es naturais para fornecer vaz es de leo ou nos casos em que o reservat rio n o possui originalmente a carcater stica de surg ncia algum tipo de eleva o artificial dever ser implantado O m todo de eleva o selecionado tendo em conta as caracter sticas do fluido produzido e principalmente as vaz es esperadas de leo g s e gua Patricio 1996 Dentre os m todos dispon veis o plunger lift se
67. a otimiza o da produ o Braganza et al 2001 estudaram poss veis fatores que poderiam influenciar essa velocidade Conclu ram o trabalho apresentando as seguintes considera es gases com diferentes densidades n o tem influ ncia consider vel na velocidade de queda e irrelevante quando o po o apre senta uma alta RGL o aumento do peso do pist o reduz a velocidade de queda entretanto esse aumento de massa dificultaria o seu processo de subida por fim conclu ram que a redu o da rea frontal do pist o n o sin nimo de redu o no tempo de queda Em seu trabalho Rowlan et al 2003 apresentou uma solu o cujo princ pio baseado na aquisi o de sinais ac sticos durante a queda do pist o A utiliza o de instrumentos sensores ac sticos em po os de plunger lift possibilitou a aquisi o e grava o de uma s rie desses sons Essa t cnica levou ao desenvolvimento de dois diferentes sistemas respons veis pelo monitoramento destes sinais intitulados de monitoramento ativo e monitoramento passivo Na primeira forma um injetor de g s com um gerador de pulso de press o e um microfone com sensibilidade elevada eram acoplados coluna de pro du o na superf cie Durante a queda do pist o os pulsos gerados em intervalos de tempo peri dicos eram refletidos no pist o e chegavam at o microfone na superf cie Deste modo a queda do pist o era monitorada desde o come o at o final da etapa de aumento d
68. a press o No monitoramento passivo apenas um microfone com sensibilidade alta era acoplado ao po o na superf cie Durante a queda do pist o quando este passava pelas luvas que unem as partes da coluna de produ o pulsos ac sticos eram gerados CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 14 Estes pulsos viajavam atrav s do g s na coluna de produ o e eram detectado pelo micro fone na superf cie A sensibilidade do microfone era tamanha em ambos os sistemas que era poss vel detectar o pulso gerado quando o pist o alcan ava a coluna de l quido e at mesmo o pulso gerado quado ele chegava o fundo do po o Na conclus o de seu trabalho Rowlan et al 2003 desenvolveram um estudo de caso obtendo atrav s do sistema ac s tico informa es de ensaios realizado em v rios po os com diferentes pist es Diante desses dados pode correlacionar as diversas caracter sticas de constru es de diversos tipos de pist es com a suas velocidade de queda Mais tarde em 2006 Rowlan et al 2006 apresentou um sistema de monitoramento port til baseado no sistema passivo que desempenhava as mesmas atividades do sistema descrito acima 2 2 Modelos Est ticos Foss e Gaul 1965 obtiveram um conjunto de gr ficos baseados numa combina o de an lise te rica trabalho experimental e observa es no Campo Ventura Avenue da Companhia Shell na Calif rnia EUA Foi investigado o balan o de for as sobre o pist o sem a contribui o do reservat ri
69. amento da planta emuladora de po os de petr leo operando com o m todo de eleva o plunger lift A possibilidade de se gerar diversas condi es de produ o isto diferentes valores de RGL contribuiu na realiza o de diversos ensaios A an lise dos resultados desses ensaios mostraram que o sistema capaz de gerar dados que condizem com o comportamento de po os de petr leo pro duzindo com esse m todo A utiliza o do trecho de 4m em acr lico transparente no po o da planta piloto possi bilitou a visualiza o do comportamento de dois fen menos importantes do plunger lift subida do pist o e descida dele at o fundo do po o e separa o do g s no fundo do po o Deste modo pode se analisar para as diversas experi ncias realizadas os valores das RGLs que permitiam o armazenamento ou n o de l quido no revestimento durante a etapa de aumento da press o Dentre elas est a RGL m nima necess ria para que ocorra o armazenamento de apenas g s no espa o anular sugerida por Baruzzi 1994 Esse um dos fatores necess rios para que se obtenha a condi o ideal de funcionamento do plunger lift Foram apresentadas e aplicadas na planta piloto as seguintes t cnicas normalmente utilizadas para controle de po os operando com plunger lift e Controle por Temporiza o e Controle pela Press o no Revestimento Foi desenvolvido um ambiente supervis rio atrav s do qual poss vel adquirir e mo nitorar os s
70. ans o do g s eleva a gol fada de l quido que se acumulou na coluna de produ o Por m quanto maior a veloci dade relativa dessa bolha de g s maior a sua penetra o na coluna de l quido devido ao fato do g s viajar mais r pido do que o l quido Isso associado perda de l quido na forma de uma fina camada em decorr ncia do atrito deste com a parede do tubo au menta consideravelmente a perda de massa da coluna de l quido que ser produzida Por essa raz o parte do g s injetado tende a alcan ar a superf cie antes da coluna de l quido Morrow e Hearn 2007 Fatores como profundidade do po o di metro da coluna de produ o e viscosidade do l quido agravam o problema de retorno de l quido De acordo com Morrow e Hearn 2007 em alguns casos o retorno de l quido pode chegar a 10 da coluna de l quido a cada 300 metros de profundidade A instala o de uma interface mec nica entre o g s injetado e o l quido produzido reduz essa perda de massa de l quido da golfada no seu caminho at a superf cie em at 100 nesses po os 3 3 Tipos de Plunger Lift Existem basicamente cinco tipos de plunger Lift o convencional o com packer o assistido o de dois est gios e o com c mara refor ada e O plunger lift convencional Forma mais b sica do plunger lift essa configura o se caracteriza por utilizar ape nas a energia do pr prio reservat rio para eleva o do pist o juntamente com a coluna de l qui
71. anular na cabe a do po o e na linha de surg ncia Os tr s sensores a 2 fios encontram se instalados na parte inferior do m dulo ACOS205 do qual tamb m faz parte o CLP 14 Nesse modelo de sensor a press o medida por meio de um transdutor piezoresistivo que converte a for a exercida pelo flu do sobre o diafragma em um sinal diretamente proporcional sua intensidade e que ent o enviado a um circuito eletr nico Um sinal de corrente de 4 20 mA proporcional ao valor da press o gerado pelo circuito e enviado para a entrada anal gica do CLP Figura 4 14 Transmissores de press o localizados na base dos ACOS205 Transmissores a 2 fios utilizam os mesmos condutores que os alimentam para enviar o sinal ao painel ou sistema de controle CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 52 Medidor de Vaz o Volum trico Medidor de Vaz o tipo Magn tico Este sensor respons vel pela medi o da vaz o volum trica de gua que entra no fundo do po o Ele apresenta baixa perda de carga por n o possuir partes m veis ou qualquer tipo de obstru o Sua leitura n o afetada por mudan as na press o tempe ratura ou viscosidade aumentando portanto a sua precis o O princ pio de opera o do medidor est baseado na lei de Faraday que estabelece quando um condutor se move em um campo magn tico na dire o perpendicular ao campo uma for a eletromotriz induzida perpendicularmente dire o do movimento do condutor
72. ase do pist o menos a perda de press o no pist o menos a perda de press o por gravidade e atrito na golfada menos a perda pela acelera o da massa do pist o e da golfada Prog E CH APpig Pi 8 Luet Pi fsigt Lotgt Neier vstg Moplg L Pela D 27 2 Doe Pi sl gt T Ate As gt onde Lsigr comprimento da golfada na coluna de produ o m sigt fator m dio de atrito de Darcy Weisbach da golfada na coluna de produ o Vsigt Velocidade da golfada na coluna de produ o m s sig acelera o da golfada na coluna de produ o m s e a perda de press o no pist o calculada como na Eq 2 Perda de carga na golfada de l quido na linha de produ o A partir dessa etapa considera se sempre a presen a de 3 curvas entre a coluna e a linha de produ o pois as velocidades envolvidas s o grandes devido forte acelera o dos fluidos nessa etapa A perda de press o nas curvas localizada em conex es calculada assumindo que o di metro interno das conex es igual ao di metro interno da coluna de produ o A press o a jusante da golfada na linha de produ o igual press o no topo da coluna de produ o menos a perda de press o nas curvas menos as perdas de press o por atrito e acelera o da golfada PeproB Piber L5S prVsig vsige Di Ssigp Lsigp Halen Vstgp 2 D prod Pi Lsigp Glen D 28 onde AP NDICE D MODELAGEM MEC N
73. bilidade fabricado com o padr o API fishneck o que facilita a pesca do mesmo quando necess rio AP NDICE C DESCRI O DOS EQUIPAMENTOS 94 Tabela C 3 Pist o Caracter sticas T cnicas Pist o Di metro externo do tubing 2 3 8 Di metro externo do pist o 47 4 x 51 6 mm Di metro externo do fishneck 1 3 8 e V lvula de controle FISHER As v lvulas EZ Figura e s o de estilo de globo com liga es finais integral guias de poste e internos de troca r pida Estas v lvulas s o utilizadas em aplica es de processamento qu mico ou de hidro carbonetos ou em aplica es que requerem um controle de l quidos n o lubrifi cantes viscosos ou outros l quidos dif ceis de manusear Utiliza um posicionador de v lvula eletropneum tico Tabela C 4 V lvula de controle FISHER Caracter sticas T cnicas V lvula de Esfera Press o Nominal 435 PSI Conex o de Extremidades Acoplamento Flange 1 Caracter stica de Fluxo Porcentagem igual abertura r pida linear Classe de Press o 250 de acordo com a ASME B 16 4 Peso 11Kg CV 4 91 ar e 1 07 gua e Transmissores de press o Sob press o um cristal piezoel trico gera um campo el trico que cria um potencial el trico entre dois eletrodos que pode ser medido com um circuito Feito com a o inoxid vel a o Inoxid vel AISI 304 e a prova de explos o A2X Figura 4 14 Tabela C 5 Transmissor de press o Caracter sticas T
74. calcular a press o necess ria para elevar a coluna de l quido acumulada CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 16 Po os de g s acomplando o reservat rio e equipados com plunger lift para a remo o de l quidos foram testados e indicaram que tempos espec ficos para produ o de g s com o pist o na superf cie n o afeta drasticamente a taxa m dia de produ o por ciclo Gasbarri e Wiggins 2001 utilizaram o mesmo modelo aprsentado por Wiggins et al 1999 e implementaram um simulador escrito em FORTRAN em que era necess rio es timar valores iniciais aproximados para a press o de fluxo no fundo do po o e do tamanho da golfada de l quido para come ar a an lise a partir do per odo de build up Os valores da press o de fluxo no fundo do po o e da coluna de l quido no final do per odo de aumento da press o serviam de condi es iniciais para a fase de subida do pist o Terminada a etapa de subida do pist o com o pist o na superf cie o tempo de produ o de g s con tinuaria at um certo tempo ou quando a press o na cabe a do po o atingisse um valor m nimo reiniciando todo o processo com os par metros de build up sendo aqueles do fim do per odo de produ o de g s Diferiram a modelagem da etapa de subida do pist o de trabalhos publicados anteri ormente basicamente em dois aspectos e Neste modelo a press o no topo da golfada n o depende somente da gravidade mas tamb m leva em considera o as perdas
75. correia ou algum ind cio que possa trazer problemas quando for iniciado o funcionamento do equipamento Colocar o compressor em funcionamento e checar os itens abaixo a Temperatura de trabalho entre 80 C e 95 C acima de 115 C o compressor desliga por interm dio de um termostato b Restri o do filtro de leo de at 1 8 barg 27 psig Acima disso deve ser substi tu do Abrir lentamente a v lvula de alimenta o do sistema presente na linha de sa da do compressor dentro da sala Abrir lentamente a v lvula manual a montante da v lvula reguladora de press o para a alimenta o das v lvulas de controle e observar se o man metro desse ins trumento est marcando 4 bar Executar o supervis rio da planta que se encontra no mesmo computador onde ocorre a programa o do CLP e realizar as seguintes configura es AP NDICE A MANUAL DE FUNCIONAMENTO DA PLANTA 87 a Quanto s estrat gias de controle do ciclo de produ o i Se por tempo ii Se por press o iii Se por fator de carga b Quanto abertura das v lvulas de controle de fluxo dos fluidos ar e gua i Se utilizando controladores PIDs vaz o constante e ajuste dos ganhos dos PIDs ii Se utilizando valores fixos de abertura 0 100 vaz o vari vel c Quanto ao p s fluxo afterflow i Se n o manter o valor do referido campo em zero ii Se sim colocar um valor diferente de zero no campo especificado indicanto
76. da abertura do po o pois na maioria dos casos esse valores garantem a eleva o do pist o superf cie Lea et al 2008 Assim um controlador pode ser programado para monitorar as tr s press es envolvidas no c lculo do fator de carga e abrir a v lvula de controle de ciclo quando a condi o pr estabelecida for atendida Lea et al 2009 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 38 A manuten o da velocidade de chegada do pist o dentro da janela de tempo que garante a estabilidade do processo produtivo feita da seguinte maneira quando o pist o chega com uma velociade superior ao limite previamente estabelecido o fator de carga incrementado Se por outro lado observado que o pist o chegou com uma velocidade aqu m da prevista ou at mesmo n o chegou superf cie a a o inversa implementada Pois assim como nos outros dois modos de controle o fator de carga controlado pela varia o do tempo de p s fluxo e do tempo de aumento da press o Ou seja o aumento do tempo de p s fluxo resulta em um aumento do volume de l quido de que acumula na fundo do po o e portanto na redu o da velocidade de subida do pist o para o pr ximo ciclo Lea et al 2009 3 6 Modelagem Mec nica O trabalho desenvolvido por Baruzzi 1994 em sua disserta o de mestrado foi pi oneiro tornando poss vel o desenvolvimento de um simulador de plunger lift Como o pr prio Baruzzi 1994 menciona em seu texto trata se de u
77. da coluna de produ o n o considera a passagem de g s pelo l quido no anular e Subida Ascen o do g s caracterizada pela penetra o de g s no l quido abaixo do pist o na forma de bolha de Taylor at atingir o pist o Consi dera o fallback na forma de filme de l quido devido a passagem da bolha de Taylor e Golfada na coluna de produ o considera o fallback como fun o da veloci dade relativa entre o pist o e a coluna de l quido e Produ o da golfada parte da golfada produzida na linha de produ o au mento da valocidade do pist o e do restante da coluna de l quido O est gio 1 termina com o fechamento da motor valve logo que o pist o chega ao lubrificador dando in cio ao est gio 2 2 Queda Descida do pist o o pist o desce aceleradamente at atingir uma velocidade de queda constante l quido resultade do fallback durante o est gio 1 escoa pela parede do tubo de produ o e se acumula no fundo do po o e contribui para o pr ximo ciclo Neste est gio considere se tamb m o fluxo de fluido para o po o desde que a press o no reservat rio seja maior que a press o de fluxo no fundo Este est gio termina quando o pist o chega ao conjunto de molas para amortecimento localizado no fundo do po o dando in cio ao pr ximo est gio CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 18 3 Aumento da press o build up g s e l quido se deslocam do reservat rio para o fundo do po o o l quido para aumentar o v
78. de em que o l quido est sendo produzindo na linha de surg ncia e Tubing coluna de produ o e Tubing stop seating nipple pe a feita com material especializado uso em ambi ente corrosivos localizada no fundo do po o para garantir a sua sustenta o tam b m chamada de batedor
79. delagem matem tica O modelo implementado incorpora ainda como parte da simula o din mica dados experimentais CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 17 de subida do pist o que fornece a velocidade instant nea de subida do pist o bem como a passagem instant nea de l quido pelo pist o de maneira que esse retorno de l quido pode ser estimado ao inv s de assumido Compararam o modelo proposto com dados de um po o de gas lift intermintente com pist o na Venezuela e os resultados obtidos foram bastante satisfat rios com diferen as entre os valores medidos e os simulados menor do que 5 nos quesitos produ o de leo consumo total e tempo total de produ o Marcano e Chac n 1992 apresentaram um modelo do plunger lift convencional que leva em considera o os est gios relevantes do ciclo de produ o estimativa do fallback e a influ ncia do reservat rio O ciclo de produ o foi dividido em tr s est gios subida do pist o descida do pist o e aumento da press o 1 Subida do pist o tem in cio quando a v lvula motora aberta e se caracteriza pela subida da golfada e o pist o Considera a entrada de fluidos no fundo do po o desde que a press o de fluxo no fundo seja menor que a press o do reservat rio Esse est gio foi dividido em quatro subest gios e Inje o de g s pelo anular se caracteriza principalmente pelo fluxo descen dente de l quido e g s no anular at o g s atingir a extremidade
80. destaca por apre sentar um menor investimento inicial e um baixo custo operacional em rela o aos outros m todos Este cap tulo apresenta uma vis o geral sobre o m todo de eleva o por plunger lift e est assim organizado Primeiro se faz uma descri o do m todo apresentando vantagens e desvantagens suas aplica es os tipos de estrutura existentes e os componentes que o comp e A seguir apresentado o seu princ pio de funcionamento as estrat gias de controle e por fim a modelagem mec nica que deu origem ao simulador 3 1 Descri o O m todo de eleva o artificial por plunger lift Figura 3 1 se caracteriza pelo uso de um pist o ou plunger que se desloca ciclicamente para cima e para baixo no interior da coluna de produ o Esse pist o age como uma interface mec nica entre o l quido e o g s produzidos Lea 1982 e utiliza a energia liberada pela expans o deste ltimo para o seu movimento de subida A sua utiliza o promove um aumento na efici ncia da eleva o de l quido pois reduz acentuadamente o retorno do mesmo atrav s do g s CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 21 fen meno este conhecido como escorregamento de l quido ou fallback A ocorr ncia desse fato indesej vel pois al m de representar uma perda de volume da coluna de l quido que se eleva esse liquido que retorna aumenta a press o de fluxo no fundo do po o reduzindo a sua produ o Wiggins et al 1999 Al m de red
81. do Po os que possuem uma alta RGL s o fortes candidatos a uti lizar essa alternativa A Figura 3 2 retrata a estrutura do plunger lift convencional e O plunger lift com packer Tipo pouco frequente de instala o Seu uso geralmente limitado a po os de g s para remo o de l quido acumulado no fundo o po o Ao se abrir a linha de produ o a subida do pist o se d pela expans o do g s proveniente do reservat rio A Figura 3 3Jretrata a estrutura do plunger lift com packer CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT Figura 3 2 Plunger lift convencional 25 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT Figura 3 3 Plunger lift com packer 26 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 21 e O plunger lift assistido Detectado que o plunger lift convencional j n o apresenta mais um rendimento ou ndice de produtividade satisfat rio ou po os que inicialmente n o aprensentam a RGL m nima necess ria para que se possa empregar o plunger lift convencional desde que comprovada a maximiza o do retorno financeiro g s natural pode ser injetado no revestimento Esse g s deve ser injetado no espa o anular a uma press o que associada press o do g s oriundo da forma o forne a a enegia necess ria para o deslocamento do pist o mais a golfada at a superf cie A esta configura o d se o nome de plunger lift assistido conforme apresentada na Figura 3 4 Figura 3 4 Plunger lift assistido CAP TULO 3
82. do a forma o ao fundo do po o Para isso o sensor es de vaz o envia m o s sinal is de corrente de 4 20 mA referente medi o para o CLP que o recebe e compara com o valor de set point pr definido Em seguida o CLP gera e envia um sinal anal gico de sa da tamb m 4 20 mA para atuar na CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 55 v lvula de controle Uma v lvula de controle composta basicamente por tr s partes principais corpo atuador e castelo O corpo tamb m conhecido como carca a a parte da v lvula que ligada tubula o e que cont m orif cio vari vel de passagem do fluido Ribeiro 1999 Por estar em contato direto com o fluido o material interior do corpo deve ser adequado s caracter sticas de abras o e corros o do fluido O castelo conecta o corpo da v lvula ao atuador e completa o fechamento do corpo O atuador o componente da v lvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da v lvula Ribeiro 1999 Como as v lvulas do projeto utilizam atuador penum tico a diafragma e o sinal de con trole enviado pelo controlador um sinal de corrente se fez necess rio integrar v lvula um acess rio que converte o sinal de corrente de 4 20 mA em sinal de press o de 3 15 psi Outra caracter stica importante das v lvulas que o movimento de abertura e fechamento de ambas s o de deslocamento linear Portanto o atuador pneum tico recebe o sinal pneum tico do conversor el
83. do escoamento de l quido na linha de produ o Considerando do momento de abertura da linha de produ o a press o no revestimento continua reduzindo refletindo a passagem de ar para a coluna de produ o Quando o pist o chega superf cie dando in cio etapada de p s fluxo a press o no anular e na coluna de produ o reduzem continuamente at que a golfada chegue ao separador Logo ap s o in cio da produ o no separador ainda na etapa de produ o de g s ocorre uma queda acentuada da press o na coluna de produ o enquanto que a press o no revestimento continua reduzindo at ficar praticamente constante Com o fechamento da v lvula de ciclo as press es no revestimento e na coluna de produ o come am a crescer continuamente at o in cio de um novo ciclo com a reabertura da v lvula 5 5 1 Compara o com resultados da planta A compara o dos resultados obtidos com testes na planta e com o simula o foi satisfat ria mostrando uma semelhan a consider vel no comportamento das press es no anular e na coluna de produ o No momento de abertura da linha de produ o o po o e o modelo apresentam prati camente os mesmos valores na despressuriza o do revestimento aproximadamente 12 psi exceto para o teste de controle por tempo considerando os ciclos que ocorrem a partir do instante 750 s pois estes apresentam comportamento inesperado Considerando a despressuriza o na coluna de produ o
84. dos tem se menos ocorr ncia de vaz o nula Figura 5 4 Isso se deve ao fato de a abertura da v lvula estar 1 a mais no teste por tempo 5 4 Discuss es Foram feitas algumas imagens na tentativa de mostrar fases do ciclo do plunger lift aumento da press o subida e descida do pist o passagem de l quido pelo pist o p s fluxo A Figura 5 5 exibe o ac mulo de l quido no fundo do po o durante o a etapa de aumento da press o no momento em que a motor valve fechada Percebe se que praticamente todo o l quido produzido passado para a coluna de produ o Por m algum l quido come a a migrar para o revestimento Isso se deve s constantes modifica es de RGL em fun o das varia es da vaz o de ar O momento em que o pist o j se Embora o sensor apresente um valor zero de vaz o o ar continua sendo injetado no fundo do po o exceto quando o teste encerrado Esse valor nulo de vaz o se deve muitas vezes ao limite de vaz o m nimo do sensor n o ter sido alcan ado CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 71 PR EA dm DE 0 0 eg e P Fe Ge 0 19 REC telen geg gt Figura 5 3 Comportamento das press es para um tempo de controle de ciclo de 90 e 60 segundos e 10 segundos de p s fluxo controle por tempo encontra no fundo do po o com l quido acumulado no espa o anular retratado na Figura Al m das insconst ncias nos valores de RGL o pist o outro fator que dificulta o desloca
85. e R To gwn D 43 Lo mg Pond A prod i Hprod Lena SE R Tsup D 44 onde Poa press o m dia do g s na linha de produ o entre o po o e a golfada Pa Zgpa fator de compressibilidade m dio do g s na linha de produ o entre o po o e a golfada 2 Velocidade do g s no topo da coluna de produ o A velocidade do g s no topo da coluna de produ o relaciona se com a vaz o m s sica de g s nesse ponto Menor Peer Veiber Aus D 45 onde Mer Vaz o m ssica de gas no topo da coluna de produ o kg s A vaz o m ssica de g s no topo da coluna obtido por um balan o de massa de g s no volume de controle constitu do pela coluna de produ o d imgawn dt MedwnB S i MetbgT D 46 3 Velocidade do g s na linha e produ o junto ao po o A velocidade do g s na linha de produ o junto ao po o relaciona se com a veloci dade do g s no topo da coluna de produ o pela equa o da continuidade Peer Atbg D 47 v y amp pdB 8tbgT Da Aprod AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 117 onde Pgpas Massa espec fica do g s na linha de produ o junto ao po o kg m 4 Velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador A velocidade do g s junto ao separador aproximada fazendo se a vaz o m ssica nesse ponto igual vaz o m ssica do g s a montante junto golfada p PeupB D 48 onde PeupB massa espec fica do g s na linha de prod
86. e o sistema SCADA Segundo Daneels e Salter 1999 um sistema supervis rio em um ambiente industrial automatizado formado basicamente por 4 elementos processo f sico software de super vis o hardware de controle e rede de comunica o Como a Planta Piloto foi concebida para emular um po o de petr leo atrav s do m todo de eleva o artificial por plunger lift o processo f sico em quest o portanto a produ o de petr leo de um po o CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 63 Figura 4 27 Arquitetura da Planta Piloto A esta o de supervis o tamb m conhecida como IHM ou Interface Humano M quina apresenta os dados do processo ao operador e atrav s dela este monitora e controla o processo composta pelo software de supervis o e microcomputador O aplicativo de supervis o utilizado foi desenvolvido pela equipe do projeto na linguagem C no ambi ente de desenvolvimento C Builder da CodeGear Sua fun o acessar os dispositivos a fim de obter acesso aos dados do processo Como n o se trata de uma planta complexa a interface gr fica com o usu rio 4 28 possui uma nica tela onde poss vel visualizar os seguinte componentes e Bot es o supervis rio composto por quatro bot es com as seguintes fun es AbrirMV abre a v lvula de ciclo independentemente da estrat gia de controle utilizada Ler vari veis ler os valores das vari veis armazenada na mem ria do CLP Salvar dados hab
87. ens vel vaz o um rotor com um sistema de palhetas fixas suspenso livremente sobre um eixo horizontal no sentido do fluxo do fluido o qual incide diretamente sobre as palhetas do rotor A velocidade deste rotor proporcional velocidade de deslocamento do fluido no processo Um sensor pick up magn tico acoplado ao corpo do medidor e sem contato com o fluido tem seu campo magn tico alterado a cada passagem de uma das p s do rotor gerando um pulso el trico que amplificado e processado na forma de pulsos A frequ ncia ou a repeti o dos pulsos representa o valor de vaz o instant nea e a totaliza o dos pulsos acumulados representa o volume total medido Nesse caso necess rio configurar a entrada digital do CLP para que o sinal enviado pelo sensor seja processado No entanto a utiliza o do indicador de vaz o permite que essa etapa de configura o da entrada digital do CLP seja evitada pois como mencionado anteriormente o indicador de vaz o tem a habilidade de converter sinal na forma de trem de pulsos em sinal de corrente de 4 20 mA Da mesma forma que ocorreu com o medidor de vaz o magn tico o sinal enviado pelo medidor de turbina filtrado e processado pelo CLP para gerar a a o de controle que ser enviada via sinal de corrente v lvula de controle para o controle de fluxo de ar Figura 4 16 Medidor de vaz o tipo turbina com transmissor de sinal CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 54 Indicado
88. entifica o das vari veis da etapa 3 AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 124 2 Tempo de queda do pist o da superf cie extremidade da coluna O tempo de queda do pist o pode ser estimado pela velocidade m dia de queda do mesmo no g s e no l quido se Leauda Hopup Hopup lanig Vagas Varia D 63 onde Lu tempo gasto pelo pist o para ir da superf cie extremidade da coluna s Vagas Velocidade m dia de queda do pist o atrav s do g s m s Varig Velocidade m dia de queda do pist o atrav s do l quido m s Ap ndice E Gloss rio de Termos em Ingl s e Afterflow ou blowdown per odo de produ o de g s ap s a chegada do pist o superf cie e Bottom hole bumper spring mola localizada no fundo do po o com o prop sito de absorver o impacto de chegada do pist o e Build up etapa de aumento da press o durante o fechamento da v lvula de controle de ciclo e By pass caminho alternativo por onde se pode fazer fluir um l quido por exemplo alternativamente a um caminho principal e Catcher v lvula localizada no lubrificador que segura o pist o quando este chegar superf cie para sua remo o e Fallback escorregamento de l quido na coluna de produ o e Motor valve v lvula de controle do ciclo do plunger lift e Open time etapa em que a v lvula de controle de ciclo se abre dando in cio subida do pist o e Plunger pist o e Producing etapa
89. ervat rio durante todos os per odos que comp em o ciclo McCoy et al 2003 A Figura 3 8 retrata essa etapa do ciclo CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 31 LE a Figura 3 8 Primeira etapa do ciclo Aumento da press o Ap s um per odo de tempo pr estabelecido desde o in cio de aumento da press o ou quando a press o na cabe a do po o e no espa o anular na superf cie chegarem a um valor adequado a motor valve aberta e a etapa de subida do pist o se inicia Figura 3 9 O g s acima da coluna de l quido se expande criando um diferencial de press o no pist o que inicia a sua subida juntamente com a coluna de l quido acumulada O g s armazenado no espa o anular se expande e juntamente com a press o propagada pela expans o do g s do reservat rio fornecem a energia necess ria para elevar o pist o e a golfada de l quido at superf cie Quando o pist o se aproxima da superf cie a golfada de l quido ent o produzida conforme mostrado na Figura 3 10 Depois de toda a golfada ser produzida o pist o chega CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 32 Figura 3 9 Subida do pist o e produ o l quido superf cie e se mant m l devido press o decorrente da expans o do g s que o levou at superf cie Ap s o pist o chegar superf cie a v lvula de controle de ciclo em alguns casos mantida aberta por um per odo de tempo pr estabelecido para que ocorra a produ o de g
90. es para a realiza o deste trabalho Resumo Este trabalho se prop e a descrever uma Planta Piloto para po os de petr leo equipa dos com eleva o artificial do tipo plunger lift Al m de um tamanho reduzido 21 5 me tros e estar sobre a superf cie o po o da planta possui parte de sua estrutura em acr lico transparente permitindo a f cil visualiza o de fen menos inerentes ao m todo A forma o rochosa donde o po o da Planta Piloto extrai seus fluidos gua e ar simulada por uma casa de m quinas onde est o localizados o compressor e a bomba centr fuga respons veis pela produ o de ar e gua Para manter as vaz es desses fluidos com valores conhecidos e controlados as linhas que conectam a casa de m quina ao fundo do po o s o equipadas com sensores de vaz o e v lvulas desenvolvido um sistema supervis rio que permite ao usu rio uma monitora o em tempo real das press es e vaz es envolvidas no processo A partir do supervis rio poss vel ainda o usu rio escolher a forma como ser o controlados os ciclos do processo se por tempo por press o ou manualmente e definir os valores de vaz o de ar a gua utilizados durantes os ciclos Esses valores podem ser definidos a partir de um set point ou a partir da porcentagem de abertura das v lvulas S o apresentados resultados de testes realizados na planta utilizando as formas de controle mais usuais por tempo e por press o no revestimento Por fim
91. gura operando com vaz es de at 0 8 m3 h e press o m xima de descarga de 5 kgf em As bombas de deslocamento positivo s o indicadas em casos onde se faz neces ria uma vaz o constante indepentende da varia o da carga sobre a bomba A sua descarga proporcional velocidade do propulsor da bomba Nas bom bas helicoidais o elemento b sico um rotor de a o na forma de um helicoidal comum e de sec o circular que gira dentro de um estator geralmente fabricado em elast mero vulcanizado numa carca a externa met lica e na forma de uma cavidade helicoidal dupla e com o dobro do passo do rotor Weatherford 2003 Em raz o da geometria do rotor e do estator s o formadas cavidades vedadas entre o bocal de suc o e o de press o A rota o do rotor causa abertura e fechamento destas cavidades alternadamente numa progress o ininterrupta ao longo do estator fazendo com que o l quido seja deslocado continuamente da suc o para a descarga da bomba Weatherford 2003 A vaz o deste tipo de bomba est diretamente relacionada com a rota o do seu eixo ou seja o aumento ou diminui o da vaz o provocado pelo aumento ou diminui o da rota o O aumento do n mero de CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 58 est gios da bomba n o altera a vaz o da mesma por m os limites da press o sofrem al tera o com esse aumento Portando a vaz o est relacionada com a rota o da bomba e a press o com o seu n mero de est gios
92. ift o retorno de l quido para o fundo do po o Devido a sua alta velocidade o g s tende a passar atrav s da coluna de l quido deixando a para tr s Essa inefici ncia faz com que esse l quido retornado se acumule do fundo do po o e n o seja produzido na superf cie Como forma de melhorar a efici ncia do cham ber lift foi adicionado um pist o que al m de aumentar a produtividade de l quido reduz drasticamente o retorno deste em dire o ao fundo do po o Essa modifica o causada pela adi o do pist o caracateriza um outro m todo de eleva o con hecido como Plunger Enhanced Chamber Lift plunger lift com c mara refor ada ou PECL7M da PCS Mais detalhes sobre esse modo de eleva o pode ser encon trado em E Beauregard 2007 Semmes EE fm GR ene SS Li ger Figura 3 6 Plunger Enhanced Chamber Lift ou PECL Fonte E Beauregard 2007 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 30 3 4 Descri o do Ciclo do Plunger Lift O sistema plunger lift relativamente simples e requer poucos componentes Lea et al 2008 Uma instala o de po os com plunger lift constituida de equipamentos para cabe a do po o superf cie e para o fundo o po o sub suberf cie A descri o mais detalhada de cada componente ser feita no cap tulo 4 juntamente com os equipamentos que comp e a Planta Piloto O ciclo do plunger lift pode ser dividido em 3 diferentes etapas aumento da press o build up subida do
93. ilita o processo de armazenagem das vari veis em arquivo Sair Fecha o supervis rio e Controle seleciona o tipo de estrat gia de controle para os ciclos Ap s sele cionado d se um duplo clique no respectivo campo de escrita passando este da cor verde para a cor vermelha o que indica que o campo est habilitado para escrita Assim o usu rio digita o valor desejado e em seguida tecla enter fazendo com que a informa o seja enviada ao CLP e o campo volte cor verde Ainda no componente controle existe um CheckBox com o nome PID Autom tico Esse componente ser descrito em detalhes no tem PIDs e SP Abertura e After Flow indica o tempo em segundos que a v lvula de ciclo permanece aberta ap s a chegada do pist o O valor digitado no respectivo campo diz o tempo em CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 64 que a v lvula permanece aberta Caso o valor seja zero o CLP interpreta que n o haver produ o de g s O procedimento para definir esse tempo o mesmo expli cado para definir os valores dos par metros na sess o Controle e PIDs conjunto de campos utilizados para alterar os valores dos ganhos dos con troladores PIDs utilizados no controle das v lvulas de controle de fluxo de ar e gua Quando o CheckBox com o nome PID Autom tico localizado na sess o Controle est marcado esses campos passam a ficar habilitados O procedimento para modifica o desses par metros
94. inais do sistema ajustar o controle das vaz es dos fluidos e escolher a t cnica de controle do ciclo em tempo de execu o O supervis rio ainda permite salvar em arquivo os dados das vari veis envolvidas no processo possibilitando estudos off line do comportamento do m todo Artigo aceito para publica o no 21 Congresso Brasileiro de Engenharia Mec nica CAP TULO 6 CONCLUS ES E RECOMENDA ES 79 Embora seja um projeto que proporcione uma gama de diferentes condi es opera cionais a planta piloto possui algumas limita es que dependendo do andamento do projeto podem ser superadas S o elas e Em virtude da elevada vaz o de ar fornecida pelo compressor a v lvula que con trola o fluxo desse fluido deve atuar com pequenos valores da sua capacidade de abertura Ou seja valores de abertura entre 1 e 5 j fornecem vaz es que garan tem elevados valores de RGL mesmo utilizando a vaz o m xima alcan ada pela bomba d agua e Foi constatado durante a fase de testes que a vaz o m xima fornecida pela bomba 19 2 m dia se encontrava aqu m daquela esperada para o prop sito da planta piloto Isso se refletiu na quantidade e qualidade de valores de RGL que puderam ser testadas e Apesar de o compressor fornecer ao po o uma vaz o de ar muito al m do necess rio apesar de n o constante para a realiza o dos ensaios alguns valores de vaz o referentes as aberturas de 1 e 2 que s o considerados valore
95. itivos sensores que a ele est o associados Esses valores que podem ser de natureza anal gia ou digital ser o utilizados para realizar c lculos ou a es de con trole e atualizar sa das que assim como as entradas podem ser anal gicas ou digitais Por se tratar de uma unidade microprocessada o CLP atua diretamente no controle do processo depois de devidamente programado sem o aux lio de uma esta o supervi sora Como este CLP possui uma IHM teclado display possivel monitorar o com CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 65 H T a _ E ZE a W I z nie SS E a a f zc i i i bia tume a 1 e mm e a a ee e Figura 4 28 Tela de supervis o da Planta Piloto portamento das vari veis press es vaz es abertura das v lvulas estado do sensor de chegada do pist o etc envolvidas no processo bem como alterar valores de set points caso necess rio A rede de comunica o respons vel pelo tr fego de informa es e utilizada pelo software de supervis o durante aquisi o dos dados do processo Souza et al 2006 Como utiliza uma topologia monol tica a comunica o bidirecional full duplex en tre o CLP e a esta o de supervis o Levando em considera o os requisitos do sistema como volume de informa es que trafegam durante a execu o do processo e tempo de resposta dos controladores
96. lls Soci ety of Petroleum Engineers SPE 21290 81 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 82 Daneels A e W Salter 1999 What is scada International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems pp 339 343 E Beauregard P Lee Ferguson 2007 Plunger enhanced chamber lift Technical report Ferguson Beauregard http www fergusonbeauregard com downloads PECL explained pdf acessado em 25 01 2010 Economides Michael J A Daniel Hill e Christine Ehlig Economides 1993 Petroleum Production Systems Prentice Hall PTR Fisher 2010 Manual de instru es Posicionadores 3582 e 35821 conversor electrop neum tico 582i e transmissores de posi o da haste da v lvula 3583 da fisher Tech nical report Fisher http www documentation emersonprocess com aces sado em 10 07 2010 Foss D L e R B Gaul 1965 Plunger lift performance criteria with operating experience ventura avenue field Drilling and Production Prectice API Gasbarri S e M L Wiggins 2001 A dynamic plunger lift model for gas wells Society of Petroleum Engineers SPE 72057 Guo Boyun William C Lyons e Ali Ghalambor 2007 Petroleum Production Engeneer ing A Computer Assisted Approach GPP Hacksma J D 1972 Users guide to predict plunger lift performance Proceedings Southwestern Petroleum Short Course Lubbock Texas J nior O A D A A D Medeiros P J Alsina
97. lvula de Controle de Ciclo Motor Valve O ciclo de produ o do plunger lift caracterizado por ser um processo intermitente controlado atrav s de uma v lvula pneum tica do tipo esfera com atuador a diafragma tamb m conhecida por motor valve Figura 4 4 Trata se de um tipo de v lvula cujo ob turador uma esfera criteriosamente vazada que se posiciona dentro de um corpo tubular controlando a vaz o que passa no seu interior A rota o de 90 da esfera altera o estado da v lvula de totalmente fechada para totalmente aberta Quando totalmente aberta a es fera tem sua passagem cil ndrica alinhada com a tubula o permitindo o fluxo de fluido m xima vaz o Entretanto quando o eixo de abertura da esfera se encontra perpendicular tubula o a v lvula fica fechada bloqueando a passagem do fluxo Figura 4 4 V lvula de controle de ciclo motor valve A abertura e fechamento da v lvula controladora do ciclo se d atrav s de uma v lvula CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 44 solen ide normalmente fechada e de duas vias que s o v lvulas projetadas para opera o liga desliga on off e de r pida a o O sinal pneum tico chega motor valve depois que o CLP envia atrav s da sa da digital um comando solen ide para a abertura da linha de produ o Em outras palavras ao receber o sinal bin rio a v lvula solen ide energiza se e abre se permitindo a passagem do ar oriundo de uma linha de alimenta o pa
98. m trabalho experimental cujo objetivo principal era desenvolver um modelo matem tico para um po o produzindo por plunger lift convencional que considerasse os principais mecanismos envolvidos no processo e como objetivo adicional estudar a otimiza o da produ o por este m todo atrav s de uma an lise de sensibilidade feita com o modelo desenvolvido Apesar de ser um trabalho de extrema relev ncia na sua rea o modelo considera algumas simplifi ca es Deste modo ap s esse trabalho iniciou se um esfor o para expandir os conhe cimentos sobre o plunger lift atrav s de pesquisa e melhoria do modelo No Anexo D apresentado o modelo matem tico desenvolvido por Baruzzi 1994 Como resultado dessa modelagem foi desenvolvido pelo engenheiro Edson Henrique Bolonhini um simulador de plunger lift que facilitou enormemente o processo de dimen sionamento e otimiza o do m todo Este simulador foi escrito em Visual Basic com rotinas em Fortran PL V6 para ambiente Windows Silva 2007 Esse simulador ser con figurado com informa es inerentes Planta Piloto tal como comprimento e di metro da coluna de produ o e do revestimento RGL do l quido vaz es dos fluidos di metro da v lvula de ciclo etc e fornecer resultados gr ficos que ser o comparados com os resultados fornecidos pela Planta Piloto ao final de sua montagem Cap tulo 4 Planta Piloto O prop sito deste cap tulo apresentar em detalhes
99. ma de elevar a efici ncia produtiva do m todo Na ocasi o o pist o possu a um mecanismo de fole carregado e um obturador de borracha de forma que quando sub metido a um diferencial de press o existente principalmente ap s a abertura da v lvula de controle de ciclo a borracha do obturador se expandia tornando o vedante apenas du rante a subida do pist o McMurry 1953 Essa selagem promovida pelo pist o evitava que a bolha de g s formada durante a etapa de subida atravessasse a coluna de l quido deixando este para tr s Wiggins et al 1999 Lea 1982 Essa massa de l quido que retorna aumenta a contra press o na forma o Wiggins et al 1999 impedindo o escoamento do leo e g s desta at o po o Rowlan et al 2003 Apesar de ser apresentado como selante alguns pist es apresentam uma selagem parcial Mower et al 1985 Sua import ncia se deve principalmente durante o per odo de aumento da press o pois essa folga entre o di metro externo do pist o e o di metro interno da coluna garante o ac mulo de l quido acima dele Baruzzi e Alhanati 1994 No princ pio da utiliza o do plunger lift a linha de produ o era mantida permanen temente aberta de forma que n o era poss vel a realiza o de controle algum do pro cesso produtivo Beeson 1959 apud Baruzzi 1994 A primeira forma de controle do m todo ocorreu em 1944 quando se passou a utilizar o controle do ciclo pela abertura e CAP TULO 2 ESTADO
100. ma poss vel remo o do mesmo e uma mola que absorve os impactos causados pela chegada do pist o superf cie Ainda na superf cie como equipamentos da cabe a do po o encontram se o sensor magn tico de chegada do pist o e dois man metros um na linha de produ o e outro na cabe a do po o para se aferir as press es nestes locais Os tr s transmissores de press o que s o utilizados para medir a press o no revestimento na superf cie na cabe a do po o e na linha de surg ncia foram por quest o de comodidade deslocados para a sala de con trole para junto do CLP A tomada de press o est sendo feita por meio de mangueiras que partem desses pontos e chegam at os sensores Por se tratar de um po o com escala re duzida em termos de profundidade a utiliza o de um batedor tubing stop ou bottom hole bumper spring empregado em po os reais como sistema de amortecimento de queda do pist o se torna desproporcional Como alternativa para solucionar esse problema de absor o do impacto foi devidamente projetado e usinado um sistema de amortecimento que consiste de uma mola utilizadas em v lvulas de al vio em conjunto com um tubo de CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 43 a o A subse o a seguir apresenta uma descri o de cada elemento que comp e esse seg mento da Planta Piloto com a exce o dos transmissores de press o que ser o descritos na sub se o 4 3 1 4 2 1 Equipamentos do Plunger Lift V
101. mento de l quido para a coluna de produ o Durante a etapa de p s fluxo o l quido injetado no po o desloca se por completo para o interior da coluna de produ o de forma que nenhum l quido apare a no revestimento Figura 5 7 Ainda nesta etapa ap s a golfada ter sido produzida e a depender das vaz es de g s utilizadas observaram se que o l quido produzido poderia ser deslocado pelo ar at a superf cie sendo produzido semelhan a de um po o surgente Isso ocorre pois na eleva o natural a press o no reservat rio a nica respons vel pela eleva o dos fluidos do fundo do po o at a superf cie ou seja a diferen a entre a press o do reservat rio e a contrapress o exercida sobre ele suficiente para elevar o l quido s facilidades de produ o A abertura da linha de produ o provoca uma queda na press o do anular e uma re du o brusca na press o da coluna de produ o que fica praticamente igual press o atmosf rica press o no separador Quando a coluna de l quido alcan a a superf cie a press o no anular decresce e a press o na cabe a aumenta rapidamente No momento em que o pis o atinge a superf cie as press es no anular e na coluna de produ o de CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 72 vania ria Sh HEKRHARERERA 1 E D l 1 p l ry i II E r W 2090 EF GE RO Rn PR KS Re a TEIXEIRA RP N T ni Figura 5 4
102. nular K Conv m ressaltar que aqui e ao longo de todo modelo o fator de compressibilidade m dio calculado na press o e temperatura m dia e a press o e temperatura m dia s o a m dia aritm tica de seus valores a montante e a jusante 4 Perda de carga no l quido no fundo da coluna de produ o Desprezando se os efeitos do g s que atravessa este volume de l quido a press o no topo do l quido aproximada por e e Pi EB Hun D 4 onde Ps ing press o no topo do l quido no fundo da coluna Pa AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 101 5 Perda de carga na coluna de produ o entre o l quido no fundo da coluna e o pist o Levando se em conta a fric o e a gravidade a press o a jusante pode ser calculada a partir da press o e velocidade a montante pela fun o F1 P SdwnB F1 Pe Team Apig E Han H VegawnB 90 D 5 dwnB Tune H onde P gawnr press o na base do pist o Pa Tomb temperatura no topo do l quido no fundo da coluna K T ganr temperatura na base do pist o K Hp g posi o do pist o m Ven Velocidade do g s no fundo da coluna m s 6 Perda de carga no pist o e na golfada de l quido A press o no topo da golfada a press o na base do pist o menos a perda de press o no pist o menos a perda de press o por gravidade e atrito na golfada menos a perda de press o pela acelera o da massa do pist o e da golfada Fer ES San
103. o Essencialmente neste trabalho desenvolvida uma equa o para descrever a press o m dia no topo do revestimento necess ria para elevar um certo volume de golfada de l quido a partir de uma certa profundidade do po o A equa o foi desenvolvida inicialmente por uma express o que descreve a press o m nima no topo do revestimento a qual foi assumida que ocorre medida que o pist o se aproxima da superf cie com a golfada Com o pist o pr ximo superf cie a press o m nima no topo do revestimento foi equacionada como a soma da perda de press o por fric o do g s na coluna de produ o a press o requerida para elevar o pist o a press o necess ria para elevar a golfada de l quido a perda de press o por fric o da golfada de l quido e a contra press o na cabe a do po o Por este trabalho a frequ ncia do ciclo do plunger lift foi estimada baseada numa velocidade m dia de subida do pist o de 5 08 m s 1000 ft min enquanto que as velocidades de descida foram de 10 16 m s 2000 ft min atrav s do g s e de 0 87376 m s 172 ft min atrav s da golfada N o foram levadas em conta o peso da coluna a fric o do pist o e o fallback de l quido neste modelo Hacksma 1972 utilizou os gr ficos de desempenho do plunger lift elaborados no trabalho de Foss e Gaul 1965 juntamente com a curva de IPR Inflow Performance Relationship para predizer o desempenho de um po o operado pelo m todo de eleva o A
104. o a montante m s AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 103 b Equa es de fechamento 1 Vaz o de l quido e g s do reservat rio Considerando se para a IPR a correla o de Vogel com contrapress o na forma o igual press o no anular na extremidade da coluna de produ o a vaz o de l quido P P A Q max 1 0 2 BcsgB R ScsgB DI Ole Q 0 E 0 8 Uz D 10 Or vaz o m xima de l quido se a contrapress o zero na forma o zero m s dada por onde P press o est tica do reservat rio Pa A vaz o de g s associado nas mesmas condi es de temperatura e press o usadas na medida da RGL usualmente adotados como 60 F e 1 atm e referidos como condi o padr o ou std dada por Owe Qi RGL D 11 gres onde o vaz o de g s do reservat rio na condi o padr o std m3 s A vaz o m ssica de g s obtida multiplicando se a vaz o pela massa espec fica Meres poe O pres D 12 2 Massa de g s no anular na coluna de produ o abaixo do pist o e na coluna de produ o acima da golfada As massas de g s relacionam se com as suas respectivas press es m dias pela equa o de estado AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 104 Poesy tesg Luanda gesg aie R Tocsg D 13 m pn m Atbg Hpig Houp Zgan a RT gin D 14 P se Meu az Poup Ate E BE Apig gt Lplg Lsig Zi ET R Toup D 15 press o m dia do g s n
105. o aaa a 94 CR Soe Me RR ee ee 95 C 7 Compressor parafuso ss eras somos e 95 SEENEN 96 Le DE SD EE pa a Tc 96 ae e qe Da ni q DE 96 C 11 Filtro de ar e regulador de press o cc ccccccccc a 97 E ie RD Goan CHE DT ee ee 97 Lista de S mbolos e Abreviaturas AP Mg dwnB Mgse p Mg tbgT Mgupr ig perda de press o no pist o Pa vaz o m ssica de g s no fundo da coluna de produ o kg s vaz o m ssica de g s no separador kg s vaz o m ssica de g s no topo da coluna de produ o kg s vaz o m ssica de g s no topo da coluna de produ o kg s vaz o m ssica instant nea de g s do reservat rio kg s viscosidade m dia da golfada Pa s fator m dio de atrito de Darcy Weisbach da golfada na coluna de produ o fator m dio de atrito de Darcy Weisbach da golfada press o m dia do g s no anular Pa press o m dia do g s na coluna de produ o abaixo do pist o Pa press o m dia do g s na linha de produ o entre o po o e a golfada Pa press o m dia do g s na coluna de produ o Pa press o m dia do g s na coluna de produ o acima da golfada Pa n mero de Reynolds m dio da golfada temperatura m dia do g s no anular K temperatura m dia do g s na coluna de produ o abaixo do pist o K temperatura m dia do g s na coluna de produ o K temperatura m dia do g s na coluna de produ o acima da golfada K LISTA DE
106. o anular Pa Pg inn press o m dia do g s na coluna de produ o abaixo do pist o Pa Zn fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o abaixo do pist o Team temperatura m dia do g s na coluna de produ o abaixo do pist o K Peup press o m dia do g s na coluna de produ o acima da golfada Pa N gup fator de compressibilidade m dio do g s na coluna de produ o acima da golfada Mep Massa de g s na coluna de produ o acima da golfada kg T Zup temperatura m dia do g s na coluna de produ o acima da golfada K 3 Velocidade do g s no fundo da coluna de produ o A velocidade do g s no fundo da coluna relaciona se com a vaz o m ssica de g s nesse ponto Diop P8awnB VedwnB Arbg D 16 onde Mg ing Vaz o m ssica de g s no fundo da coluna de produ o kg s Peng Massa espec fica do g s no fundo da coluna de produ o kg m A vaz o m ssica de g s no fundo da coluna igual taxa de varia o no tempo da massa de g s no volume de controle constitu do pelo trecho da coluna de produ o abaixo do pist o d Mg ayn Mg wap ES D 17 AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 105 4 Velocidade do g s na linha de produ o a montante Desprezando se perdas de carga na passagem do g s da coluna para a linha de produ o pela equa o da continuidade a velocidade do g s a montante calculada por
107. o de 100 dessa gua a linha de produ o est diretamente ligada ao reservat rio de gua localizado na casa de m quinas fazendo essa gua recircular O ar produzido percorre toda a linha de surg ncia at al can ar esse reservat rio para ent o ser naturalmente liberado para atmosfera O controle do processo produtivo da Planta Piloto assim como o controle das vaz es dos fluidos que adentram o po o dela feito na sala de controle atrav s de um controlador l gico program vel CLP Este realiza o controle do ciclo da planta atrav s da aquisi o de sinais oriundos de tr s transmissores de press o e um sinal do sensor de chegada do pist o estrategicamente distribu dos no po o e da produ o de um sinal de controle As vaz es dos fluidos que escoam da casa de m quinas s o controladas pelo CLP que recebe as informa es enviadas pelos dois transmissores de vaz o localizados nas linhas e envia os sinais de controle para as v lvulas A monitora o do funcionamento da Planta Piloto CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 41 Figura 4 2 Vista da caixa d gua onde est montado o po o Figura 4 3 Casa de m quinas CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 42 realizada por um software de supervis o e controle implantado em um computador na sala de controle Esse supervis rio permite que o usu rio modifique a qualquer momento tanto os valores das vaz es do fluidos alimentados no po o alterando o comportamento do reservat
108. o longo levaria a um crescimento excessivo da coluna de l quido a ser produzida aumentando a contrapress o na forma o ao ponto de amortercer o po o Em contrapartida um tempo muito curto n o garantia a chegada do pist o ao fundo do po o o que reduz drasticamente a efici ncia do m todo Para a ind stria petrol fera essa defi ci ncia era sin nimo de pouca rentabilidade nestas circunst ncias havia a necessidade de se prever o comportamento do m todo de forma r pida e precisa e com isso minimizar os custos operacionais e otimizar a produ o Boswell e Hacksma 1997 na tentativa de reduzir o problema de ac mulo de l quido no fundo do po o prop s um novo m todo conhecido como Circula o Cont nua de G s ou Continuous Gas Circulation CGC O m todo utiliza um compressor que continua mente injeta g s no revestimento na superf cie que desce at o fundo do po o e sobe pela coluna de produ o aumentando a velocidade do g s Essa velocidade elevada garantia um maior volume de l quido levado superf cie evitanto portanto o ac mulo de l quido no fundo do po o Ainda na tentativa de encontrar uma solu o tima para os po os produzindo por plunger lift Wiggins et al 1999 realizou o que ele chamou de estudo param trico e concluiu o que Hacksma 1972 havia sugerido a tima taxa de produ o obtida pela reabertura da linha de produ o logo que o pist o alcan a o fundo do po o ou seja a pre
109. olume da golfada e o g s para pressurizar o espa o anular at atingir a press o para reabertura marcando o fim do est gio e dando in cio a um novo ciclo O controle do ciclo feito de duas maneiras press o no revestimento na superf cie e por tempo sendo este o uso mais comum Para validar o modelo primeiramente foi feita uma an lise do seu comportamento f sico Verificaram que a velocidade de subida do pist o aumentava quando a press o no revestimento na superf cie aumentava Utilizaram dois po os com baixa vaz o mas com um razo vel conjunto de dados para validar e os resultados obtidos foram satisfat rios visto que para ambos os po os a diferen a entre o valor medido e o estimado pelo modelo foi menor que 12 Rosina 1983 apresentou um modelo din mico para plunger lift convencional durante a etapa de subida Neste trabalho um modelo rigoroso para expans o de g s do anular para dentro da coluna de produ o ascens o da bolha de g s na mesma velocidade que o pist o e o pist o atravessando a golfada de l quido de acordo com dados experimen tais resulta em um conjunto de equa es diferenciais que podem ser resolvidas numeri camente Os resultados desse modelo foram comparados em um po o experimental de 18 28 m O comportamento do fallback de l quido predito pelo modelo estava de acordo com o esperado para uma instala o de Intermittent Gas Lift j que se considera que a frente de bolha e o pist o mo
110. om pist o no fundo do po o e ac mulo liquido se desloca para a coluna de pro de l quido no anular du o 5 5 Resultados de simula o O simulador utilizado uma implementa o do modelo matem tico desenvolvido por Baruzzi 1994 Esse simulador considera a produ o em regime permanente e possui implementado um controle de velocidade de subida do pist o Esse controle baseado na velocidade de subida do ciclo anterior ou seja se o pist o subiu r pido ent o no pr ximo ciclo a v lvula de controle abrir em um tempo mais curto do que o considerado para o ciclo anterior Entretanto se o pist o subiu lento no ciclo seguinte o tempo que a v lvula se manter fechada ser superior ao do ciclo passado A Figura 5 8 apresenta o resultado gerado para o simulador cujos par metros foram ajustados com valores caracter sticos da planta e est o descritos na tabela 5 3 Observa se na tabela que foi necess rio colocar um valor diferente de zero para a press o no separador Psp apesar da planta n o possuir um separador CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 15 Figura 5 8 Resultado do simulador ajustado com par metros da Planta Piloto Tabela 5 3 Par metros do simulador ajustados conforme caracter sticas da Planta Piloto Densidade relativa do ar SGgas 1 000 Comprimento da coluna Lcauda 22m Rugosidade absoluta da tubula o E 0 132 mm Di metro interno do tubing DItbg 1 995 pol Di metro
111. os de Petr leo Produzindo por Plunger Lift Diego Antonio de Moura Fons ca Disserta o de Mestrado aprovada em 10 de Agosto de 2011 pela banca examinadora composta Prof Dr Pablo Javier Alsina Orientador DCA UFRN Prof Dra Carla Wilza S P Maitelli Examinador Interno DPET UFRN Prof Dr Oscar Gabriel Filho Examinador Externo UNP Agradecimentos A Deus pela sa de e pela for a de vontade para concluir este trabalho Ao meu orientador Prof Dr Pablo Javier Alsina pela dedica o paci ncia e suges t es dadas e por ter me dado a oportunidade de realizar este trabalho atrav s do projeto PETRELEV Ao Prof Dr Andr s Ortiz Salazar pelas colabora es e apoio dados no decorrer deste trabalho Ao Prof Osmar Dourado pelo apoio prestado no desenvolvimento desta pesquisa Ao Eng Edson Bolonhini pelos seus inestim veis aux lio e esclarecimentos e por todo o apoio dado realiza o do projeto Aos colegas do LAMP pelas cr ticas e sugest es empresa ESAI nas pessoas de Cl vis Kelyson Teixeira Manuel pela montagem e testes na planta e pelos conhecimentos t cnicos passados nesse per odo Aos meus pais Peres e Gilena s minhas irm s Dally e Danielly e minha sobrinha Bianca pela aten o amor e compreens o em todos os momentos A minha noiva Raline fonte inesgot vel de paci ncia incentivo e amor Petrobr s e UFRN que proporcionaram condi
112. plunger lift e fazer uma an lise comparativa das mesmas CAP TULO 1 INTRODU O 10 e Estudar t cnicas de controle para otimizar a produ o de po os produzindo por plunger lift Coletar dados da planta e compar los com os obtidos via simulador Empregar na planta a t cnicas de controle desenvolvidas em simulador Desenvolver um sistema supervis rio para monitoramento e controle dos ciclos da Planta Piloto 1 3 Apresenta o e Organiza o Este trabalho composto de cinco cap tulos com a seguinte estrutura No cap tulo 2 o tema plunger lift apresentado atrav s de uma revis o bibliogr fica reunindo contribui es de importantes especialistas nas reas de modelagem estrat gias de controle e aplica es gerais No cap tulo 3 discorre se sobre o m todo de eleva o por plunger lift Descreve se os equipamentos que comp e um po o equipado com plunger lift e os tipos de instala es mais utilizados na produ o de petr leo A seguir descreve se o seu cliclo de opera o e as formas de controle O cap tulo finalizado apresentando caracter sticas da modelagem matem tica do m todo No capitulo 4 apresentada a Planta Piloto foco principal deste trabalho Primeira mente feita uma descri o dessa planta bem como seu prop sito geral Em seguida feita uma descri o dos instrumentos que s o os respons veis pelo funcionamento e controle da planta Para finalizar o cap tulo apresen
113. r de Vaz o Na medi o de vaz o de gases e l quidos os computadores de vaz o microprocessados Figura 4 17 recebem os sinais ambos na forma de trem de pulsos correspondetes aos medidores de vaz o transmissor associado turbina e ao magn tico instalados na linha Todos estes sinais s o computados internamente e o totalizador apresenta o valor da vaz o instant nea compensada em volume em m3 h o valor do volume acumulado m A indica o feita atrav s de seis d gitos na totaliza o e quatro na vaz o instant nea Uma outra fun o que cabe a este instrumento converter o sinal de trem de pulsos recebido dos medidores em sinais de corrente 4 20 mA e transmitir estes sinais s entradas anal gicas do CLP Com um teclado externo na sua parte frontal poss vel atrav s das teclas diretas ou combina o de teclas selecionar fun es faixas e modos de medi o Figura 4 17 Indicador Totalizador de vaz o V lvulas de Controle O elemento final de controle mais comum em controle de processos industriais a v lvula de controle pois de forma geral a resposta do sistema de controle traduzida ao processo por meio dela interferindo portanto na produtividade do processo A v lvula de controle age como uma restri o vari vel na tubula o do processo Ribeiro 1999 Nas malhas de controle da Planta Piloto as v lvulas de controle regulam as vaz es de gua e ar que escoam atrav s do conduto ligan
114. ra o atuador diafragma da motor valve que por sua vez rotaciona o obturador esf rico permitindo a passagem do fluxo Quando necess rio o CLP envia um outro sinal bin rio v lvula solen ide que al m de interromper a passagem de ar para o atuador da v lvula drena o ar que se encontrava acumulado nela fazendo a esfera rotacionar para sua posi o original e consequentemente fechando a linha de produ o Lubrificador O lubrificador Figura 4 5 a pe a principal dos equipamentos de superf cie em um sistema plunger lift Quando o pist o chega superf cie o lubrificador absorve o impacto causado pela chegada do pist o atrav s de uma mola interna localizada na parte de cima do mesmo Quando na superf cie o pist o devido subida do g s se mant m numa posi o acima da s sa da s de fluxo do lubrificador permitindo que g s e l quido fluam para a linha de produ o com a m nima restri o Para uma poss vel remo o seja para manuten o ou troca do pist o o lubrificador possui um dispositivo chamado segurador ou catcher que pode ser uma v lvula agulha ou um sistema mola esfera que quando acionada mant m o pist o na superf cie Figura 4 5 Lubrificador detalhe em vermelho com duas sa das de produ o CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 45 Sensor Magn tico de Passagem do Pist o Montado no lubrificador o objetivo do sensor magn tico Figural4 6 detectar quando o pist o chega
115. rador Assume se que o di metro interno das conex es igual ao di metro interno da linha de produ o Enquanto a golfada n o alcan ar o separador a press o do mesmo deve ser igual calculada pela fun o Fl com a velocidade do g s a montante igual velocidade da golfada menos as perdas nas 3 curvas Prep F1 P puB Tsup Tsup Lprod z Hprod Lass leien 0 1 a Don i VgupT Ye pur D 41 onde Pgsep Massa espec fica do g s na press o do separador kg m Vgpur Velocidade do g s na linha de produ o junto ao separador m s Quando a golfada alcan ar o separador a press o do mesmo deve ser igual press o a jusante da golfada menos a perda de press o nas 3 curvas Prep F gpuB Es ae Helen Vstgp D 42 b Equa es de fechamento As equa es descritas nas etapas anteriores para a vaz o de l quido e g s do reser vat rio Eq a D 12 massa de g s no anular Eq D 13 velocidade do g s no fundo da coluna de produ o Eq e D 17 massa espec fica do g s no fundo da coluna Eq D 21 e acelera o da golfada na linha de produ o Eq D 34 permanecem v lidas nesta etapa 1 Massa de g s na coluna de produ o e na linha de produ o entre o po o e a golfada As massas de g s relacionam se com suas respectivas press es m dias pela equa o AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 116 de estado m Pee Ate E cauda Hpup Zg dwn S S
116. rtem as grandezas f sicas mensuradas em sinais el tricos proporcionais os quais s o conectados s entradas anal gicas do CLP Atrav s de suas sa das anal gicas o CLP envia sinais el tricos de corrente para acionar equipamentos eletromec nicos como as v lvulas de controle com atuador pneum tico respons veis pelo controle de fluxo de ar e gua Apesar de as sa das digitais poderem ser configuradas para enviar trem de pulsos serial modulado em frequ ncia palavras digitais paralelas ou bits individuais apenas esta ltima op o est sendo utilizada O CLP envia um sinal bin rio para controlar o estado da solen ide uti lizada para abertura e fechamento da v lvula eletropneum tica de controle do ciclo do plunger lift A utiliza o das entradas e sa das anal gicas e digitais do CLP mostrada na tabela Tabela 4 2 Configura o dos sinais no CLP Sinal do Sistema CLP Placa Transmissor de Press o PT PREV ATO Entrada anal gica PIM 300 1 Transmissor de Press o PT PCAB All Entrada anal gica PIM 300 1 Transmissor de Press o PT PL AI2 Entrada anal gica PIM 300 1 Transmissor de Vaz o FT AR ATO Entrada anal gica PIM 300 2 Transmissor de Vaz o FT GUA All Entrada anal gica PIM 300 2 Sensor de Chegada do Pist o XS SMAG DIO Entrada digital PIM 300 1 Ativa o da Solen ide XY SOL DOO Sa da Digital PIM 300 1 V lvula de Controle de Vaz o FY AR AOO Sa da
117. s Os sistemas monol ticos tamb m conhecidos por sistemas standalone ou indepen dentes se caracterizam por serem sistemas centralizados que desempenham todas as fun es de um sistema de supervis o sistemas aut nomos por m com praticamente nenhuma conectividades com outros sistemas Figura 4 25 Em contrapartida os sis temas distribu dos como o pr rpio nome sugere t m a capacidade de distribuir o proces samento em v rios sistemas As v rias esta es cada uma com uma fun o espec fica s o ligadas por uma rede local LAN Local Area Network por exemplo e compartilham informa o entre si em tempo real CR La DOS D 98 Se BEJ Figura 4 25 Arquitetura monol tica Figura 4 26 Arquitetura distribuida Fonte Zhang 2008 Fonte Zhang 2008 Do ponto de vista industrial a Planta Piloto desenvolvida considerada uma sistema cujo processo simples Essa simplicidade refletida na estrutura de controle do pro cesso de modo que para tal um nico computador se comunica diretamente ao CLP ponto a ponto atrav s da interface serial Diante desse cen rio as caracter sticas da topologia monol tica se adequaram perfeitamente e esta portanto foi a arquitetura em pregada Ou seja somente uma esta o standalone respons vel por adquirir processar e apresentar os dados oriundos do CLP ao usu rio A Figura 4 27 apresenta como est estruturada a comunica o entre o processo
118. s O pist o se mant m na superf cie pelo motivo j explicado acima e o g s produzido na linha de produ o Dependendo da velocidade do g s algum volume de l quido pode ser arrastado at a superf cie e produzido juntamente com o g s Entretanto medida que o tempo de p s fluxo vai transcorrendo a vaz o de g s reduz ao ponto de n o ocorrer essa produ o adicional de l quido A produ o de g s continua at que seja atingido o tempo programado para essa etapa A esse per odo cuja ilustra o mostrada na Figura CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 33 Figura 3 10 Subida do pist o e produ o l quido d se o nome de p s fluxo ou afterflow para po os de leo e blowdown para po os de g s Terminado esse per odo a motor valve fechada o pist o cai e o per odo de aumento da press o recome a dando in cio a um novo ciclo A Figura ilustra o momento de de descida do pist o CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 34 Figura 3 11 Terceira etapa do ciclo p s fluxo 3 5 Modos de Controle De acordo com Silva 2007 a baixa utiliza o do plunger lift na ind stria do petr leo ao longo dos anos ocorreu basicamente em fun o das dificuldades encontradas pelos operadores em manipular os controladores pneum ticos existentes na poca e em ajustar os tempos corretos para a otimiza o da produ o do po o Encontrar um ponto timo de trabalho de um po o de plunger lift n
119. s adequados n o chegam a ser detectados pelo sensor de vaz o o que caracteriza um sobredimen siomento deste sensor e Embora a planta propicie a realiza o de diferentes condi es de produ o os re sultados gerados se limitam a utiliza o de um nico modelo de pist o No transcorrer do trabalho foram encontrados diferentes problemas t cnicos na estru tura da planta os quais ser o citados a seguir juntamente com suas solu es algumas tempor rias e Queima do sensor de vaz o de gua tipo magn tico influ ncia direta no c lculo da RGL Solu o Conhecendo a vaz o m xima da bomba valor fornecido pelo fa bricante e observado em outras experi ncias na planta quando o sensor fun cionava foi fixado via programa o o valor de vaz o como sendo a m xima e Queima de duas entradas anal gicas da placa de aquisi o de dados PIM 300 Solu o Apesar de limitadas a quantidade de entradas anal gicas ainda restavam 2 dessas entradas suprindo a necessidade e Queima de um dos totalizadores indicadores de vaz o Solu o Reconfigura o do sensor de vaz o para enviar sinal de corrente ao inv s de pulsos como estava previamente configurado possibilidando sua liga o direta com o CLP CAP TULO 6 CONCLUS ES E RECOMENDA ES 80 e Lubrificador sem segurador do pist o Solu o Apesar de ainda n o ter sido necess ria at o momento uma poss vel solu o seri
120. s condi es operacionais para produ o tima RGL tima foram preditas nas condi es mais altas ou mais baixas que a de RGL tima De um gr fico apropriado para plunger lift Hacksma obtivera uma grande quantidade de taxas de produ o e cor CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 15 respondentes press es m dias no revestimento As press es m dias do revestimento s o corrigidas pelo gradiente de g s no anular resultando nas FBHP Flowing Bottom Hole Pressure m dias Essas FBHP m dias em fun o das taxas de produ o m dia s o superpostas sobre as curvas de IPR do po o A intersec o da cuva de IPR e curva de desempenho do plunger lift superposta define o ponto de opera o timo do po o em ter mos da taxa de fluxo e de FBHP O tamanho da golfada por ciclo do plunger lift pode ser encontrado por interpola o no gr fico de desempenho do plunger lift na press o m dia do revestimento do ponto de opera o 2 3 Modelos Din micos Lea 1982 afirmou que o pist o serve para aumentar a efici ncia da eleva o por evitar o retorno de l quido atrav s do g s calcula a velocidade instant nea de subida do pist o apresenta graficamente o perfil da velocidade do pist o medida que este se eleva No modelo o autor n o considera a passagem de g s pelo pist o pist o perfeitamente selante considera ainda que o pist o e a coluna de l quido possuem a mesma velocidade O modelo din mico desenvolvido pelo a
121. s par metros para o controle deste teste foram configurados conforme a tabela 5 1 Nota se pelo gr fico das vaz es Figura 5 2 que o fluxo de ar QAR muito inconstante por m observa se uma semelhan a no com portamento da vaz o a cada ciclo Essa grande varia o deve se ao fato do compressor n o possuir uma vaz o constante al m de n o se aplicar os filtros na entrada anal gica do CLP Ao contr rio o fluxo de gua QAG praticamente constante e as varia es que ocorrem s o insignificantes para o processo Devido a problemas detectados no transmis sor de vaz o de gua foi necess rio fixar via programa o o seu valor como sendo a m xima fornecida pela bomba que de aproximadamente 20 m dia Apesar das vari a es no fluxo de ar a RGL foi calculada do in cio do per odo de aumento da press o ao come o do per odo de produ o de g s para cada ciclo O c lculo considera o l quido e o g s acumulado nesse intervalo de tempo e encontra a raz o no instante do in cio do per odo de produ o de g s Tabela 5 1 Par metros do controle por press o Da m xima PSI 22 Tempo de p s fluxo seg 15 Abertura valvula de ar 2 Vaz o de ar m dia 0 360 Abertura valvula de agua 100 Vaz o de gua m dia 19 047 RGL 10 CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 69 Figura 5 1 Comportamento das press es para uma press o m xima no revestimento de 22 PSI e 15
122. se menor valor da press o se reflete como uma menor energia potencial para elevar o pist o superf cie Essa velocidade menor permite um aumento na passagem de g s pela folga do pist o Utilizaram o modelo matem tico desenvolvido por Foss e Gaul 1965 com uma mo difica o para fornecer a press o m nima necess ria no revestimento O modelo leva em considera o a passagem de g s pelo pist o e o fallback do l quido Realizaram testes em quatro po os com diferentes condi es de opera o a fim de coletar uma quantidade de dados suficientes para ajustar a correla o obtida com testes utilizando o modelo pro posto O ajuste do modelo para se adequar a esses dados de campo foi feito de forma completamente empr rica Baruzzi e Alhanati 1994 fizeram uma modelagem din mica para analisar a opera o do plunger lift convencional em po os de leo O estudo mostrou que o tempo m nimo de build up que fornecer a energia suficiente para que a golfada de l quido acima do pist o seja elevada resulta na mais alta taxa de produ o Neste trabalho tamb m foi utilizada uma equa o de IPR para produ o estabilizada para descrever o acoplamento do reservat rio ao sistema Apesar dos esfor os e da contribui o valiosa de v rios pesquisadores no desenolvi mento e aprimoramento de modelos din micos que representam o comportamento do plunger lift a Planta Piloto servir como uma ferramenta especializada no aperfei oa mento d
123. segundos de p s fluxo controle por press o AO ai caio le P sNSSEENSREESHNNEGEI Figura 5 2 Comportamento das vaz es com 100 de abertura da v lvula de gua e 2 da v lvula de ar CAP TULO 5 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSS ES 70 5 3 Controle por tempo O teste realizado com o controle por tempo foi mais longo que o teste por press o 1500 s e 400 s respectivamente Os par metros para o controle deste teste foram con figurados conforme a tabela As considera es mencionadas no t pico de controle por press o mais precisamente no ltimo par grafo s o v lidas para este teste A Figura 5 3 apresenta o comportamento das press es no revestimento REV na cabe a do po o CAB e na linha de surg ncia SURG para os tempos de 90 e 60 segundos para cada ci clo At aproximadamente 750 segundos transcorridos tem se o comportamento do ciclo para o tempo fixado em 90 segundos Da em diante para o tempo de 60 segundos Tabela 5 2 Par metros do controle por tempo Tempo Fechado seg 90 e 60 Tempo de p s fluxo seg 10 Abertura valvula de ar 3 Vaz o de ar m dia 0 700 Abertura v lvula de gua 100 Vaz o de gua m dia 19 047 RGL 22 Apesar do intervalo dos ensaios de controle por press o e controle por tempo pos su rem dura o diferentes percebe se uma consider vel diferen a no comportamento dos gr ficos da vaz o de g s QAR ou seja al m de valores mais eleva
124. sentavam alta RGL raz o g s l quido bem como para po os que pararam de produzir em decorr ncia do ac mulo de parafina e incrusta es no interior da coluna de produ o Chacin e Doty 1992 Ainda de acordo com Chac n e Doty 1992 tempos depois foi a vez do gas lift intermitente fazer uso do pist o Com o tempo de produ o a vaz o dos po os produtores de g s v o naturalmente diminuindo Essa redu o da vaz o agravada em decorr ncia do ac mulo de l quido no fundo do po o uma vez que este n o possui mais press o suficiente para elevar o l quido at a superf cie Esse ac mulo de l quido aumentar a press o de fluxo no fundo do po o reduzindo cada vez mais a sua capacidade de produ o ao ponto de amortec lo ou afog lo por completo Nestes casos o uso do plunger lift indicado para a cont nua remo o de l quido que venha a se acumular no fundo do po o aumentando o seu tempo de vida produtiva CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT Figura 3 1 Sistema plunger lift Fonte Services 2009 Adaptado 22 CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 23 Atualmente o m todo plunger lift vem sendo instalado muito mais cedo na vida pro dutiva de um po o ao contr rio do que se fazia no passado em que o m todo n o era con siderado at que ocorressem significantes problemas de ac mulo de l quido no fundo do po o Morrow e Hearn 2007 Ainda de acordo com estes autores antes que o problema de ac
125. sequenciamento de m quinas formado por um m dulo b sico com 10 pontos de I O digital um m dulo de interface Homem M quina com Teclado e Display opcional e um m dulo de expans o opcional com mais 18 pontos de I OPode possuir at 28 pontos de I O AP NDICE C DESCRI O DOS EQUIPAMENTOS 97 Tabela C 11 Filtro de ar e regulador de press o Caracter sticas T cnicas Filto regulador conjugado Parker Conex o 1 4 NPT Faixa de Temperatura 0 52 C Faixa de Pressao 0a 10 bar Granula o do Elemento Filtrante 40 micra na sua configura o completa O m dulo ZEM 400 m dulo adicional uma placa de expans o de I O desenvolvida para o ZAP 500 BX Disponibiliza 18 pontos de T O e ainda pode implementa fun es de data logger Figura Tabela C 12 CLP ZAP 500 BX Caracteristicas T cnicas CLP ZAP500BX Expans o ZEM400 Alimenta o Bateria 12 VDC 7AH interna Temperatura de Opera o 0 a 65 C Dimens es Externa 200 x 150 x 80 m Comunica o RS232 C Entradas Digitais 6 4 ZEM400 Sa das Digitais 4 4 ZEM400 Entradas Anal gicas 8 Sa das Anal gicas 2 Per odo de Amostragem 300uS Display LCD 2 Linhas com 16 Caract backlight Resolu o das Entrdas Anal gicas 10 bits Resolu o das Sa das Anal gicas 8 bits Ap ndice D Modelagem Mec nica Etapa 1 A Subida da Golfada As principais vari veis necess rias para descrever esta etapa s o mostradas na Figura a Equa
126. ss o tima no revestimento aquela alcan ada naquele instante Wiggins et al 1999 CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 13 argumentou ainda que apesar de existir um valor timo para cada par metro compri mento e di metro da linha de produ o e press o no separador tem um efeito m nimo na otimiza o da produ o Para ele os par metros mais importantes seriam portanto o tempo de aumento de press o que seria o tempo decorrido deste o instante do fechamento da v lvula de ciclo at o momento em que o pist o atinge o fundo do po o e o ac mulo de l quido no fundo do po o Encontrado a maneira de otimiza o da produ o o passo seguinte seria como saber se o pist o chegou ao fundo do po o O pr prio Wiggins et al 1999 apresentou uma rela o que estimava um tempo timo de build up baseado na profundidade do po o e na velocidade m dia de queda do pist o m dia da velocidade de queda do pist o no l quido e no g s com o acr scimo de um minuto como fator de seguran a Para comprovar a efici ncia da aproxima o Wiggins et al 1999 testou sua proposta em quatro casos diferentes utilizando um simulador Os resultados alcan ados mostraram um concord ncia entre o valor calculado e o valor timo Apesar de o erro absoluto entre os tempos de build up apresentarem uma faixa de 20 a taxa de produ o estimada est dentro de 1 do valor timo Considerando que o tempo de queda do pist o era fator importante n
127. superf cie Ao detectar a passagem do pist o o sensor de chegada envia um sinal digital bin rio para o controlador indicando que o pist o se encontra na su perf cie Em seguida dependendo do que est programado o controlador ou enviar um sinal para fechar a v lvula de controle de ciclo dando in cio a um novo ciclo ou manter a v lvula aberta para o per odo de tempo caracterizando o in cio do tempo de produ o de g s Figura 4 6 Sensor magn tico de chegada do pist o Mola Amortecedora Bumper Spring A mola amortecedora o conjunto de mola mais haste localizada dentro da coluna de produ o no fundo o po o cuja fun o proteger o flange de assentamento ou seating nipple a coluna de produ o e o pr prio pist o pela abso o do impacto da sua chegada ao fundo do po o principalmente quando a quantidade de l quido na coluna de produ o reduzida fazendo o pist o cair com uma velocidade mais elevada Muitas vezes a mola de sub superf cie atua em conjunto com o tubing stop ou batedor cuja finalidade fornecer suporte para a mola de sub superf cie caso o po o n o possua o seating nipple CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 46 4 3 Laborat rio A disposi o f sica dos equipamentos que comp em o laborat rio definida de acordo com os dois compartimentos que o constitui casa de m quinas e sala de controle Na casa de m quinas se encontram os equipamentos que simulam a forma o geol gica
128. tado o sistema de supervis o desen volvido a partir do qual poss vel acompanhar a evolu o de cada par metro press o vaz o e sinal digital da chegada do pist o e fazer o controle completo do sistema seja manual ou automaticamente O cap tulo 5 trata dos resultados obtidos com a planta para testes com diferentes val ores de Raz o G s L quido RGL incluindo diferentes formas de controle com tempo de produ o de g s Completam este cap tulo um resultado de simula o cujo compor tamento das press es s o comparados com o comportamento das press es resultantes de testes com a planta O trabalho finalizado no cap tulo 6 com a apresenta o das contribui es conclus es e recomenda es para estudos futuros Cap tulo 2 Estado da Arte 2 1 Introdu o ao Plunger Lift A id ia de se utilizar o pist o como forma de aumentar a produtividade em po o de petr leo surgiu a mais de 60 anos Marcano e Chac n 1992 Sua primeira aplica o foi na remo o de l quido de po os de g s mas a efici ncia apresentada estendeu seu uso a po o de produ o de petr leo com alta RGL raz o g s l quido assim como para po os que reduziram ou at mesmo pararam a produ o em decorr ncia do ac mulo de parafinas e incrusta es no interior da coluna de produ o A sua ltima aplica o foi em po os de gas lift intermitente Chac n e Doty 1992 Beauregard e Ferguson 1982 McMurry 1953 como for
129. tina se a prote o de sistemas trif sicos contra queda e inves o de fase Dispositivo destinado a manter constante a temperatura de um determinado sistema atrav s de regu la o autom tica CAP TULO 4 PLANTA PILOTO 61 4 4 Modos de Controle As estrat gias de controle que foram empregados na Planta Piloto s o basicamente duas daquelas que foram explanadas no cap tulo 3 controle por tempo e controle por press o Um terceiro m todo o controle manual que n o foi descrito no cap tulo ante rior pois n o se trata de uma estrat gia de controle propriamente dita Neste m todo o operador tem a op o de comutar o estado da motor valve no instante que lhe convier Dessa forma torna se pratic vel para o operador a realiza o dos poss veis cen rios que descrevam o comportamento do plunger lift 4 5 Sistema Supervis rio SCADA Atualmente os sistemas de automa o industrial utilizam tecnologias de computa o e comunica o para automatizar a monitora o e controle de processos industriais devido a necessidade de centralizar as informa es de maneira a que se tenha o m ximo poss vel de informa es no menor tempo poss vel O termo SCADA Supervisory Control And Data Acquisition na automa o refere se a sistemas de supervis o controle e aquisi o de dados composto por um ou mais com putadores monitorando e controlando um processo que pode ser industrial infra estrutura ou facilidade Ou seja s
130. to na superf cie LD atinge um valor m ximo previamente definido e o seu fechamento quando o pist o atinge a superf cie Para isso o po o deve ser instrumentado com uma sensor de press o no anular na superf cie um sensor de proximidade do pist o na cabe a do po o um controlador e uma v lvula pneum tica motor valve na linha de produ o Uma outra alternativa para o fechamento do po o se d quando a press o no revestimento atinge um valor m nimo pr definido Previnin Foss e Gaul 1965 Aqui a manunten o da velocidade de subida do pist o dentro dos limites aceit veis feita da seguinte forma Se o tempo de viagem do pist o est abaixo do desejado pist o sobe muito r pido ent o os valores de P e e Prevni Sofrer o um decremento para o Vmax min ciclo seguinte Do contr rio se o valor do tempo de viagem do pist o se encontra acima CAP TULO 3 O SISTEMA PLUNGER LIFT 37 do limite estabelecido que tamb m pode indicar a n o chegada do pist o super cie aplicado um aumento nos valores de H Prevyin buscando ajustar a energia potencial Vmax armazenada no anular e consequentemente estabilizar a produ o do po o a partir do pr ximo ciclo Estabilizado os ciclos de produ o o pr ximo passo buscar a otimiza o do m todo Seguindo a mesma id ia do controle por tempo ou seja tempos reduzidos em que a v lvula de controle de ciclo permanece aberta e fechada a maximiza o
131. u o a jusante da golfada kg m 5 Massa espec fica do g s no topo da coluna de produ o na linha de produ o junto ao poco e no separador As massas espec ficas do g s s o calculadas pela equa o de estado Piper PM Peer D 49 SS Zeer R Tsup Pg pag PM ee D 50 Pepas Zoi R Top Po pug PM ee D 51 Perus Zg pub R Tsup ue D 52 Been Zeep R Tsup d onde ZetbeT fator de compressibilidade do g s no topo da coluna de produ o ZepaB fator de compressibilidade do g s na linha de produ o junto ao po o ZgpuB fator de compressibilidade do g s na linha de produ o a jusante da golfada Zgsep fator de compressibilidade do g s no separador AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 118 6 Posi o da golfada A posi o da golfada relaciona se com sua velocidade por d Hea Vslgp E D 53 7 Comprimento da golfada Enquanto a golfada n o alcan ar o separador o seu comprimento constante e relaciona se com o comprimento inicial da golfada na coluna pela equa o da con tinuidade Lsigp Ls D 54 Quando a golfada j tiver alcan ado o separador o seu comprimento varia com o tempo e igual a Lsigp Lprod A prod D 55 8 Fator de atrito da golfada O fator de atrito de Darcy Weisbach da golfada calculado de modo similar as Eq e levando se em conta sua velocidade e temperatura AP NDICE D MODELAGEM MEC NICA 119 Etapa 2 B Produ o
132. uitas vezes da interven o do operador para modificar os par metros operacionais a fim de manter a continuidade na produ o O plunger lift um sistema que possui um comportamento n o linear no transcorrer do seu ciclo de produ o A complexidade do processo de eleva o ocasiona uma falta de compreens o e de solu es dos problemas de otimiza o do m todo O perfeito entendimento do fen meno do plunger lift permitir o aprimoramento de ferramentas adequadas para o dimensionamento bem como o desenvolvimento de t cni cas e algoritmos de controle n o linear voltadas otimiza o do m todo Uma planta piloto para estudo de po os produzindo por plunger lift foi montada nas depend ncias da UFRN A planta equipada com todos os instrumentos utilizados em um po o real de plunger lift possui 22m de altura dos quais 4m s o em acr lico transparente para visualiza o da partida e chegada do pist o ao fundo do po o uma vez que este se encontra ao n vel do solo Com essa planta ser poss vel a realiza o de testes em diferentes condi es opera cionais de maneira a se obter medidas dos par metros macrosc picos tais como vaz o press o na cabe a do po o press o no revestimento e press o na linha de produ o 1 2 Objetivos S o objetivos deste trabalho e Operacionalizar a Planta Piloto para produzir atrav s do m todo plunger lift e Estudar t cnicas de controle existentes para po os produzindo por
133. uo Gas Lift Intermitente Plunger Lift Pig Lift e Bombeio Bombeio Mec nico Bombeio Centr fugo Submerso Bombeio de Cavidades Progressivas Os m todos pneum ticos apresentados na lista acima com exce o do gas lift con t nuo s o intermitentes M todos pneum ticos intermitentes realizam a eleva o do fluidos com press es rela tivamente baixa quando comparada ao m todo pneum tico cont nuo gas lift cont nuo Essa caracter stica possibilita a instala o em po os cujos reservat rios apresentam um alto grau de deple o CAP TULO 1 INTRODU O 9 O plunger lift um m todo pneum tico intermitente o qual durante um instante de tempo o po o fechado e fica sem produzir permitindo que o fluido vindo do reservat rio se acumule no fundo Ao final desse tempo o po o reaberto e uma repentina expans o volum trica do g s na base do po o faz com que a massa de fluido seja elevada at a su perf cie A utiliza o de um pist o met lico plunger no interior da coluna de produ o entre a coluna de l quido e o volume de g s evita que o g s que se expande passe atrav s da coluna de l quido que se eleva Uma das principais aplica es deste m todo se d em po os de leo de baixas vaz es e alta raz o g s l quido 1 1 Motiva o e Justificativa Po os de petr leo que utilizam esse m todo necessitam de uma monitora o cont nua Baruzzi e Alhanati 1994 e m
134. utor leva em considera o apenas a etapa de subida do pist o A fim de obter uma maior precis o o modelo incorpora o c lculo da varia o da press o no anular da posi o velocidade e acelera o do pist o quando este se desloca do fundo do po o at a superf cie Apesar de n o levar em conta no seu modelo o autor destaca como ponto a ser dis cutido a passagem de g s pelo pist o Afirma que uma menor velocidade de subida com uma menor perda de press o no conjunto pist o mais coluna de l quido a quantidade de g s que passaria neste conjunto seria maior do que se a velocidade de subida do conjunto fosse maior com uma menor perda de press o na carga l quido mais pist o O autor fez uma compara o dos resultados do seu modelo din mico com os resulta dos do modelo est tico apresentado por Foss e Gaul 1965 O resultado desta compara o apresentada na forma de gr ficos indicam uma menor press o no revestimento e um menor volume de g s por ciclo do que era previsto no modelo est tico de Foss e Gaul 1965 O autor faz uma an lise do ciclo do plunger lift para po o com alta RGL raz o g s l quido Em uma an lise do plunger lift para retirada do ac mulo de l quido de po os de g s o autor apresenta uma express o para o c lculo da altura da coluna de l quido em fun o do tempo considerando o per odo de afterflow produ o de g s e build up aumento de press o Apresenta ainda uma express o para
135. uzir o escorregamento do l quido o pist o devido ao processo c clico do m todo se desloca repetidamente na coluna de produ o promovendo uma limpeza na mesma evitando desta forma problemas com ac mulo de parafinas e incrusta es Existe uma s rie de m todos de eleva o artificial dispon veis para deliquificar po os de g s ou aumentar a produ o de po os de leo Entretanto a escolha da melhor alter nativa a ser utilizada leva em considera o a satisfa o de alguns crit rios Dentre estes podem se citar considera o da taxa de fluxo viabilidade econ mica caracter stica do po o e integridade mec nica Oyewole e Garg 2007 Obedecendo a estes crit rios o plunger lift se torna uma escolha adequada pois se caracteriza por ser um m todo que apresenta um baixo custo na instala o inicial al m de pouca necessidade de manuten o e baixo custo operacional em rela o ao outros m todos Lea 1982 Outro fator que o torna uma alternativa atraente o fato de na maioria dos casos o m todo n o necessitar de uma fonte externa de energia 3 2 Aplica es De acordo com Marcano e Chac n 1992 pist es met licos s o usados h mais de 60 anos na produ o de leo e g s A t cnica de eleva o utilizando tais pist es plunger lift foi originalmente desenvolvida para ser utilizada na remo o de l quido em po os de g s entretanto seu uso foi ampliado para po os de produ o de petr leo que apre
136. vem se mesma velocidade Mower et al 1985 montaram um po o instrumentado de 224 m de profundidade com revestimento de 9 5 8 e coluna de produ o de 2 3 8 Utilizando ar e gua como fluidos do po o testaram 13 tipos de pist es sendo 12 comerciais e um n o comercial com dois orif cios de di metros diferentes no centro Primeiramente utilizando um tubo transparente com 2 de di mentro interno cada pist o foi submetido a uma vaz o de ar que foi gradativamente ajustada a fim de se encontra a vaz o necess ria para equilibrar o peso do pist o Na maioria dos casos a press o diferencial era praticamente igual ao peso do pist o dividido pela rea de se o transversal do tubo Calcula a velocidade do pist o no ar como fun o da varia o da press o no tempo Dessa forma previam a chegada do pist o no topo da coluna de l quido As velocidades de queda do pist o coletadas no laborat rio eram fun o das press es que eram relativamente baixa ao contr rio do que se encontra em condi es de campo por este motivo essas velocidades n o foram apresentadas no documento Mostraram que uma maior press o no revestimento acarretaria em uma elevada ve CAP TULO 2 ESTADO DA ARTE 19 locidade de subida do pist o e consequentemente uma menor passagem de g s pela folga do pist o Por m testes realizados com uma menor press o no revestimento resul taram em uma menor velocidade de subida do pist o uma vez que es

Desenvolvimento de uma Planta Piloto para Estudos de Poços de

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