Cartas dinamométricas para detecção de falhas no bombeio mecânico

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UNIVERSIDADE TIRADENTES
Jaislan Kelvin Lima dos Santos
UTILIZAÇÃO DE CARTAS DINAMOMÉTRICAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS NO SISTEMA DE BOMBEIO MECÂNICO
ARACAJU – SERGIPE
2015
JAISLAN KELVIN LIMA DOS SANTOS
UTILIZAÇÃO DE CARTAS DINAMOMÉTRICAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS NO SISTEMA DE BOMBEIO MECÂNICO
Monografia apresentada a Universidade Tiradentes como um dos pré-requisitos para a obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Petróleo.
Orientador (a): Luah Walsh
ARACAJU – SERGIPE
2015
JAISLAN KELVIN LIMA DOS SANTOS
UTILIZAÇÃO DE CARTAS DINAMOMÉTRICAS PARA DETECÇÃO DE FALHAS NO SISTEMA DE BOMBEIO MECÂNICO
Monografia apresentada a Universidade Tiradentes como um dos pré-requisitos para obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Petróleo.
Profª. M.Sc. Luah Walsh
Orientadora
Banca Examinadora:
_________________________________________
Profº. Claudio Borba
________________________________________
Profº. Luciano da Silva
Aprovada em ____/____/____
_________________________
 NOTA FINAL
AGRADECIMENTOS
A Deus por me capacitar, guiar os meus passos, e me acompanhar ao longo do caminho;
Aos meus pais que sempre fizeram o máximo para me proporcionar a melhor educação a vida;
Aos meus avós pelo amor e doçura incondicional. Considero os mesmos como as pessoas que mais contribuíram para o meu crescimento pessoal e profissional;
Aos meus verdadeiros amigos que sempre torceram por mim, e desejam o meu sucesso;
Aos colegas do Curso de Engenharia de Petróleo da UNIT pelo companheirismo e amizade adquirida, e pelo empenho para que todos viéssemos a vencer juntos;
A PETROBRAS UO-SEAL através do Edson pela oportunidade de comparecer a campo para a melhor visualização do trabalho, além da disponibilização de cartas dinamométricas para análise e diagnóstico.
Não te mandei eu? Sê forte e corajoso; Não temas, nem te espantes, porque o SENHOR, teu Deus, é contigo por onde quer que andares.
Josué 1:9
RESUMO
Quando um poço de petróleo não tem pressão suficiente para expelir o fluido para a superfície, faz-se necessário o uso de um método de elevação artificial. Nesse cenário, destaca-se o bombeio mecânico, método de elevação mais utilizado no mundo, e que tem sido eficaz em grande parte dos poços. Porém, para equipar o poço de petróleo com bombeio mecânico, deve-se conhecer uma série de parâmetros que efetivam a sua aplicabilidade, tais como, profundidade do reservatório, tipo de óleo existente, vazão de fluxo, entre outros. A eficiência do método deve ser acompanhada durante toda a sua utilização, pois o mesmo está sujeito a falhas como todo equipamento, para isso existem ferramentas que auxiliam tal processo. A utilização da carta dinamométrica, por exemplo, é o principal método para avaliação das condições de bombeio. Ela registra as cargas na haste polida durante todo o ciclo de bombeio. No presente trabalho, buscaremos enfatizar a utilização das cartas dinamométricas nos momentos em que o bombeio mecânico apresentar falhas, tentando encontrar a melhor solução para cada caso.
Palavras-chave: Elevação artificial, petróleo, bombeio mecânico, carta dinamométrica.
ABSTRACT
When an oil well does not have sufficient pressure to expel the fluid to the surface, it is necessary to use a method of artificial lift. In this scenario, the mechanical pumping is highlighted, which is the most used lifting method in the world, and has been effective in most wells. However, to equip the oil well with a mechanical pumping, it needs to be known the number of parameters that affects its applicability, such as reservoir depth, existing oil type, flowrate, among others. The method efficiency must be monitored throughout its use, because it is prone to failure as all equipment, and for this there are tools to help in this process. The use of the torque letter, for example, is the primary method for assessing the pumping conditions. It records the polished rod loads throughout the pumping cycle. In this paper, we will seek to emphasize the use of torque letters at times when the mechanical pump fails, trying to find the best solution for each case. 
Keywords: artificial lift, oil, mechanical pumping, torque letter.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Unidade de Bombeio Mecânico.
Figura 2: Componentes da unidade de bombeio
Figura 3: Bomba de fundo.
Figura 4: Sede e esfera danificadas.
Figura 5: Funcionamento da Bomba de Fundo.
Figura 6: Representação do fenômeno da pancada de fluido.
Figura 7: Instalação do dinamômetro ou sensor de carga.
Figura 8: Carta dinamométrica ideal e com efeito de alongamento das hastes
Figura 9: Carta dinamométrica.
Figura 10: Carta dinamométrica de fundo
Figura 11: Carta dinamométrica normal
Figura 12: Carta dinamométrica de fundo com pancada de fluido
Figura 13: Carta dinamométrica de fundo com interferência de gás
Figura 14: Carta dinamométrica de fundo com vazamento de válvula
Figura 15: Carta dinamométrica de fundo com batidas na bomba
Figura 16: Carta dinamométrica de fundo com problemas na coluna ou no pistão
Figura 17: Carta dinamométrica de fundo com superposição de efeito
Figura 18: Momento em que o operador do equipamento se aproxima da cabeça do poço para realizar as leituras.
Figura 19: Software Total Well Management
Figura 20: Carta dinamométrica do poço CP-0305
Figura 21: Carta dinamométrica do poço CP-0312
Figura 22: Carta dinamométrica do poço CP-0812
Figura 23: Carta dinamométrica do poço CP-1248
Figura 24: Carta dinamométrica do poço CP-1307
Figura 25: Carta dinamométrica do poço CP-1519
SUMÁRIO
OBJETIVOS....................................................................................................12
Geral….....................................................................................….........12
Específicos….........................................................................……........12
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA……....................................................................13
Bombeio mecânico…..........................................................................….........15
Principais componentes…….................................................................16
Motor….......................................................................................17
Redutor.......................................................................…….........17
Contrapeso…...............................................................…...........18
Balancim (ou viga principal)….........................................…........18
Tripé……....................................................................................18
Bomba de subsuperfície……..........................................….........19
Pistão……..................................................................................20
Camisa…........................................................................…........20
Válvula de pé e passeio…….......................................................21
Coluna de hastes…….................................................................21
 Princípio de funcionamento…...............................................................23
Aspectos de operação…...........................................................….........25
Elasticidade das hastes…...............................................…........25
Forças de aceleração…..................................................…........25
Vibração de hastes……..............................................................26
Pancada de fluido……................................................................26
Cartas dinamométricas….................................................................................27
Padrões de cartas dinamométricas de fundo.........................................34
Carta dinamométrica normal.......................................................35Carta dinamométrica com pancada de fluido..............................36
Carta dinamométrica com interferência de gás...........................37
Carta dinamométrica com vazamento de válvula........................38
Carta dinamométrica com batidas na bomba..............................39
Carta dinamométrica com problemas na coluna ou no pistão.............................................................................................................40
Carta dinamométrica com efeitos sobrepostos...........................41
3 MATERIAIS E MÉTODOS.......................................................................................42
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................................43
5 CONCLUSÕES.......................................................................................................52
 REFERÊNCIAS.........................................................................................................5
OBJETIVOS
1.1 GERAL
Explicar como as cartas dinamométricas auxiliam na detecção de problemas no bombeio mecânico
1.2 ESPECÍFICOS
Apresentar os principais componentes do bombeio mecânico, além das suas limitações e problemas operacionais;
Explicar como as cartas dinamométricas são obtidas;
Demostrar como a leitura correta das cartas pode evitar a perda (declínio) de produção, como também prevenir aspectos indesejados.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A Engenharia de Petróleo é a área da engenharia que aborda a exploração, produção e comercialização de hidrocarbonetos, sendo líquido (petróleo) ou gasoso. Normalmente, esta é dividida em quatro áreas básicas: Reservatório; perfuração e completação de poços; elevação dos fluidos e operação da produção.
A área de reservatório é responsável por estudar as formações, dimensionar o reservatório, observar o tipo de fluido que nele está contido, estimar a produção de acordo com curvas de produção e definir o volume de fluido presente no reservatório. A área de perfuração de projeta a perfuração de poços injetores e produtores, posteriormente auxiliada pela completação, responsável por equipar o poço já perfurado e dar segurança para começar a produzir. A elevação fica responsável em retirar os fluidos do fundo do poço para a superfície e encontrar meios de fazer isso quando a pressão do próprio reservatório não for suficiente. A operação da produção gerencia as facilidades de produção na superfície, nas plataformas e no leito marinho.
A pressão no interior do reservatório é a causa da elevação dos fluidos para a superfície. Quanto maior a pressão, com mais facilidade os fluidos chegarão a superfície. Quando essa pressão é naturalmente suficiente para elevar os fluidos contidos no reservatório sem auxílio algum, chamamos de elevação natural.
Existem outros fatores determinantes para a elevação dos fluidos, tais como: a propriedade dos fluidos, o índice de produtividade do poço, o mecanismo de produção, ou seja, gás em solução, capa de gás ou influxo de água, o dano causado à produção elaboradora durante a perfuração e/ou completação do poço, a aplicação de técnicas de estimulação (fraturamento, acidificação) e adequado isolamento das zonas de água e gás adjacentes à zona de óleo (OLIVEIRA, 2010).
Normalmente, a elevação natural ocorre no início da vida produtiva de um reservatório, com o passar do tempo, o aumento da produção acumulada e a diminuição do volume de fluidos no reservatório fazem com que a pressão do reservatório decline (depleção), tornando impossível a elevação natural. 
	Para aumentar a vazão do fluido extraído é necessário fornecer trabalho ao sistema, pois com a crescente depleção, a vazão de produção do poço diminui cada vez mais, até chegar ao ponto de deixar de produzir totalmente ou economicamente (ESTEVAM, 1993).
O fornecimento de trabalho ao sistema ocorre com o equipamento do poço com métodos de elevação artificial. Tais métodos são implantados segundo vários fatores, como a profundidade do reservatório, o tipo de fluido a ser extraído, ou até mesmo características ambientais.
Os poços surgentes apresentam menos problemas operacionais e menores custos de produção, pois os equipamentos são mais simples do que na elevação artificial. Portanto, tem-se estudado os fatores que alteram a pressão no reservatório buscando, manter e incrementar a quantidade de óleo produzido por elevação natural (THOMAS, 2004).
BOMBEIO MECÂNICO
Os métodos de elevação têm como objetivo melhorar a produção dos fluidos, de forma a elevar os fluidos para a superfície com o auxílio de métodos consolidados, tornando assim a produção viável.
Existem quatro principais métodos de elevação artificial, gás-lift contínuo (GLC) e intermitente (GLI), bombeio centrífugo submerso (BCS), bombeio mecânico com hastes (BM) e o bombeio por cavidades progressivas (BCP) (THOMAS, 2004).
Entre os métodos de elevação artificial, o presente trabalho aponta na direção do bombeio mecânico, que caracteriza-se pelo baixo custo com investimentos e manutenção, flexibilidade na vazão e profundidade, boa eficiência energética e possibilidade de operar com fluidos com diferentes composições e viscosidades em uma larga faixa de temperatura. A Figura 1 mostra uma unidade de bombeio (UB) e todos os seus componentes.
Figura 1: Unidade de Bombeio Mecânico
O bombeio mecânico com hastes é o método mais utilizado no mundo e está equipado em cerca de 80% dos poços produtores mundiais. Vale lembrar que o bombeio mecânico é utilizado apenas em poços terrestres (COSTA, 2004).
É razoavelmente problemático em poços que produzem areia, pois a areia, por ser altamente abrasiva, desgasta as partes móveis e a camisa da bomba. Também apresenta certo problema em poços de elevada razão gás óleo (RGO), pois o gás quando passa pela bomba reduz a sua eficiência volumétrica, podendo provocar também o bloqueio de gás. Mesmo com tais problemas envolvendo o gás, o bombeio mecânico ainda é menos problemático que o bombeio centrífugo submerso (BCS) e o bombeio por cavidades progressivas (BCP). Em poços desviados, o atrito da coluna de hastes com a coluna de produção provoca o aumento de cargas na haste polida, além do desgaste prematuro das hastes e da coluna de produção nos pontos de maior contato (THOMAS, 2004).
PRINCIPAIS COMPONENTES
A seguir serão descritos os principais componentes responsáveis pelo funcionamento do bombeio mecânico. A Figura 2 mostra as principais estruturas que estão diretamente envolvidas com o funcionamento da unidade de bombeio.
Figura 2: Componentes da unidade de bombeio (ORDOÑEZ, 2008).
MOTOR
É o elemento responsável por fornecer potência à coluna de hastes através da energia que recebe da rede elétrica. 
REDUTOR
 Reduz a alta velocidade do motor principal para a velocidade de bombeio.
CONTRAPESO
A diferença de carga exercida na coluna de hastes entre os movimentos ascendente e descendente não é aconselhável ao motor. Desta forma é introduzido o contrapeso, que auxilia o motor a levantar toda a coluna de hastes durante a subida, assim, a carga sobre o motor é aliviada. Já na descida, o contrapeso é responsável por proporcionar mais torque a coluna hidrostática. Portanto, o motor não trabalha com um torque tão diferente entre a subida e a descida da coluna.
BALANCIM (OU VIGA PRINCIPAL)
Tem importante função de transladar a energia elétrica rotativa do motor para um movimento alternativo da coluna de hastes. Constitui o denominado “cavalinho mecânico” que caracteriza visualmente esta técnica de elevação artificial.
	
TRIPÉ
 Estrutura que suporta toda a viga principal. É nele que está localizado o sensor de posição para o movimento da haste polida, responsável por um dos principais dados para obtenção da carta de superfície (ORDOÑEZ, 2004).
BOMBA DE SUBSUPERFÍCIE
Sua função é fornecer energia o fluido vindo da formação, elevando-o para a superfície. A transmissão de energia ao fluido ocorre sob a forma de aumentode pressão. A bomba é do tipo alternativo, de simples efeito, com as seguintes partes principais: camisa, pistão, válvula de passeio e válvula de pé, como mostra a Figura 3. (THOMAS, 2004).
Figura 3: Bomba de fundo (OLIVEIRA, 2010).
Existem dois principais tipos de bomba: As bombas tubulares (tubing pump), e as bombas insertáveis (insert pump). A diferença entre elas é a forma como são instaladas no poço.
As bombas tubulares são instaladas no poço com a coluna de produção, ou seja, a camisa da bomba é integrada a coluna de produção. O pistão e a válvula de passeio são enroscados na extremidade da coluna de hastes, já a válvula de pé pode ser descida junto com a coluna de produção ou descida com o pistão, desde que o pistão seja apropriado para tal tarefa. Este tipo de bomba apresenta uma maior capacidade de bombeamento para um dado diâmetro de tubulação.
Já as bombas insertáveis necessitam apenas de um mecanismo que prenda a parte estacionária da bomba a coluna de produção, pois já possuem todas as suas partes conectadas a coluna de hastes. A vantagem de utilizar-se bombas insertáveis é que existe a possibilidade de substituição da bomba através de uma manobra simples de coluna de hastes (COSTA, 2004).
PISTÃO
O pistão pode ser definido como a parte móvel da bomba de fundo. É um importante componente na elevação dos fluidos pois abriga a válvula de passeio, que sustentam e elevam os fluidos durante o curso ascendente. São utilizados três tipos de pistão: Metálico com superfície lisa; metálico com superfície ranhurada: as ranhuras proporcionam maior lubrificação e acúmulo de sólidos; de fibra: são mais baratos, porém menos resistentes (SOUSA et al., 2013).
CAMISA
A camisa é a parte fixa da bomba de fundo, abriga a válvula de pé, que permite a penetração do fluido na camisa durante o fluido ascendente do ciclo. A camisa consiste de um tubo, sendo que a superfície interna é endurecida ou revestida com uma camada dura. O tubo camisa pode ser fixo ou móvel (OLIVEIRA, 2010).
VÁLVULA DE PÉ E PASSEIO
As válvulas de pé e passeio foram projetadas para selar ou permitir a passagem de fluido. Devem permitir a passagem de fluido somente no curso ascendente, já no curso descendente selam a passagem do fluido, nesse caso, funcionam como válvula de retenção. Como estão sujeitas a trabalho constante, muitas vezes em ambientes abrasivos e corrosivos, com o passar do tempo ocorre o desgaste das válvulas, o que ocasiona a vedação ineficiente. Na Figura 4, pode-se observar a esfera danificada.
Figura 4: Sede e esfera danificadas (OLIVEIRA, 2010)
COLUNA DE HASTES
A coluna de hastes é o equipamento que mais necessita de atenção, pois está sujeita a vários tipos de esforços. Pode ocorrer de operar em condições abrasivas ou corrosivas, o que causaria o seu desgaste prematuro. Também está sujeita a cargas cíclicas, uma vez que o peso do fluido é sustentado por ela no curso ascendente e pela coluna de produção no curso descendente.
As hastes podem ser de aço, sendo as mais utilizadas, ou de fibra de vidro. As hastes de fibra de vidro são indicadas para poços com muitos problemas de corrosão e cargas mais elevadas, sendo assim, tornam-se mais caras. As hastes de aço são classificadas de acordo com o seu diâmetro nominal e grau do aço, enquanto as hastes de fibra de vidro são classificadas de acordo com o diâmetro nominal e a temperatura admissível de trabalho e composição química das extremidades.
A haste polida é a primeira haste no topo da coluna, o seu objetivo é proporcionar uma melhor vedação na cabeça do poço, e devido a alternância de movimentos, a haste polida está sempre entrando e saindo do poço. Para complementar a vedação na cabeça do poço, é introduzido um equipamento chamado stuffing box. A seção da coluna de hastes sujeita a maior força de tração está na haste polida, pois sustenta as seguintes cargas:
- Peso das hastes (Ph): É o peso da coluna de medido no ar, como se a mesma fosse suspensa por inteiro. Seu valor é constante e positivo.
- Força de empuxo (Fe): É igual ao peso do fluido deslocado pela coluna das hastes, ou seja, a força que empurra a coluna para cima, por isso o seu valor é constante e negativo, de baixo para cima.
- Força de aceleração (Fac): É a força responsável pela variação da velocidade das hastes. Quando a coluna atinge o seu ponto mais alto do curso ascendente, a velocidade é nula, o mesmo acontece no curso descendente, quando a coluna atinge o seu ponto mais baixo.
- Força de fricção (Ff): Esta força ocorre devido ao atrito das hastes com o fluido e com a coluna de produção, atuando no sentido oposto ao fluxo de fluidos. Seu valor é variável e quanto maior a velocidade das hastes, maior a força de fricção.
- Peso do fluido (Pf): É o peso sustentado pela coluna de hastes durante o curso ascendente, quando a válvula de passeio se fecha.
Somando-se todas as variáveis citadas acima, obtém-se a carga (F), expressa abaixo:
F = Ph + Fe + Fac + Ff + Pf
Esta é a carga que a unidade de bombeio deve suportar, por isso a unidade deve estar bem balanceada. O seu valor varia continuamente durante um ciclo, porém é sempre positivo ou nulo (THOMAS, 2004).
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
No bombeio mecânico o movimento rotativo de um motor é transformado em movimento alternativo, e transmite esse movimento ao fundo do poço através da coluna de hastes, efetuando os cursos ascendentes e descendentes, acionando uma bomba que eleva os fluidos a superfície (THOMAS, 2004).
As bombas de subsuperfície utilizadas no bombeio mecânico possuem o princípio alternativo (deslocamento positivo) e são do tipo camisa, pistão e válvulas. A válvula fixa, junta a coluna de trabalho é chamada de válvula de pé, enquanto a válvula contida no pistão, que age como uma válvula de descarga é chamada válvula de passeio. Como já dito antes, funcionam como válvula de retenção, mas também são elas que permitem ou não a passagem do fluido. A camisa da bomba é conectada a extremidade inferior da coluna de tubos de produção, enquanto que o pistão é acionado diretamente pela coluna de hastes. A Figura 5 representa o funcionamento da unidade de bombeio, elevando os fluidos e a posição das válvulas em cada momento, enquanto o pistão se move para o interior da camisa. 
Figura 5: Funcionamento da Bomba de Fundo (LIMA, 2014)
Assim que o pistão inicia o curso ascendente, a válvula de passeio fecha, sustentando o líquido presente no tubo acima do pistão, e não permitindo o retorno do mesmo para a formação. Ao mesmo tempo, a válvula de pé se abre, devido ao alívio de pressão consequente do curso ascendente e subida do pistão e coluna de hastes. Com a abertura da válvula de pé, torna-se possível a entrada do fluido no poço. Já no movimento descendente, a válvula de passeio se abre, permitindo assim o preenchimento total do pistão, enquanto a válvula de pé fecha, decorrente do aumento de pressão no interior do poço.
ASPECTOS DE OPERAÇÃO
Nesta subseção pretende-se introduzir alguns fenômenos que ocorrem no bombeio mecânico. Alguns fenômenos relacionados à geração da carta dinamométrica, que é um elemento de suma importância para a avaliação do bombeio. Estes aspectos são importantes na análise do comportamento do sistema de bombeio mecânico e para a identificação e correção de problemas que venham a comprometer o bom funcionamento do método.
ELASTICIDADE DAS HASTES
Como já foi citado, durante o movimento ascendente da coluna de hastes, a câmara da bomba é preenchida pelo fluido e o aumento da carga provoca o alongamento das mesmas. Já no movimento descendente, com o esvaziamento da câmara da bomba, o conjunto de hastes se contrai e tende a retornar ao seu comprimento original.
FORÇAS DE ACELERAÇÃO
No início do ciclo de subida a força de aceleração é máxima, e vai diminuindo conforme o pistão alcança o curso máximo para iniciar o ciclo de descida. Já no curso descendente acontece o efeito oposto, até que o pistão retorna ao ponto inicial.
VIBRAÇÃO DE HASTES
Umefeito que dificulta a interpretação das cartas dinamométricas de superfície é a introdução de harmônicas de amortecimento na coluna de hastes devido a variações bruscas de carga. Resultado disso é uma oscilação das tensões na coluna de hastes que não são bem representadas na carta dinamométrica de superfície (ORDOÑEZ, 2008).
PANCADA DE FLUIDO
A pancada de fluido ocorre quando a câmara do pistão não é totalmente preenchida durante o movimento ascendente. No funcionamento normal, a válvula de passeio se abre quando a câmara está totalmente preenchida no ciclo descendente, e a pressão permite um descarregamento suave da bomba. Quando a câmara não se preenche completamente, a coluna de gás proporciona uma pressão abaixo da necessária para abrir a válvula de passeio. Em algum momento durante a descida, o pistão encontrará com a coluna de fluido e ocorrerá uma brusca transferência de carga.
A pancada de fluido torna-se um fenômeno indesejado, pois aumenta o desgaste mecânico dos equipamentos, em alguns casos ocasiona até a parada do poço para intervenção com sonda para reparo ou troca de equipamentos. Isso causa o aumento dos custos e a diminuição da produção.
A Figura 6 demostra o fenômeno da pancada de fluido. Em A, o movimento ascendente ocorre sem o pistão estar totalmente preenchido pelo fluido, em B o início do movimento descendente com parte de gás entre o pistão e o óleo, e em C o momento em que ocorre a pancada de fluido.
Figura 6: Representação do fenômeno da pancada de fluido (ORDOÑEZ, 2008)
CARTAS DINAMOMÉTRICAS
A carta dinamométrica é a principal ferramenta de avaliação do bombeio mecânico. Segundo a avaliação da carta pode-se dizer se os bombeio está sendo realizado em condições favoráveis, ou se está ocorrendo algum problema no processo de elevação dos fluidos. Vale lembrar que pode-se obter uma carta dinamométrica de fundo, ou de topo.
A carta é obtida através da utilização de dinamômetros ou sensor de carga no poço. Os dados lidos são transferidos e interpretados com a análise de programas. Atualmente, com o avanço da tecnologia e a automação de diversas áreas, os dados podem ser monitorados a distância, sem a necessidade de que alguém compareça ao poço para efetuar a leitura das cartas, porém, sempre que há dúvidas nos dados que estão sendo obtidos solicita-se o comparecimento na cabeça do poço. A figura 7 mostra o posicionamento comum do dinamômetro ou sensor de carga.
Figura 7: Instalação do dinamômetro ou sensor de carga (LIMA, 2014)
Vários fatores alteram a obtenção de uma carta dinamométrica, o dimensionamento total do sistema é um deles, e deve ser levado em consideração. Se a unidade de bombeio não estiver bem dimensionada, a leitura da carta não vai ser correta, dentre alguns fatores, pode-se observar: a carga máxima e mínima na haste polida, o curso efetivo do pistão, o torque requerido no redutor e a potência máxima na haste polida, a velocidade de rotação do motor. O mal posicionamento do dinamômetro também altera a leitura dos dados.
Há momentos em que a unidade de bombeio já está dimensionada para a menor produção possível, mesmo assim, a capacidade de produção do poço está menor que o esperado, nesse caso, adota-se uma técnica chamada de pump-off, que consiste no funcionamento intermitente da unidade de bombeio. O motor para até que os fluidos desloquem-se do reservatório para o interior do poço, possibilitando assim a elevação viável dos mesmos.
Pelos motivos citados acima, e por outros que podem vir a acontecer se fala tanto na automatização dos poços e do controle inteligente dos métodos de elevação, a fim do monitoramento a distância dos poços e em alguns casos, o ajuste automático do bombeio a fim de atender as necessidades da produção. Elementos como o controle de corrente elétrica, torque, nível de óleo, vazão de óleo produzido, controle do pump-off, dentre outros, tornam-se um diferencial na operação do bombeio, e podem contribuir consideravelmente para a obtenção do tipo de carta dinamométrica desejada.
Para entender a leitura de cartas dinamométricas, pode-se adotar alguns padrões, seja ela uma carta normal, ou esteja ela registrando problemas operacionais. A Figura 8 demostra como seria uma carta dinamométrica em condições ideais de bombeio, para isso, deve-se assumir uma velocidade baixa de bombeio, considerar a elasticidade da coluna de hastes igual a zero, e desprezar as perdas de carga ao longo da coluna no retângulo formado por 1-2-3-4.
No ponto 1, inicia-se o curso ascendente, onde a válvula de passeio está fechada. Instantaneamente se atinge o ponto 2, ou seja, a carga foi transferida da válvula de pé para a de passeio rapidamente. Do ponto 2 ao 3 o pistão está subindo junto com a válvula de passeio até o ponto 3, onde se inicia o curso descendente. Neste instante a válvula de passeio abre e a válvula de pé fecha. Aqui, a transferência de carga entre a válvula de passeio para a válvula de pé foi instantânea atingindo o ponto 4. Do ponto 4 ao 1 o pistão está descendo e os esforços estão sobre a válvula de pé e a coluna de produção (TAKÁCS, 2003).
Figura 8: Carta dinamométrica ideal e com efeito de alongamento das hastes (TAKÁCS, 2003).
Na prática se sabe que em condições normais não existem cartas assim, pois existem diversos fatores que causam deformações nelas, por fatores que podem ser:
- Cargas dinâmicas devido ao movimento de hastes;
- Tensões ao longo das hastes, causando stress na superfície e no fundo;
- O stress citado acima pode coincidir com a frequência fundamental das hastes, causando mudança nas cargas;
- A bomba de fundo e as válvulas são afetadas pela incompressibilidade dos fluidos;
- Problema nos equipamentos de fundo também causam mudanças na carga.
Para uma situação mais real, pode-se observar os pontos 1-2’-3-4’, onde os desenho das cartas levou em consideração os fatores citados acima. A Figura 9 exibe uma carta dinamométrica em condições normais.
Figura 9: Carta dinamométrica (NASCIMENTO, 2005)
Fazendo uma análise mais profunda da carta da Figura 9, pode-se definir que as linhas horizontais retas, traçadas perpendicularmente ao eixo vertical (carga na haste polida), representam as cargas que a haste polida está sendo submetida. A linha superior permite determinar a carga na válvula de passeio quando a unidade está no meio do curso ascendente. A linha intermediária define a carga na válvula de pé no meio do curso descendente. Enquanto a linha inferior pode ser denominada “carga zero”, ou seja, não há carga no dinamômetro.
Como dito no início do tópico, existem dois tipos de cartas dinamométricas, a de fundo e a de superfície. Tais cartas permitem diagnosticar o a unidade de bombeio, os seus equipamentos e o bombeio em si. Para ser mais específico, a análise das cartas dinamométricas permite determinar:
- Determinação das cargas que atuam na unidade de bombeio e na haste polida;
- Determinação da potência requerida para a unidade de bombeio;
- Ajuste do contrabalanço da unidade de bombeio;
- Verificação das condições de bombeio da bomba e válvulas;
- Detecção de condições de falha.
A carta dinamométrica de fundo oferecem dados mais confiáveis sobre as condições operacionais da bomba de fundo e uma interpretação mais direta do funcionamento do sistema de bombeio. Com a carta de fundo, é mais fácil distinguir modos de operação do sistema de bombeio, alguns são (LIMA, 2004):
- Normal;
- Pancada de fluido;
- Interferência de gás;
- Vazamento das válvulas de passeio e pé;
- Escorregamento na bomba;
- Furo na coluna de produção;
- Espaçamento de fundo incorreto;
- Parafina.
Por outro lado, a carta de superfície está relacionada a carga e o deslocamento em referência a haste polida, portanto, não se sabe ao certo o que ocorre na parte inferior da bomba. Através de modelos matemáticos associados a dinâmica da coluna de hastes é possível elaborar a carta dinamométrica de fundo, que traz um auxílio mais completo para diagnosticar problemas na operação.
A Figura 10 demostraa geração da carta de fundo, tendo como base as forças atuantes na bomba de fundo.
Figura 10: Carta dinamométrica de fundo (ORDOÑEZ, 2008)
Em A, o movimento ascendente está para iniciar. A válvula de passeio está aberta, e portanto a diferença entre a pressão de descarga (Pd) e a pressão da câmara da bomba de fundo (Pc) é nula, já que o fluido da câmara do pistão está em contato com a coluna de fluido. A válvula de pé está sustentando todo o peso da coluna hidrostática, portanto, Pd e Pc são maiores do que a pressão de sucção da bomba (Ps). Quando o pistão inicia o seu curso, o volume da câmara expande-se fazendo com que Pc diminua, e tem-se: Pd > Pc > Ps, mesmo com o decréscimo de Pc, a contra pressão que Ps faz sobre a válvula de pé ainda não é suficiente para abri-la. A diferença entre Pd e Pc aumenta conforme o pistão continua com o seu movimento ascendente.
Em B, a contra pressão exercida por Ps já é suficiente para abrir a válvula de pé com uma máxima diferença entre Pd e Pc, e tem-se: Pd >> Pc = Ps. Existe fluxo para o interior da câmara a partir do momento em que Pc < Ps. O pistão sobe até seu curso máximo, em C, onde o fluxo através da válvula de pé cessa e a esfera aloja-se devido a pressão exercida sobre ela. A presença de gás pode reduzir o curso útil do pistão dado o caráter de expansão do gás.
Em D, o pistão desloca-se na descendente reduzindo assim, o volume entre as válvulas de pé e passeio, o que provoca o aumento de Pc em relação a Pd. Conforme o curso descendente do pistão, Pc torna-se maior que Pd, e existe fluxo de fluido através da câmara do pistão para a coluna. Neste momento tem-se: Pd < Pc >> Ps. Finalmente em E, cessa o fluxo através da válvula de passeio, e a esfera aloja-se na sede devido a pressão exercida sobre a mesma.
No traçado da Figura 9 é mostrado uma carta dinamométrica com enchimento completo, pode-se afirmar que um funcionamento anormal da bomba de fundo (vazamentos nas válvulas de pé ou passeio, pistão preso, pancada de fluido, entre outros problemas) ocasionará um traçado diferente do mostrado na Figura 9 e será identificado. Na literatura, este enchimento completo da bomba é denominado por carta cheia (ORDOÑEZ, 2008).
PADRÕES DE CARTAS DINAMOMÉTRICAS DE FUNDO
A partir da geração da carta dinamométrica de superfície e posteriormente, com a obtenção de dados analíticos, a obtenção da carta dinamométrica de fundo, notou-se que a carta de fundo tornou-se o principal recurso de identificação do bombeio. Com a obtenção das mesmas, pode-se observar alguns padrões de acordo com os problemas operacionais que o bombeio estava sendo submetido. Atualmente já se sabe muito apenas pela análise superficial de uma carta, tendo como base justamente esses padrões. A seguir serão explicados os principais padrões das cartas dinamométricas para identificação de problemas operacionais.
CARTA DINAMOMÉTRICA NORMAL
Quando a carta é dita normal, o bombeio está funcionando dentro das condições esperadas, boa eficiência volumétrica, baixa interferência do gás, pressão de sucção baixa ou média.
A Figura 11 mostra alguns exemplos de cartas dinamométricas normais. Nos casos demostrados na figura a seguir, é possível observar uma carta normal com aceleração de fluido em (a), carta normal com atrito em (b). Em (c), pode-se dizer que a coluna está bem ancorada, caso contrário, quando há problemas na ancoragem, ou a coluna não está ancorada, a carta será semelhante a um paralelogramo, o que pode ser observado em (d).
Figura 11: Carta dinamométrica normal (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM PANCADA DE FLUIDO
A pancada de fluido, como explicado anteriormente, é um fenômeno que ocorre quando a camisa não é totalmente preenchida pelo fluido ao iniciar o curso ascendente. Nesse caso, a carta é gerada com aparência similar a Figura 12. No item (a) a pancada de fluido é suave, já nos itens (b) e (c) a pancada de fluido é severa. No item (d) e no item (e) a produção é quase nula.
Figura 12: Carta dinamométrica de fundo com pancada de fluido (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM INTERFERÊNCIA DE GÁS
Quando há grande quantidade de gás associado ao óleo, o mesmo amortece o choque entre o pistão e o óleo no curso descendente, fazendo com que a carga seja suavemente transferida da válvula de passeio para a válvula de pé. Em consequência disso, pode ocorrer um bombeio ineficiente e causar danos mecânicos aos equipamentos. Alguns exemplos de cartas dinamométricas que apresentam interferência de gás podem ser vistos na Figura 13, onde a ancoragem da coluna de tubos não influencia significativamente.
Figura 13: Carta dinamométrica de fundo com interferência de gás (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM VAZAMENTO DE VÁLVULA
É comum a ocorrência de vazamento nas válvulas de pé ou passeio, pelo desgaste das mesmas com o tempo, ou por muitas vezes serem submetidas a trabalhar em ambientes abrasivos e corrosivos. 
O vazamento na válvula de pé causa queda de pressão no curso descendente, enquanto o vazamento na válvula de passeio causa queda de pressão no curso ascendente. Na Figura 14 em (a) e (e) pode-se observar a forma típica de uma carta com vazamento na válvula de pé, quando existe queda de pressão no curso descendente. Já em (b) o desgaste está ocorrendo na válvula de passeio, que faz com que durante o curso ascendente haja descarga prematura da carga de volta a válvula de pé. Em (c) o vazamento é moderado na válvula de pé, o contrário de (d), em que o vazamento é moderado na válvula de passeio. Em (f) o vazamento ocorre na válvula de passeio com coluna não ancorada. O vazamento na válvula de passeio é mais frequente do que na válvula de pé
Figura 14: Carta dinamométrica de fundo com vazamento de válvula (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM BATIDAS NA BOMBA
Batidas na bomba ocorrem apenas em bombas insertáveis e são causadas por espaçamento inadequado da bomba. A Figura 15 mostra em (a) uma batida no fundo da bomba e em (b), uma batida no topo da bomba.
Figura 15: Carta dinamométrica de fundo com batidas na bomba (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM PROBLEMAS NA COLUNA OU NO PISTÃO
Outros problemas ocorridos no bombeio também podem ser detectados nas cartas dinamométrica de fundo. A Figura 16 mostra alguns desses problemas, entre eles, a ancoragem ineficiente da coluna em (a) e (b), pistão preso por areia em (d), ou até mesmo a ruptura da coluna de hastes em (c), quando não há produção.
Figura 16: Carta dinamométrica de fundo com problemas na coluna ou no pistão (NORONHA et al., 2004)
CARTA DINAMOMÉTRICA DE FUNDO COM EFEITOS SOBREPOSTOS
Os diversos problemas que podem ser detectados nas cartas dinamométricas de fundo podem ser visualizados isoladamente, como nos casos vistos acima, ou sobrepostos, como mostra a Figura 17. Os efeitos sobrepostos mais comuns estão relacionados a interferência de gás, problemas na bomba e na coluna de hastes (NORONHA et al., 2004).
Figura 17: Carta dinamométrica de fundo com superposição de efeito (NORONHA et al., 2004)
ESTUDO DE CASOS
Os métodos utilizados para a dada pesquisa foram: Pesquisa (revisão bibliográfica) com o objetivo de sintetizar os principais conceitos sobre o tema; Acompanhamento de coleta de dados de poços em campo objetivando o entendimento do procedimento técnico in loco, e a utilização do software de processamento; Interpretação de cartas dinamométricas na identificação de falhas e problemas operacionais nos poços.
O software utilizado para processamento das cartas foi o total well management (TWM) e foram cedidas cartas dinamométricas pela PETROBRAS UO-SEAL como parte do material necessário e essencial para a realização do presente trabalho.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
É fato que pode-se observar a olho nu o que está acontecendo na cabeça do poço e nas suas proximidades superficiais, a que parâmetros a unidade de bombeioestá sendo submetida, mas para o preciso diagnóstico do que ocorre no interior do poço ficou claro que precisa-se adotar o uso de ferramentas auxiliares, e neste trabalho citou-se a carta dinamométrica, que permite definir a que ambientes o bombeio está sendo submetido.
Em visita técnica ao campo de Carmópolis, foi realizado o acompanhamento de poços equipados com bombeio mecânico, o que possibilitou a visualização de tudo o que foi lido em pesquisa bibliográfica.
Para realizar o acompanhamento dos poços, o técnico dirige-se ao local onde está situada a unidade de produção com todo o equipamento necessário para assim, realizar a leitura de dados e posteriormente a obtenção da carta. Além de ferramentas manuais, o profissional é amparado por softwares que realizam cálculos e simulações a fim de facilitar o trabalho e evitar erros. A Figura 18 mostra o momento em que o profissional responsável se aproxima da cabeça do poço amparado pelo equipamento para realizar a leitura das variáveis e posteriormente obter a carta dinamométrica.
Entre os equipamentos, destaca-se o dinamômetro, que efetua a leitura das cargas na haste polida nos movimentos de ascendência e descendência.
Figura 18: Momento em que o operador do equipamento se aproxima da cabeça do poço para realizar as leituras.
O dinamômetro está conectado a uma maleta que contém todo o programa necessário para decifrar a leitura das cargas e realizar o desenho da carta dinamométrica do referente poço.
Na visita realizada e acompanhamento dos poços citados, foi utilizado um software denominado TOTAL WELL MANAGEMENT da ECHOMETER. A Figura 19 mostra a interface do software.
Figura 19: Software Total Well Management (ECHOMETER)
O operador do programa realizava as leituras de pressão, temperatura, e outras variáveis, inseria no software para que o mesmo entendesse a que condições o poço estava trabalhando e identificasse se aquela condição de trabalho estava sendo favorável a produção de fluidos. É importante destacar que mesmo com o auxílio do software, é necessário que o profissional conheça e saiba traduzir os dados, para tomar as decisões certas e saber o que ajustar caso o bombeio não esteja trabalhando em condições favoráveis. Após inserir todos os dados no software, o mesmo fornece a carta pronta ao operador.
A PETROBRAS UO-SEAL disponibilizou 6 cartas dinamométricas para análise e diagnóstico da produção em cada unidade de bombeio, demostradas a seguir.
Com a análise das cartas presentes a seguir, pode-se observar alguns problemas operacionais que estão ocorrendo. Alguns fatores podem estar influenciando o não funcionamento ideal do método, como o nível de fluido, que pode estar abaixo do desejado, ocasionando o baixo volume de fluido no interior do poço. Problemas mecânicos também podem estar atrapalhando o bom funcionamento do método, faz-se necessária então, a análise da carta de cada poço, para então tomar-se a melhor decisão.
Figura 20: Carta dinamométrica do poço CP-0305
De acordo com a literatura, e com a apresentação da carta dinamométrica do poço CP-0305, presente na Figura 20 pode-se dizer que o bombeio está sendo efetuado com pancada de fluido, ou seja, o pistão está se chocando com o fluido no interior da camisa devido ao enchimento incompleto da mesma, isso faz com que a transferência de cargas não seja suave e o pistão encontre com o fluido de forma brusca no fim do curso descendente.
Figura 21: Carta dinamométrica do poço CP-0312
Também pode ser citada a pancada de fluido no poço CP-0312, ilustrado pela carta dinamométrica presente na Figura 21, pois a camisa não foi totalmente preenchida, e no meio do curso descendente ocorreu o encontro brusco do pistão com a coluna de fluido. Em ambos casos citados acima pode-se observar nas figuras que a carga não é transferida suavemente no início do curso descendente, como deve ocorrer em situações normais.
Figura 22: Carta dinamométrica do poço CP-0812
Já no poço CP-0812, a análise é um pouco mais complexa, pois não há transferência de carga entre os cursos ascendentes e descendentes, nesse caso a produção é nula, analisando a carta de fundo. Porém, a carta de superfície mostra diferença de carga entre os cursos. Portanto, conclui-se que a haste está partida ou presa devido a esforços excessivos na coluna de hastes, provavelmente pela presença de parafina ou outro composto, no poço, pois de acordo com a carta obtida, presente na Figura 22 a haste tenta descer mas encontra a resistência, o que explica a carga constante exibida na carta.
A Figura 23 mostra mais um caso de bombeio com pancada de fluido, observado no poço CP-1248 podendo ser classificada como severa, pois a transferência de carga no início do curso descendente não é suave e a transferência de carga da válvula de passeio para a válvula de pé não é gradativa, ou seja, o bombeio inicia o seu curso ascendente após brusco encontro da coluna com a válvula de pé.
Figura 23: Carta dinamométrica do poço CP-1248
Diferente das cartas demostradas nas Figuras 20, 21 e 23, nos poços CP-1307 e CP-1519 ilustrado pelas Figura 24, e 25 não ocorre a pancada de fluido, mas a coluna pode estar furada, isso faz com que ocorra vazamento de fluido e consequentemente o alívio de pressão entre as válvulas. No caso de vazamento as causas podem ser abrasão devido a presença de areia e/ou corrosão. Comparando as cartas dos poços CP-1307 e CP-1519 é possível diferenciar a gravidade do vazamento. No poço CP-1307, a diminuição de carga durante o curso ascendente é maior, de forma que a unidade de bombeio inicia o curso descendente com carga baixa, já no poço CP-1519, o decaimento de carga é mais discreto, o que pode ser consequência de um menor vazamento.
Figura 24: Carta dinamométrica do poço CP-1307
Figura 25: Carta dinamométrica do poço CP-1519
CONCLUSÕES
No presente trabalho realizou-se a explicação do método de elevação artificial bombeio mecânico, suas principais finalidades, restrições e seus principais componentes. O conhecimento aprofundado do método de elevação utilizado proporciona a capacidade de produção eficiente e o objetivo desejado. Porém, se o bombeio não atender as necessidades da produção, a mesma não estará sendo eficiente e lucrativa, tendo em vista que o petróleo é uma área bastante onerosa. Podemos dizer então que um dos objetivos da utilização do método ideal, além da melhor produção é a diminuição de custos.
Sabendo-se que para a otimização da produção de petróleo, faz-se necessária a instalação de um método de elevação artificial e o bombeio mecânico com hastes é o método mais utilizado no mundo, chegando a superar 80% dos poços, torna-se indispensável o melhor conhecimento sobre o método, buscando entender suas limitações e otimizar o bombeio.
A carta dinamométrica entra como principal ferramenta de diagnóstico do bombeio e visa apontar em que aspecto o bombeio está sendo deficiente para que o operador possa tomar as decisões cabíveis. É importante o operador saber que dificuldades a unidade de bombeio está enfrentando, para isso existem alguns padrões de cartas dinamométricas. Portanto, ele deve possuir o conhecimento necessário para identificar os problemas e tentar corrigi-los.
O bom funcionamento da unidade de bombeio otimiza a produção de fluidos, além de diminuir custos operacionais, com manutenção e conserto de equipamentos, ou seja, a utilização de cartas dinamométricas não só permite dizer o que está acontecendo no momento do bombeio, mas também pode prevenir situações indesejadas no futuro.
Nos poços estudados através de visita técnica ao campo de Carmópolis, e com a análise das cartas dinamométricas dos mesmos cedidas pela PETROBRAS UO-SEAL, pode-se constatar os problemas operacionais de cada unidade de bombeio, deve-se então realizar os procedimentos cabíveis para solucionar cada problema, de forma que o bombeio seja realizado com maior eficiência possível.
Portanto, pode-se concluir que os problemas encontrados nas cartas apresentadasreferentes aos poços do campo de Carmópolis foram: Haste partida, pancada de fluido, furo na coluna. Um fato interessante a ser observado é que os problemas encontrados nos respectivos casos fazem-se presentes no movimento descendente, portanto, nos poços em que foi identificada a pancada de fluido o nível do mesmo no poço pode estar baixo, tornando-se necessário assim a análise da viabilidade do bombeio nesses casos, ou a implementação de medidas para otimizar a produção. Nos casos de haste partida, ou furo na coluna o mais indicado é a substituição dos equipamentos danificados e no caso de batidas na bomba, a mesma pode estar mal dimensionada.
É importante ressaltar que além da análise isolada de cada problema operacional do bombeio, também é possível fazer a análise sobreposta dos efeitos, pois podem existir casos que a unidade de bombeio esteja operando com mais de um problema, o que deve ser corrigido.
Pode ser sugerido o acompanhamento em tempo real (online) do bombeio em escritório, para que em caso de dúvidas não se perca tempo dirigindo-se ao local para realizar as leituras. Isso já é possível hoje em dia, os profissionais acompanham o poço a distância. Porém, o método mais seguro e preciso ainda é a leitura presencial dos parâmetros, pois um sistema de monitoramento online ainda é sujeito a erros e interferências na recepção de dados.
Com o avanço tecnológico e a necessidade de agir rápido, pois qualquer diferença de tempo perdido pode significar milhões de dólares perdidos, seria essencial que o monitoramento dos poços por computadores fosse inteligente, identificando os problemas que possam estar ocorrendo e tomando as decisões cabíveis simultaneamente.
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