BennoWA

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UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Estudo de Estratégias de Otimização para Poços
de Petróleo com Elevação por Bombeio de
Cavidades Progressivas
Benno Waldemar Assmann
Orientador: Prof. Dr. Andres Ortiz Salazar
Co-orientador: Prof. Dr. João Alves de Lima
Tese de Doutorado apresentada ao Pro-
grama de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica da UFRN (área de concentração:
Automação e Sistemas) como parte dos re-
quisitos para obtenção do título de Doutor
em Ciências.
Número de ordem PPgEE: D027
Natal, RN, Fevereiro de 2008
Estudo de Estratégias de Otimização para Poços
de Petróleo com Elevação por Bombeio de
Cavidades Progressivas
Benno Waldemar Assmann
Tese de Doutorado aprovada em 08 de fevereiro de 2008 pela banca examinadora com-
posta pelos seguintes membros:
D.Sc. Andres Ortiz Salazar (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN
D.Sc. João Alves de Lima (co-orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEM/UFRN
D.Sc. Otacílio da Mota Almeida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UFCE/DEE
D.Sc. Valdir Estevam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Petrobras/E&P/ENGP/EE
D.Sc. André Laurindo Maitelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN
Aos meus filhos, Felipe e Vitor,
minha esposa, Sônia, e minha mãe,
Nilsa, pela paciência, apoio e por
suportarem a minha ausência
durante a realização deste trabalho.
Ao meu pai (in memorian), Silvio,
pelo seu inspirador exemplo de
dedicação e trabalho.
Agradecimentos
Ao meu orientador e ao meu co-orientador, professores Ortiz e João Lima, sou grato pela
orientação, sugestões e incentivo.
Aos colegas da Petrobras, em especial do ENGP/ELV pelo apoio e aos colegas do ATP-
MO/OP-CAM e ATP-MO/MI pela presteza na instalação e apoio nos procedimentos de
campo.
Aos demais colegas de pós-graduação, pelas críticas e sugestões.
À Petrobras, que financiou, apoiou e incentivou a realização deste trabalho.
Aos colegas do projeto AUTOPOC da UFRN, do qual este trabalho faz parte, especial-
mente a sua coordenação, pelo apoio.
Resumo
O sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas, BCP, tem se tornado
uma importante tecnologia de produção de poços de petróleo. Na medida em que cresce
o uso desta técnica, torna-se cada vez mais útil o conhecimento de seu comportamento
dinâmico, a aplicação das tecnologias de controle e o desenvolvimento de sistemas espe-
cialistas para dimensionamento dos equipamentos. Este trabalho apresenta o desenvolvi-
mento de ferramentas de análise, controle e dimensionamento a serem aplicadas a este
método de elevação.
O método de elevação artificial por bombeio de cavidades progressivas é composto por
uma bomba de cavidades progressivas instalada dentro do poço na extremidade inferior
da coluna de produção através das quais o fluido é bombeado. A bomba, que consiste de
duas peças, um estator e um rotor é acionada através da rotaçao do rotor através de uma
coluna de hastes. Os equipamentos de superfície geram e transmitem a rotação para esta
coluna de hastes.
Em primeiro lugar, apresenta-se o desenvolvimento de uma modelagem matemática
dinâmica completa do sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas. Este
modelo é simplicado para uso em diversas situações, inclusive a condição de regime per-
manente para fins de dimensionamento do sistema. A partir deste modelo matemático foi
desenvolvido um simulador dinâmico do sistema capaz de auxiliar na análise do sistema
e atuar em conjunto com controladores de forma a permitir o teste e desenvolvimento de
algoritmos de controle.
O desenvolvimento seguinte visa aplicar as técnicas de controle ao sistema de ele-
vação por bombeio de cavidades progressivas com a finalidade de otimizar a velocidade
de bombeio de forma a se obter produtividade e durabilidade dos componentes de sub-
superfície. É feita a linearização do modelo matemático, permitindo aplicar as técnicas
convencionais de controle, incluindo a análise de observabilidade e controlabilidade, es-
tabelecendo técnicas de projeto de controle PI. As condições de estabilidade são estabele-
cidas em torno do ponto de operação para o modelo linearizado.
É, também, desenvolvido um sistema de controle fuzzy baseado em regras a partir de
um sistema de controle PI utilizando uma máquina de inferência baseada nas t-normas de
Mandami.
A lógica fuzzy também é aplicada no desenvolvimento de um sistema especialista para
dimensionamento de BCP baseado em lógica fuzzy.
As técnicas de simulação, linearização e obtenção da função de transferência lineari-
zada foram aplicadas a um poço real ao qual foi implementado um sistema de controle
constituído de sensor de pressão de sucção da bomba, controlador industrial e variador
de freqüência. Aplicaram-se as técnicas de projeto de controle PI e controlador fuzzy
ao poço e comparou-se o comportamento dos dois controladores por simulação. A res-
posta em malha aberta da função de transferência foi comparada com a resposta em malha
aberta medida no poço, para fins de validação da técnica de modelagem matemática e de
simulação utilizadas.
Foi realizado um estudo de caso de dimensionamento de sistema BCP para validação
do sistema especialista.
Palavras-chave: Controle de Processo, Controle fuzzy, Elevação Artificial de Petróleo,
Bombeio por Cavidades Progressivas, Sistema especialista
Abstract
The progressing cavity pump artificial lift system, PCP, is a main lift system used
in oil production industry. As this artificial lift application grows the knowledge of it’s
dynamics behavior, the application of automatic control and the developing of equipment
selection design specialist systems are more useful. This work presents tools for dynamic
analysis, control technics and a specialist system for selecting lift equipments for this
artificial lift technology.
The PCP artificial lift system consists of a progressing cavity pump installed downhole
in the production tubing edge. The pump consists of two parts, a stator and a rotor, and is
set in motion by the rotation of the rotor transmitted through a rod string installed in the
tubing. The surface equipment generates and transmits the rotation to the rod string.
First, is presented the developing of a complete mathematical dynamic model of PCP
system. This model is simplified for use in several conditions, including steady state
for sizing PCP equipments, like pump, rod string and drive head. This model is used to
implement a computer simulator able to help in system analysis and to operates as a well
with a controller and allows testing and developing of control algorithms.
The next developing applies control technics to PCP system to optimize pumping ve-
locity to achieve productivity and durability of downhole components. The mathematical
model is linearized to apply conventional control technics including observability and
controllability of the system and develop design rules for PI controller. Stability condi-
tions are stated for operation point of the system.
A fuzzy rule-based control system are developed from a PI controller using a inference
machine based on Mandami operators.
The fuzzy logic is applied to develop a specialist system that selects PCP equipments
too.
The developed technics to simulate and the linearized model was used in an actual well
where a control system is installed. This control system consists of a pump intake pressure
sensor, an industrial controller and a variable speed drive. The PI control was applied
and fuzzy controller was applied to optimize simulated and actual well operation and the
results was compared. The simulated and actual open loop response was compared to
validate simulation.
A case study was accomplished to validate equipment selection specialist system.
Keywords: InteligentAutomatic Control, Artificial Lift, Progressing Cavity, Espe-
cialist System, Simulator, Fuzzy Logic
Sumário
Sumário i
Lista de Figuras v
Lista de Tabelas ix
Lista de Símbolos e Abreviaturas xi
1 Introdução 1
1.1 O Bombeio de Cavidades Progressivas na Indústria do Petróleo . . . . . . 1
1.2 Justificativa e motivação do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Importância do Controle de Velocidade no Sistema BCP . . . . . . . . . 7
1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Apresentação e Organização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 A elevação de Petróleo 13
2.1 O poço de Petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Fases da vida de um poço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Perfuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Completação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Produção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Abandono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Elevação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Elevação Natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 Elevação Artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Simulador Dinâmico BCP 33
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Estrutura do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 O sistema BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Modelo Matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.1 Motor de Indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.2 Propriedades dos fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.3 Diferencial de pressão na bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
i
3.4.4 Bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.5 Coluna de hastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.6 Anular Revestimento - coluna de produção . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6 Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Interface Gráfica do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.8 Simplificação do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.8.1 Parada com Rotor Preso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.8.2 Parada Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.8.3 Sistema de Controle de Reversão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.8.4 Operação Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.9 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4 Controle e Monitoramento 95
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Instrumentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1 Registro de nível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.2 Medição de pressão de sucção e de recalque da bomba . . . . . . 97
4.2.3 Medição da Carga Axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.4 Medição da potência elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.5 Medição de torque e outras possibilidades . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Controlador PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1 Modelo linear da BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Modelo Linear Simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.3 Sistema Linearizado no Ponto de Operação . . . . . . . . . . . . 104
4.3.4 Bomba Posicionada Acima dos Canhoneados . . . . . . . . . . . 104
4.3.5 Bomba Posicionada Abaixo dos Canhoneados . . . . . . . . . . . 105
4.3.6 Resposta em Malha Aberta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.7 Resposta em Malha Fechada e Projeto do Controlador . . . . . . 106
4.4 Lógica Fuzzy aplicada ao BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2 Aplicações da Lógica fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.3 Fundamentos de Lógica Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.4 Desenvolvimento de um controlador PI- fuzzy . . . . . . . . . . . 120
4.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5 Sistema Especialista para Projeto de BCP 129
5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.1 Objetivos de um sistema especialista . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.2 Características de um Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . 130
5.2.3 Vantagens e Desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.4 Funcionamento de um Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . 131
5.2.5 O uso de um Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.6 Justificativa de um Sistema Especialista de Dimensionamento de
BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3 Dimensionamento do sistema BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4 Estrutura do sistema especialista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5 Critérios de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.6 Dados de Entrada do Usuário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.7 Base de dados de equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.8 Simulação das condições de regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.9 Conjuntos Fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.10 Base de conhecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.11 Interface Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.12 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6 Resultados 153
6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2 Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.1 Instalações de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.2 Projeto de controle PI para o Poço . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.3 Especificação do Controlador PI-fuzzy . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.4 Simulação e Resposta em Malha Aberta . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.5 Simulação Comparada em Malha Fechada . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.6 Codificação e Teste do Controle Fuzzy no Controlador . . . . . . 167
6.2.7 Supervisão no SISAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2.8 Dados de Campo e Análise dos Resultados . . . . . . . . . . . . 178
6.3 Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.3.1 Problema Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.3.2 Características do Poço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.3 Disponibilidade de Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.4 Detalhamento do Processo de Inferência . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3.5 Análise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7 Conclusões e Recomendações 191
Referências bibliográficas 194
A Algoritmo de Controle - Código ACL 205
B Algoritmo de Controle - Código LADDER 213
Lista de Figuras
1.1 Esquema de um poço BCP . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 4
1.2 Peças que compõem a bomba de cavidades progressivas - o rotor e o estator 4
2.1 Armadilhas ou Trapas 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Armadilhas ou Trapas 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Operação de um broca de perfuração e circulação de lama . . . . . . . . 16
2.4 Canhoneio de um poço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Esquema de completação típica de um poço surgente . . . . . . . . . . . 18
2.6 Esquema típico de um poço surgente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 TPR e IPR de um poço e seu ponto de operação . . . . . . . . . . . . . . 23
2.8 Completação típica de gas-lift contínuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.9 Operação de válvula de de gas-lift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.10 Esquema de uma bomba alternativa de fundo . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.11 Curso descendente da bomba alternativa de fundo . . . . . . . . . . . . . 27
2.12 Curso ascendente da bomba alternativa de fundo . . . . . . . . . . . . . 27
2.13 Unidade de Bombeio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.14 Esquema Típico de Instalação de Fundo de um BCS . . . . . . . . . . . . 29
2.15 Esquema de Fundo e Superfície de um sistema BCS . . . . . . . . . . . . 30
2.16 Instalação típica de bombeamento hidráulico a jato . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Estrutura do Simulador de BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 O sistema BCP e suas partes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Acoplamento magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Relação entre abc e dq0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Distribuição de velocidade no escoamento anular laminar . . . . . . . . 49
3.6 Esquema de discretização das equações de conservação . . . . . . . . . 54
3.7 Esquema de discretização da equação de transporte de gás . . . . . . . . 54
3.8 Bomba de Cavidades Progressivas Single lobe . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.9 Características de uma bomba BCP 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.10 Cararcterísticas de uma bomba BCP 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.11 Conexões de uma bomba BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.12 Movimento excêntrico do eixo do rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.13 Deslocamento da bomba BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.14 Desempenho de bancada de uma bomba BCP . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.15 Setorização de um estágio da bomba BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.16 Variável z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.17 Variável xC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
v
3.18 Variável θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.19 Relação entre as variáveis numa bomba BCP na posição de referência . . 69
3.20 Relação entre as variáveis numa bomba BCP na posição correspondente
a um ângulo com relação à posição de referência . . . . . . . . . . . . . 70
3.21 seção transversal do volume da cavidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.22 Deformação do elastômero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.23 Esforços na coluna de hastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.24 Circuito mecânico representando os esforços de torção na coluna de hastes 74
3.25 Equilíbrio de massas no anular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.26 IPR composta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.27 Fluxograma de processo de dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.28 Acoplamento entre os diversos subsistemas . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.29 Fluxograma da Classe SimuladorBCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.30 Tela Principal do Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.31 Tela de configuração do Poço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.32 Tela de configuração do Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.33 Tela de configuração da Bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.34 Tela de configuração do Fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.35 Tela de configuração do Reservatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.36 Tela de configuração do Anular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.37 Tela de configuração da Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1 Instrumentação Ideal para BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2 Diagrama de Blocos em Malha Fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 Conceito de pertinência tradicional (esquerda) e fuzzy (direita) . . . . . . 118
4.4 Funções de pertinência usuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5 Fuzzificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6 Esquema Geral de fuzzificação das entradas erro e variação do erro . . . 125
4.7 Regras de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.8 Concepção do Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1 Estrutura de um Sistema Especialista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 Tela de Apresentação de Dados de Bombas . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.3 Tela de Apresentação de Dados de Cabeçotes . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.4 Fuzzificação dos Fatores de Utilização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5 Fluxograma de Processamento de Informação do Sistema Especialista
para Dimensionamento de BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.6 Regras de Produção de Avaliação de Bomba . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.7 Regras de Produção de Avaliação de Hastes . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.8 Regras de Produção de Avaliação de Cabeçotes . . . . . . . . . . . . . . 146
5.9 Tela Principal do Sistema Especialista DIMBCP . . . . . . . . . . . . . 148
5.10 Tela de seleção de Cabeçote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.11 Tela de seleção de coluna de hastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.12 Tela de seleção de Bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.13 Tela de entrada e de Resultados do Sistema Especialista de Dimensiona-
mento de BCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.14 Tela de entrada de outros dados do Sistema Especialista . . . . . . . . . 152
5.15 Tela de configuração de faixas de utilização ótimas e toleráveis . . . . . . 152
6.1 Instalações de superfície . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2 Variador de Freqüência CFW09 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3 Entradas e Saídas Analógicas e Digitais do VSD . . . . . . . . . . . . . 156
6.4 Controlador EXS-1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5 Entradas Analógicas do Controlador EXS-1000 . . . . . . . . . . . . . . 157
6.6 Saídas Analógicas do Controlador EXS-1000 . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.7 Instalação física do controlador, rádio VHF e antena de comunicação . . 158
6.8 Ligações entre os equipamentos eletrônicos . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.9 Detalhes da instalação do controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.10 Detalhes da instalação do VSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.11 Interface gráfica móvel do controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.12 Notebook conectado ao controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.13 Conversão de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.14 Resposta de pressão para vários Ki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.15 Resposta de velocidade para vários Ki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.16 Resposta de pressão para vários Kp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.17 Resposta ao degrau de pressão para várias faixas de fuzzificação da vari-
ação do erro . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 166
6.18 Resposta ao degrau de pressão para várias faixas de fuzzificação de erro 168
6.19 Resposta em Malha Aberta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.20 Simulação Comparada do PI convecional e Controle Fuzzy . . . . . . . . 169
6.21 Simulação Comparada do PI convecional e Controle Fuzzy . . . . . . . . 169
6.22 Relação de subprogramas na tela do ACL . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.23 Sub-rotina de controle do programa fuzzy na tela do ACL . . . . . . . . . 172
6.24 Rotina de fuzzificação na tela do ACL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.25 Tela de envio do programa para o Controlador . . . . . . . . . . . . . . 173
6.26 Tela de teste do programa ACL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.27 Tela Principal do SISAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.28 Tela de alarmes do SISAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.29 Tela de Monitoramento das entradas analógicas do SISAL . . . . . . . . 176
6.30 Tela de visualização e configuração de parâmetros do SISAL . . . . . . . 177
6.31 Tela de configuração dos parâmetros do controlador fuzzy . . . . . . . . 177
6.32 Tela de importação de dados do histórico do SISAL . . . . . . . . . . . . 178
6.33 Resposta do controle PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.34 Resposta do controle FUZZY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.35 Comparção da resposta de freqüência PI x fuzzy . . . . . . . . . . . . . . 181
6.36 Resposta de pressão ao degrau do controle FUZZY . . . . . . . . . . . . 181
6.37 Resposta de freqüência ao degrau do controle FUZZY . . . . . . . . . . . 182
6.38 Projeto de validação no sistema especialista . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Lista de Tabelas
3.1 Relação de dentes e relação de passos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Configuração de parâmetros do simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1 Especificações de Sobre-sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Limites de fuzzificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3 Procedimento de cálculo das pertinências . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4 Especificação do controlador PI-fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1 Faixas de Limites Ideais e Toleráveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2 Regras de Produção para Avaliação de Bombas . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3 Regras de Produção para avaliação de Hastes . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4 Regras de Produção para Avaliação de Cabeçotes . . . . . . . . . . . . . 147
6.1 Relação entre Ganhos e Amortecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2 Parametrização do controle fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3 Registros do controlador utilizados no algoritmo . . . . . . . . . . . . . 171
6.4 Relação de equipamentos incluídos na análise . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5 Resultados dos casos 1 a 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.6 Resultados dos casos 5 a 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.7 Resultados dos casos 9 a 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.8 Resultados dos casos 12 a 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.9 Resultados dos casos 16 a 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.10 Resultados dos casos 20 a 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.11 Comparação da coluna de hastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.12 Resultados de Análise dos Cabeçotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
ix
Lista de Símbolos e Abreviaturas
λabcr vetor de fluxos magnéticos do rotor
iabcs vetor de correntes elétricas do estator
rabcr vetor de resistências do enrolamento do rotor
rabcs vetor de resistências do enrolamento do estator
A Conjunto de elementos
Ac área da seção transversal da coluna de produção
Av parâmetro constante da função de efeito de interferência na capacidade da bomba
Aan área do anular entre revestimento e coluna de produção
Bc parâmetro proporcional à interferência do rotor da função de efeito de interferência
na compressão
Bg fator volume de formação do gás
Bi coeficiente de amortecimento do elemento cilíndrico i da coluna de hastes
Bo Fator volume de formação do óleo
Bv parâmetro proporcional à interferência do rotor da função de efeito de interferência
na capacidade da bomba
Bτ f parâmetro proporcional à interferência do rotor da função de efeito de interferência
no torque de fricção
Bob fator volume de formação do óleo na pressão de bolha
C−o−A Método de deffuzificação pelo centro de área
C−o−M Método de defuzificação pelo centro do Máximo
Cc parâmetro proporcional à expansão total do elastômero da função de efeito de
interferência na compressão
Cv parâmetro proporcional à expansão total da função de efeito de interferência na
capacidade da bomba
xi
CAR capacidade térmica do sistema de controle de reversão
Cτ f parâmetro proporcional à expansão total do elastômero da função de efeito de
interferência no torque de fricção
Dh diâmetro da coluna de hastes
Dl diâmetro da luva da haste de bombeio
Dext diâmetro externo do elastômero do estator
Ditbg diâmetro interno da coluna da produção
Drt diâmetro do rotor da bomba
Ec excentricidade da bomba
Eel módulo de elasticidade do elastômero
FUL Fator de utilização da capacidade de carga do cabeçote - adimensional
FUh Fator de utilização das hastes - adimensional
FUΔP Fator de utilização da capacidade de pressão da bomba - Adimensional
FUτ Fator de utilização da capacidade de torque do cabeçote em N.m
Ff Esforço de flutuação
Ff a força de flutuação provocado pelo diferencial de pressão ba luva da haste de bombeio
Fpb fator de pressão de bolha - adimensional
G módulo de cisalhamento do material das hastes
G(s) Função de transferência da planta
H(s) função de transferência do controlador
HL fração volumétrica de líquido - hold-ip
IA(x) Função de pertinência clássica, igual a 1 quando x ∈ IA
Ip índice de produtividade do poço
Irms Corrente elétrica RMS em ampéres
Ji momento de inércia do elemento i
Jm momento de inércia do motor
Jt momento de inércia total
Jcab momento de inércia das engrenagens do redutor do cabeçote
Jpm momento de inércia da poiia motora
Jpr momento de inércia da polia movida
Jsup momento de inércia na superfície
KM ganho o sistema controlado em malha fechada
KS ganho do sistema em malha aberta
Kh constante de mola da coluna de hastes
Ki ganho integral
Kp ganho proporcional
Kli coeficiente de mola de torção do elemento cilíndrico i de haste
Kpd ganho proporcional discreto
LB carga axial no rotor da bomba BCP
LT carga axial total na seção da coluna de hastes
Lcab Capacidade de Carga Axial do Cabeçote em Kg
Ler distância entre o ponto de contato entre rotor e estator e o eixo do rotor
Llr componente da matriz de indutâncias próprias do rotor
Lls componente da matriz de indutâncias próprias do estator
Lop Carga axial de operação suportada pelo cabeçote em Kg
Lrm componente da matriz de indutâncias próprias do rotor
Lrr componente da matriz de indutâncias próprias do rotor
Lsm componente da matriz de indutâncias próprias do estator
Lss componente da matriz de indutâncias próprias do estator
Ltbg comprimento da coluna de produção
M(s) função de transferência global
M−o−M Método de defuzificação pela Média do Máximo
Mo massa molecular do óleo - moles
P(H, t) pressão na cabeça de produção em função do tempo
PD deslocamento volumétrico por rotação da bomba
PR pressão de recalque
PS pressão de sucção
Pb pressão de bolha
Pe pressão estática pseudopermanente
Pr Pressão pseudo-crítica
Pest passo do estator
Prev pressão na válvula de revestimento que dá acesso ao anular do poço
Psat pressão de bolha ou de saturação
Psep pressão de separação
Pstd pressão nas condições standard
Pw f pressão no fundo do poço
Q vazão de escoamento
QT taxa de transferência de calor para oambiente no sistema de controle de reversão
R constante universal dos gases ideais
RGOp razão gás-líquido bombeada
Rp razão gás-líquido em uma seção da coluna
Rs razão de solubilidadade
T Temperatura
Tr Temperatura pseudo-crítica
Ts constante de tempo do sistema em malha aberta
TAR temperatura do sistema de controle de reversão, temperatura do fluido hidráulico
quando o sistema de controle de reversão for do tipo hidráulico
Tamb temperatura ambiente
Tban temperatura de tese de bancada
Top temperatura de operação da bomba
Tstd temperatura nas condições standard
UAR coeficiente global de transferência de calor do sistema de controle de reversão
Vrms Tensão elétrica RMS em volts
Z fator de compressibilidade do gás real
ΔPB diferencial de pressão na bomba
ΔPN Diferencial de pressão nominal da bomba
ΔPl diferencial de pressão da luva da haste de bombeio
ΔPABT diferencial de pressão de abertura de selo da linha de interferência
Δe variação do erro do sinal com relação ao valor de referência
α fração volumétrica de gás ou de vazios
αsuc fração de gás na sucção da bomba
cosϕ fator de potência do motor de indução
ηsep eficiência de separação de gás
γel coeficiente volumétrico de expansão térmica do elastômero
λar fluxo magnético na fase a do rotor
λas fluxo magnético na fase a do estator
λbr fluxo magnético na fase b do rotor
λbs fluxo magnético na fase b do estator
λcr fluxo magnético na fase c do rotor
λcs fluxo magnético na fase c do estator
Labcrs matriz de indutâncias mútuas rotor-estator
Labcsr matriz de indutâncias mútuas estator-rotor
Labcss matriz de indutâncias próprias do estator
Labcss matriz de indutâncias próprias do rotor
Re número de Reynolds
λabcs vetor de fluxos magnéticos do estator
iabcs vetor de correntes elétricas do rotor
vabcr vetor de tensões elétricas do rotor
vabcs vetor de tensões elétricas do estator
μ viscosidade do fluido
μA(x) Função de pertinência do elemento x ao conjunto A
μB(x) Função de pertinência do elemento x ao conjunto B
μL viscosidade do líquido
μo viscosidade do óleo contendo gás
μw viscosidade da água
μAD coeficiente de atrito dinâmico na área de contato entre o rotor e o estator
μOD viscosidade do óleo morto
μban viscosidade do fluido nas condições de bancada
μop viscosidade do fluido bombeado nas condições de operação
ωr velocidade do rotor do motor elétrico
ωHPmax velocidade máxima de reversão da haste polida
ωHP Velocidade de Rotação da haste polida em rad/s
ωrt velocidade de acionamento do rotor da bomba
ωh velocidade média da coluna de hastes
he nível estático
h nível dinâmico, distância vertical da superfície até o nível de fluido no anular do
poço
h0 nível dinâmico no ponto de operação
φ porosidade da rocha reservatório
ρL massa específica do líquido
ρa massa específica da água
ρm massa específica da mistura gás-óleo
ρGD massa específica do gás dissolvido
ρGF massa específica do gás livre
ρac massaespecífica do aço
ρan massa específica do fluido no anular
ρar massa específica do ar
ρml massa específica da mistura gás-líquido
σel tensão de compressão no elastômero
σesc Tensão de escoamento do material das hastes em Pascal
σop Tensão de operação das hastes em Pascal
τb torque total aplicado na bomba
τAR torque de frenagem fornecido pelo sistema de controle de reversão
τcab Capacidade de Torque do cabeçote em N.m
τhid torque hidráulico no rotor
τhp torque na haste polida
τid tempo de integração discreto
τop Torque de operação em N.m
τrt torque de atrito dunâmico no eixo do rotor
θ ângulo de rotação do elemento cilíndrico i da coluna de haste
θ0 ângulo de torsão da coluna de hastes inicial com rotor preso
θr ângulo do rotor em relação ao eixo de refeência
θest ângulo de giro da linha do diâmetro maior do estator em relação à posição de
referência
θrt ângulo de giro da linha que liga o centro da seção do rotor ao centro do eixo do
rotor em relação à posição de referência
ζ fator de amortecimento do sistema controlado em malha fechada
oAPI densidade do óleo na escala API
ain Parâmetros de identificação em um controlador paramétrico
cB capacidade volumétrica da bomba
co fator de compressibilidade do óleo
cp valor sobre-sinal
cr fator de compressibilidade nas condições pseudo-críticas
ct compressibilidade total da rocha reservatório e dos fluidos que contém
dG densidade relativa do gás livre
do densidade relativa do óleo
dGD densidade relativa do gás dissolvido
dGF densidade relativa do gás livre
deltael deformação do elastômero provocada pela interferência do rotor
e1 erro no instante 1
e2 erro no instante 2
fw fração de água
g aceleração da gravidade
h submergência da bomba
hc altura de fluido dentro da colua de produção, ou seja, distância vertical que vai da
bomba até a altura de fluido dentro da coluna de produção
hr espessura do reservatório
ie inchamento devido absorção pelo elastômero de frações do fluido bombeado
it coeficiente de expansão total do elastômero
iar corrente da fase a do rotor
ias corrente da fase a do estator
ibr corrente da fase b do rotor
ibs corrente da fase b do estator
icr corrente da fase c do rotor
ics corrente da fase c do estator
kr permeabilidade da rocha reservatório
ku coeficiente de mola de torção unitário
np taxa de redução das polias
nred taxa de redução de velocidade do redutor do cabeçote
pr pressão transiente no reservatório, função do tempo e da distância radial ao centro
do poço
pr(re) pressão na fronteira externa do reservatório ou pressão estática
pr(rw) pressão na fronteira interna do reservatório
pmed pressão medida
pre f set-point de pressão
prt passo do rotor
qb vazão real da bomba
qr vazão do reservatório
qmax vazão máxima do reservatório
qsat vazão de reservatório quando a pressão de fundo é igual a pressão de saturação
qsn vazão de escorregamento nominal nas condições de teste de bancada
r coordenada na direção r no sistema de coordenadas cilíndricas
r1 raio interno
r2 raio externo
re ditância radial da fronteira externa ou de investigação do reesrvatório
rs resistência elétrica do enrolamento do estator
rs resistência elétrica do enrolamento do rotor
rw distância radial da fronteira interna do reservatório
rmax raio em que ocorre a velocidade máxima
tmax duração de tempo entre o início da reversão e o máximo de velocidade de reversão
da haste polida
u sinal de controle
v velocidade de escoamento do fluido
vz velocidade de fluido na direção z
var tensão da fase a do rotor
vas tensão da fase a do estator
vbr tensão da fase b do rotor
vbs tensão da fase b do estator
vcr tensão da fase c do rotor
vcs tensão da fase c do estator
wh peso linear da coluna de hastes
xC distância do centro da seção do rotor ao eixo central do estator
xi Elemento de um conjunto
yG fração molar de gás
A conceito fuzzy aumenta
API densidade do fluido segundo a escalar API
AUTOPOC Projeto de Pesquisa Automação em Elevação de Petróleo, desenvolvido pelo
PPgEE/UFRN e financiado Por CENPES/PETROBRAS, FINEP e CNPq
BCP Bombeio por cavidades prograssivas
BM Bombeio Mecânico
BSW percentual de água e sedimentos no fluido produzido
D conceito fuzzy diminui
DCA/UFRN Departamento de Computação e Automação da UFRN
M conceito fuzzy mantém
MTBF Tempo médio entre falhas
Pot Potência Elétrica Ativa do Motor em Watts
RGL razão gás líquido
RGO razão entre o volume de gás produzido nas condições normais de pressão e tempe-
ratura para o volume de óleo produzido
SISAL Sistema Supervisório para Automação de Poços
t Tempo em seg
VSD variable speed drive - variador de freqüencia
Capítulo 1
Introdução
1.1 O Bombeio de Cavidades Progressivas na Indústria
do Petróleo
A elevação de petróleo é o transporte de fluidos do fundo do poço até a superfície.
A elevação natural ocorre quando a pressão do reservatório é suficiente para vencer a
perda de carga no próprio reservatório, na elevação e na linha de produção que transporta
o fluido produzido da cabeça do poço às facilidades deprodução. Quando a pressão do
reservatório é insuficiente para vencer estas perdas de carga é necessária a instalação de
um sistema de elevação artificial de petróleo. A elevação artificial pode consistir de um
sistema de bombeio de fundo que fornece energia sob forma de pressão ao fluido ou de
um sistema de redução de perda de carga por injeção de gás no fundo do poço. Todos
os poços precisam de um sistema de elevação artificial a partir de um dado momento de
sua vida produtiva, pois a tendência é o reservatório ir perdendo energia à medida que sua
reserva vai sendo produzida [Thomas 2001].
Existem diversos tipos de sistema de elevação artificial. Os principais são o bombeio
mecânico, o bombeio centrífugo submerso, o gas lift e o bombeio de cavidades progres-
sivas [Skinner 1982].
O bombeio de cavidades progressivas é o mais recente destes sistemas e, portanto, o
de menor acúmulo de experiência e domínio tecnológico [Mathews et al. 2002].
Os métodos tradicionais de elevação de petróleo têm, todos eles, limitações que tor-
nam seu uso contra-indicado em determinadas situações [Assmann 2005].
O bombeio de cavidades progressivas, por suas características únicas, é o método de
elevação mais indicado na produção de óleos muito viscosos ou portadores de grandes
teores de areia ou, ainda, em ambientes muito corrosivos. Por outro lado, por questões de
limitação no desenvolvimento do elastômero 1 ou do adesivo apropriado para sustentar o
elastômero ao tubo estator, sua aplicação é bastante limitada em temperaturas elevadas (>
100oC) ou quando o fluido produzido apresenta concentrações, mesmo que relativamente
baixas, de aromáticos, gás sulfídrico, vapor de água e outros gases e contaminantes.Outra
1em geral, borracha nitrilica com médio ou alto teor de acrilonitrila, ou nitrílica hidrogenada, sendo
mais raramente usados outros materiais tais como o viton
1
2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
limitação deste método é a vazão de bombeio (< 250m3/dia) e a capacidade de suportar
elevados diferenciais de pressão (< 250kg f /cm2) [Mathews et al. 2002].
Entretanto, o bombeio de cavidades progressivas é o método que têm mostrado maior
capacidade de superar suas próprias limitações diante das enormes perspectivas de evolu-
ção tecnológica que apresenta. Uma das fronteiras ainda pouco exploradas são a mode-
lagem dinâmica, o controle e supervisão automática, especialmente em face da segurança
operacional, já que o fenômeno denominado reversão da coluna de hastes (back-spin) tem
provocado acidentes graves [Mathews et al. 2002].
Diante do custo operacional crescente, a tendência preponderante no desenvolvimento
dos métodos de elevação artificial tem sido a sua automatização. O método de elevação
por bombeio mecânico (BM) tem sido alvo de aperfeiçoamento contínuo no sistema de
automação. O fato dos poços terrestres serem distribuídos geograficamente em grandes
extensões e da sua produção exigir uma máxima continuidade operacional são as princi-
pais razões desta tendência. É de grande valia um sistema local de controle do processo de
elevação capaz de mantê-lo no ponto ótimo de operação, identificar descontinuidades ope-
racionais, retornar rapidamente ao ponto de operação após uma perturbação recuperando
a produção da forma mais rápida possível, bem como diagnosticar a causa de algum pro-
blema, transmitindo a um sistema de supervisão avisos de providências a serem tomadas,
tais como intervenção de limpeza, manutenção em equipamentos e outros. O bombeio
mecânico, método de elevação mais utilizado no mundo todo, é o mais largamente au-
tomatizado e já existe um amplo domínio tecnológico e experiência acumulada nesta área
[Costa 1995].
O segundo método de elevação mais utilizado, em número de poços, no Brasil é o
bombeio de cavidades progressivas (11% dos poços). No mudo todo, ele é o quarto
método em número de poços com 6% dos poços, atrás do bombeio mecânico (71%), do
bombeio centrífugo submerso (10%) e gas lift (10%). A automação deste sistema ainda se
encontra com um nível de desenvolvimento elementar, daí a necessidade de se empreender
pesquisas no sentido de entender melhor o comportamento dinâmico deste sistema e as
formas possíveis de otimização do processo segundo diversos critérios, sinalizando ou até
mesmo parando o sistema em caso de violação de limites de parâmetros operacionais que
indiquem algum problema ou coloquem em risco o operador. As operações de partida
e parada em especial, por conta dos riscos em que implicam, tornam muito atrativa sua
automatização [Assmann 2005].
O bombeio por cavidades progressivas (BCP), por conta de sua versatilidade, tem sido
o método de maior expansão no uso em todo o mundo [Mathews et al. 2002]. Daí sua
importância para a indústria do petróleo. A ação de bombeio é promovida por uma bomba
de cavidades progressivas instalada no fundo do poço [Moineau 1930].
Esta bomba é constituída essencialmente por duas peças, o estator que é um tubo de
aço revestido internamente com elastômero formando uma cavidade interna de geometria
especial e um rotor helicoidal [Cholet 1986]. O rotor é acionado desde a superfície por
uma coluna de hastes. O sistema de superfície é constituído por um sistema de transmis-
são de movimento rotativo, que transforma a energia mecânica rotativa de um motor de
indução em rotação apropriada na haste polida, primeiro elemento da coluna de hastes. O
ajuste de rotação deve ser feito de forma que a bomba libere uma vazão e diferencial de
1.2. JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÃO DO TRABALHO 3
pressão entre recalque e sucção projetados para o poço.
A figura 1.1 mostra esquematicamente um poço equipado com o método de elevação
por bombeio de cavidades progressivas. Ela mostra uma bomba de cavidades progres-
sivas instalada na extremidade de uma coluna de produção. O cabeçote de acionamento
transmite a rotação gerada pelo motor para a coluna de hastes. O fluido do reservatório
é alimentado no poço através dos canhoneados. A vazão do reservatório é tanto maior
quanto menor o nível dinâmico de líquido no espaço anular do poço existente entre a
coluna de revestimento e a coluna de produção. O nível dinâmico do poço em regime
permanente é aquele que faz igualar a vazão da bomba e a vazão do reservatório. A vazão
da bomba é função da velocidade de rotação do seu rotor. A submergência é a altura de
fluido acima da sucção da bomba. A figura 1.2 mostra o rotor e o estator que são as peças
que compõe a bomba de cavidades progressivas. O rotor é feito de aço e revestido com
cromo duro e tem o formato helicoidal, possuindo uma conexão para haste de bombeio.
O estator é um tubo de aço revestido com elastômero (geralmente borracha nitrílica) for-
mando uma cavidade helicoidal. Em suas extemidades existem conexões para tubo de
produção. Quando o rotor está inserido dentro do estator, cavidades isoladas são for-
madas. Quando o rotor é girado no sentido horário, as cavidades se deslocam de cima
para baixo, promovendo a ação de bombeio.
O bombeio por cavidades progressivas tem desempenho superior aos outros métodos
de elevação quando se trata de óleos pesados ou com produção de sólidos. Entretanto, o
sistema tem limitações de vazão e profundidade, além de ter desempenho relativamente
pobre quando o petróleo contém substâncias que alteram as propriedades do elastômero
[Mathews et al. 2002].
1.2 Justificativa e motivação do trabalho
O sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas requer intervenção do
operador em diversas situações. O operador dá partida e parada no sistema sempre que
é necessária a sua manutenção. A intervenção do operador também é necessária para a
troca de polias para ajuste de regime de operação do sistema e, também, para o acompa-
nhamento das condições operacionais do poço e da bomba quando é preciso o registro do
nível dinâmico no anular. Estas operações, portanto, demandam o custo do deslocamento
do operador para a locação do poço o que, além de introduzir riscos àsegurança do ope-
rador no trajeto, normalmente feito através de veículo automotor, o submete à situação
bastante arriscada da reversão descontrolada da coluna de hastes [Assmann 2005]. Isto
tudo faz com que seja particularmente interessante o desenvolvimento de um sistema de
automação para poços produtores de petróleo com elevação por bombeio de cavidades
progressivas pois, além de manter o poço em condições ideais de operação, o que garante
uma máxima produção e durabilidade do equipamento de subsuperfície, diminui drasti-
camente a presença do operador na locação do poço reduzindo o risco de acidentes.
A reversão da coluna de hastes ocorre sempre que se procede à parada do poço pro-
dutor por bombeio de cavidades progressivas e ela tem origem na capacidade do sistema
em acumular energia potencial sob duas formas [ISO15136-2 2005]. Uma das formas
é advinda da torção da coluna de hastes submetida ao torque de acionamento na haste
4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Figura 1.1: Esquema de um poço BCP
Figura 1.2: Peças que compõem a bomba de cavidades progressivas - o rotor e o estator
1.2. JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÃO DO TRABALHO 5
polida. Na extremidade superior da coluna de hastes, o cabeçote aplica um torque para
manter a coluna sob rotação. Na outra extremidade da coluna de hastes, o rotor aplica
um torque de reação e de sentido oposto provocado pelo atrito mecânico entre o rotor e
o estator e pelo diferencial de pressão hidráulico promovido pela bomba. Este binário de
torques provoca a torção da longa coluna de hastes que se comporta como uma mola de
torção, acumulando energia potencial. A outra forma de acúmulo de energia é provinda
do diferencial de pressão de operação entre o recalque e a sucção da bomba resultante da
diferença de nível de líquido entre a coluna de produção, que permanece sempre cheia
de fluido, e o espaço anular do poço que fica apenas parcialmente cheio de fluido. Esta
diferença de pressão, quando o sistema de acionamento para, atua de forma a girar no
sentido contrário o rotor e a coluna de hastes [Assmann 2005].
O fenômeno de reversão é particularmente perigoso quando o rotor por qualquer mo-
tivo fica preso dentro do estator, provocando o aumento desmedido da torção na coluna
de hastes, fenômeno denominado "rotor preso".
Para que se possa automatizar o sistema BCP, especialmente no que diz respeito ao
ajuste automático de regime (rotação da coluna de hastes), dada a complexidade e não-
linearidade do sistema, é preciso desenvolver um modelo dinâmico do sistema como um
todo. A modelagem dinâmica permite que se possa simular o comportamento dinâmico do
sistema de forma a permitir o projeto do controle automático de velocidade. Permite ainda
que se possa testar o desempenho dos algoritmos de controle antes de os instalar no poço,
o que tem um custo extremamente elevado. Ainda por cima, o conhecimento do sistema
BCP cresce substancialmente com o desenvolvimento de tal modelo. O simulador ainda
permite o teste e comparação de desempenho de controladores disponíveis no mercado e
o treinamento na operação do sistema.
O modelo matemático do sistema deve incluir, além do comportamento dinâmico do
motor, das partes girantes inclusive da coluna de hastes e do rotor, o escoamento multi-
fásico no anular existente entre a coluna de produção e a coluna de hastes, o reservatório
e o anular existente entre o revestimento e a coluna de produção, um modelo para simular
o comportamento de interferência entre o rotor e a estator. Esta é uma lacuna existente
no conhecimento científico de um fenômeno extremamente importante para a previsão do
comportamento do sistema BCP.
Outro passo importante no desenvolvimento de um simulador é a coleta de dados ca-
racterísticos dos equipamentos utilizados no sistema de elevação por BCP, em especial
bombas, cabeçotes, hastes e motores. Alguns dados não estão disponíveis em catálo-
gos especialmente os relativos à geometria da bomba, pois se trata de segredo industrial.
Como eram necessários para a simulação, eles foram inferidos com aproximação através
de cálculos, porém não serão apresentados neste trabalho em respeito ao direitos de pro-
priedade industrial.
O desenvolvimento de um simulador dinâmico de BCP permite que se possa enten-
der melhor o funcionamento do sistema e sua interação com o sistema de controle. O
simulador permite ainda o ajuste dos ganhos de um controlador PI previamente a sua im-
plementação no poço através de regras de sintonia. Permite também o teste e ajuste de
um controlador tipo PI-fuzzy em condições semelhantes. Permite ainda o teste de desem-
penho de controladores industriais dedicados e o treinamento de operadores.
6 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
O modelo simulado, por ser extremamente complexo, não permite a aplicação da
metodologia clássica de análise e projeto de controle PI. Entretanto, é possível aplicar tal
metodologia a diversos casos, realizando algumas simplificações. Este mesmo modelo
permite a determinação prévia da configuração de ganhos do sistema de controle PI e da
configuração de fuzzificação do controlador PI-fuzzy.
Um dos fatores mais importantes na aplicação do método de elevação BCP é a segu-
rança operacional dos equipamentos de superfície no que diz respeito à reversão da coluna
de hastes. O desenvolvimento da modelagem dinâmica permite a simulação também da
reversão. O modelo de reversão deve permitir a determinação dos níveis máximos de ten-
são desenvolvida nas polias durante a reversão de forma a se poder especificar o material
e as dimensões destas de maneira segura sem que haja risco de fragmentação.
Este modelo de reversão acoplado ao comportamento do sistema antireversão tam-
bém permite determinar as características ideais deste sistema, especialmente a curva de
contra-torque fornecido em função da velocidade e das características de transferência de
calor para o ambiente de forma que sejam atendidos os limites de temperatura do fluido
hidráulico e de velocidade de reversão das partes girantes.
Como as configurações dos poços, seus níveis de solicitação dos equipamentos, de-
sempenho e produtividade são amplamente variáveis torna-se necessária a proposição de
diferentes esquemas de instrumentação. Para isso são criadas diversas alternativas de
instrumentação com diferentes capacidades de monitoração, sinalização e atuação e com
diferentes patamares de investimento. Esta análise potencializa a automação numa ampla
gama de condições, desde poços de baixa produtividade, que justificam apenas sistemas
de monitoração mais simples, até sistemas bastante complexos destinados a poços de im-
portância vital para os resultados da companhia operadora. A escolha da configuração
de instrumentação e controle de um poço depende das condições de produtividade, lo-
cal da instalação, espaçamento de poços e freqüência de falhas, requerendo uma análise
econômica.
O simulador permite também o desenvolvimento e aperfeiçoamento de um contro-
lador inteligente baseado em regras do tipo PI-fuzzy, que apresenta a vantagem de não
depender do conhecimento da planta, conhecida apenas com aproximação e, ainda, por
ser esta não-linear e seu desempenho varia no tempo em função do desgaste natural e da
interferência da bomba. Um controlador PI-fuzzy é mais independente das características
do poço e seu ajuste pode ser feito intuitivamente, sem depender do conhecimento da
planta em dado momento.
Os softwares existentes de dimensionamento são na realidade, apenas para verificação
de dimensionamento, ou seja, é preciso especificar os equipamentos previamente e sua
simulação apenas verifica se os equipamentos escolhidos atendem as solicitações previs-
tas. Este tipo de software exige do usuário um elevado conhecimento prático e experiência
de forma a evitar que muitas simulações sejam necessárias para se chegar à configuração
ideal do sistema. É interessante, portanto, dada a dinâmica exigida de campo, em que os
custos de atraso são elevados,especialmente as de sondagem, que se disponha de um soft-
ware que escolha automaticamente os equipamentos a partir de uma lista de equipamentos
disponíveis.
1.3. IMPORTÂNCIA DO CONTROLE DE VELOCIDADE NO SISTEMA BCP 7
1.3 Importância do Controle de Velocidade no Sistema
BCP
O sistema de otimização do processo de bombeio de cavidades progressivas deve se
concentrar no controle da velocidade de acionamento de modo a manter uma submergên-
cia especificada. A submergência é o nível de fluido acima da sucção da bomba. A
pressão de sucção é tanto maior quando a submergência da bomba. A variável de entrada
é a pressão de sucção da bomba ou outra variável a esta relacionada (torque na haste po-
lida, carga na haste polida, corrente do motor, etc.), que deve ser mantida em um valor
especificado que garanta a durabilidade da bomba e a produção ótima. A durabilidade
da bomba é medido pelo tempo entre limpezas ou pelo tempo de operação até a falha.
Limpeza é a operação de manutenção de poço que envolve o uso de sonda de workover
para troca de equipamentos de subsuperfície danificados. A variável controlada é a ve-
locidade de rotação do rotor. Se ela for excessiva, a bomba sofrerá desgaste acentuado.
Por outro lado, se ela for insuficiente, o poço produzirá aquém de seu potencial. Assim,
o sistema se mostra extremamente sensível quanto à sua durabilidade e produtividade à
velocidade de rotação. Em função do nível de interferência entre o rotor e o estator, a
bomba sofrerá desgaste por atrito assim como as hastes de bombeio, a depender da inten-
sidade dos desvios do poço. A interferência entre rotor e estator é a diferença do diâmetro
interno menor da cavidade e o diâmetro externo da seção do rotor. Uma interferência
negativa ocorre quando o diâmetro do rotor é um pouco menor que o diâmetro do esta-
tor, resultando em alguma folga entre as duas partes. Uma interferência positiva ocorre
quando o diâmetro do rotor é um pouco maior que o diâmetro da cavidade, resultando em
uma compressão do rotor sobre o elastômero que promove a vedação entre as cavidades
sucessivas da bomba. A definição da pressão de sucção ótima é uma etapa importante
do processo de ajuste da velocidade de bombeio. O excessivo diferencial de pressão na
bomba reduz drasticamente a durabilidade da bomba, de forma que se deve limitar a mí-
nima pressão de sucção para garantir este diferencial de pressão máximo. A quantidade
excessiva de gás na sucção da bomba também é outro fator limitante da pressão ótima de
operação. É importante também que o sistema de controle, monitore as variáveis ope-
racionais quanto à violação de limites, permitindo a identificação de situações típicas de
falha, tais como, rompimento de correias, rompimento de hastes, nível alto, nível baixo,
capacidade insuficiente da bomba, capacidade excessiva da bomba, torque elevado, etc.
1.4 Objetivos
São objetivos deste trabalho:
• desenvolver um modelo dinâmico do sistema de elevação por bombeio de cavidades
progressivas;
• desenvolver um banco de dados de equipamentos BCP, cabeçotes, bombas e hastes,
disponíveis no mercado de forma a servir de base de dados para um simulador
dinâmico de BCP e software especialista para dimensionamento de BCP;
8 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
• desenvolver um simulador dinâmico de BCP com interface de fácil utilização, de
forma a permitir o teste de algoritmos de controle o teste de controladores comer-
ciais, e o treinamento de operadores em continuidade às pesquisas do projeto AU-
TOPOC (Projeto de Pesquisa Automação em Elevação de Petróleo, desenvolvido
pelo PPgEE/UFRN e financiado Por CENPES/PETROBRAS, FINEP e CNPq).
• prover um modelo que permita estudar reversão da coluna de hastes e determinar
as solicitações exigidas nas partes girantes de forma a permitir a especificação de
materiais destas partes e as características aceitáveis do sistema anti-reversão;
• desenvolver técnicas de projeto PI e procedimento de aplicação de regras de sinto-
nia;
• propor alternativas de instrumentação para BCP;
• projetar e implementar controlador de PI-fuzzy;
• Coletar dados de desempenho em simulação e em campo
• Comparar desempenho do controlador PI com o PI-fuzzy;
• Desenvolver sistema de dimensionamento de BCP utilizando lógica fuzzy;
• implantar o sistema de controle no sistema supervisório.
O algoritmo de controle deve possuir as seguintes características:
• otimize a velocidade visando a maior durabilidade e produção do sistema;
• implique no menor custo possível de instalação de sensores, evitando-se ao máximo
a utilização de sensores de fundo.
• seja capaz de identificar e diagnosticar causa de falhas e alertar ao sistema de su-
pervisão o momento da falha e a ação requerida assim como para o sistema quando
isto for necessário;
• seja capaz de partir e parar o sistema com segurança evitando os problemas decor-
rentes da reversão;
• seja capaz de inferir parâmetros de fundo a partir de parâmetros de superfície.
Ainda será necessário configurar o controle através de um sistema supervisório in-
tegrado dedicado a operação de poços, permitindo administrar os alarmes gerados pelos
controladores remotos, registrar histórico de parâmetros operacionais, permitir coman-
dos remotos (especialmente a troca de características do sistema, ajustes e comando de
parada e partida do sistema), e permitir ao usuário o diagnóstico de desempenho do sis-
tema tomando como base os dados históricos de sua operação, mostrando gráficos de
tendência dos parâmetros de operação [Souza et al. 2006].
1.5 Metodologia
O Simulador dinâmico de BCP foi desenvolvido em linguagem C++ Builder em
trabalho conjunto com o DCA/UFRN (Departamento de Computação e Automação da
UFRN) dentro do projeto AUTOPOC. O destaque deste trabalho será a modelagem ma-
temática do sistema, cabendo a implementação ao pessoal de apoio do projeto Autopoc.
O banco de dados foi implementado a partir do catálogo dos fabricantes, da litera-
tura especializada em elevação de petróleo e a partir dos dados disponíveis no software
1.5. METODOLOGIA 9
PCPump [CFER 2006]. Esta base de dados foi implementada tanto no simulador quanto
no software de dimensionamento.
O modelo dinâmico do sistema BCP e respectivo simulador deve incluir os seus di-
versos subsistemas:
• motor elétrico de indução;
• sistema de acionamento (polias e correia, cabeçote)
• sistema de hastes;
• escoamento multifásico entre coluna de produção e hastes;
• bomba (estator e rotor)
• anular revestimento-coluna de produção;
• reservatório;
As diversas partes do sistema são modelados por equações algébricas e equações dife-
renciais, que, juntamente com as condições iniciais e de contorno, constituem um sistema
dinâmico não linear. Este sistema de equações diferenciais foi resolvido numericamente
através da aproximação por um sistema de equações de diferenças finitas e a solução
numérica do sistema algébrico resultante foi obtida.
A base de dados de equipamentos de BCP foi montado a partir dos dados existentes
nos catálogos e manuais dos fabricantes. Alguns dados foram estimados a partir dos dados
de catálogo, mas não constam do texto por serem segredo industrial de propriedade dos
fabricantes. Outras características, como as que implicam nas alterações de desempenho
da bomba por efeito de interferência, foram calculados por modelo proposto neste texto.
O simulador dinâmico foi desenvolvido para permitir a seleção dos equipamentos
constantes do poço simulado a partir da base de dados e desta forma alterar suas carac-
terísticas operacionais. A saída do sistema é visual, em que uma animação 3D mostra o
poço equipado com o sistema BCP em movimento e o ângulo de visão do usuário pode
ser modificado. Os parâmetros operacionais podem ser visualizados em função do tempo.
Estes dados vão sendo atualizados a medida que progride a execução de forma que o poço
se comporta simulando o que acontece em tempo real, como por exemplo, o comporta-
mento do nível dinâmico.
Foram obtidosmodelos simplificados para simulação de reversão com rotor preso ou
parada normal, com e sem sistema de controle de reversão, e para análise de controlabili-
dade e observabilidade e para projeto de PI.
O desenvolvimento do sistema de controle PI-fuzzy [Shaw 1999] foi testado em con-
junto com o simulador dinâmico antes de ser levado para a aplicação real. Neste teste
simulado, varreram-se diversas condições de características do poço e do sistema BCP
assim como diversas configurações de fuzzificação, chegando-se a conclusão de que é
mais rápido e mais fácil de ajustar do que o controle PI. Como a planta BCP é não-linear
e variante no tempo, o controle PI-fuzzy, relativamente fácil de implementar e configurar
caso haja uma grande experiência acumulada, tem uma aplicação adequada ao sistema
proposto e pode ser facilmente adequado a outros sistemas de elevação, como por exem-
plo o BCS e o Gas lift.
Após os teste em simulação, foi implementado o algoritmo no controlador EXS-10000
[BAKER-CAC 1997] da Weatherford que possui uma linguagem de programação deno-
10 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
minada ACL (Automatic Control Language [CAC 1999]). O código pode ser testado no
simulador de execução do controlador.
O sistema de controle foi instalado no poço real (denominado poço A), onde se pode
verificar o comportamento do controle PI e do controle PI-fuzzy e compará-los.
A supervisão do controle foi incorporada ao SISAL [Souza et al. 2006](Sistema Su-
pervisório para Automação de Poços desenvolvido em conjunto pela PETROBRAS e a
UFRN dentro do projeto AUTOPOC) com facilidade, pois o controlador já havia sido
implementado no supervisório. Através dele pode-se acompanhar a atuação do controle
em todos os seus parâmetros, armazenar as entradas analógicas e alterar a configuração
de qualquer um dos parâmetros de controle.
O desenvolvimento de programa especialista de dimensionamento de BCP utilizando
lógica fuzzy foi idealizado de forma a permitir que o usuário imponha faixas de utiliza-
ção de capacidade dos equipamentos. O dimensionamento deve atender as diretrizes de
projeto de Bombeio de cavidades progressivas que impõem estes limites e provém do
conhecimento prático do método. Além disso, a aplicação de campo leva a definição de
faixas particulares para determinados campos em função do maior ou menor rendimento
ou durabilidade do sistema. Como os equipamentos possuem uma ou mais característi-
cas a serem analisadas, e os diversos equipamentos trabalham de forma sistêmica, com o
comportamento de um influenciando no outro, a escolha dos equipamentos por tentativa
e erros é dificultada. Para facilitar esta escolha, foi desenvolvido um sistema especialista
que pesquisa a melhor combinação para o as características do poço através da lógica ne-
bulosa. Os fatores de utilização são fuzzificados valendo-se das faixas ideais e toleráveis
e as regras de avaliação nebulosas, que constituem as denominadas regras de produção da
base de conhecimento, são responsáveis pela inferência que se dá em níveis de satisfação
aos critérios de projeto. As diversas opções são comparadas e a que tem melhores níveis
de satisfação é escolhida. Foram estudadas também regras para aceleração da escolha,
porém, como o algoritmo é processado rapidamente, foi possível varrer todas as opções
e obter a resposta exata. Para realizar isto, foi desenvolvido um programa fácil de usar e
que ainda permite a seleção de equipamentos disponíveis para serem incluídos na análise.
Este programa pode ser facilmente incorporado ao simulador dinâmico em uma próxima
fase, permitindo uma maior integração entre projeto e simulação.
O programa foi validado, verificando sua escolha entre equipamentos disponíveis no
programa PCPump [CFER 2006].
1.6 Apresentação e Organização
O presente trabalho está organizado da forma a seguir descrita.
1. Introdução
2. A Elevação de Petróleo
3. Simulador Dinâmico de BCP
4. Controle e Monitoramento
5. Sistema Especialista
6. Resultados
1.6. APRESENTAÇÃO E ORGANIZAÇÃO 11
7. Conclusões e Recomendações
No capítulo 2, é apresentada a significação da elevação de petróleo dentro da atividade
mais ampla da produção de petróleo. Primeiramente, são apresentadas as diversas fases
da vida de um poço de petróleo. São detalhadas as atividades de perfuração, completação,
produção e abandono. A seguir, define-se o que é a elevação de petróleo e as suas princi-
pais modalidades, a elevação natural e a elevação artificial. São apresentados os diversos
métodos de elevação: o bombeio mecânico, o gas lift, o bombeio centrífugo submerso,
o bombeio por cavidades progressivas e o bombeio hidráulico à jato. O capítulo é finali-
zado apresentando de uma maneira geral como é feito o controle automático de métodos
de elevação.
No capítulo 3 são apresentadas a modelagem e o simulador dinâmico BCP. Descreve-
se a estrutura do simulador, o sistema BCP como um todo e os modelos matemáticos
adotados. Apresenta-se o modelo matemático tanto para comportamento em regime como
para comportamento transiente de cada parte do sistema:
• Motor de Indução;
• Propriedades dos fluidos;
• Diferencial de pressão na bomba;
• Bomba;
• Coluna de hastes;
• Anular Revestimento - coluna de produção
Neste mesmo capítulo, descreve-se a sistemática de dimensionamento do sistema BCP
e de simulação dinâmica. Apresenta-se ainda a interface gráfica do simulador. O capítulo
é finalizado com o desenvolvimento de modelos simplificados para estudo de parada com
rotor preso, parada normal, parada com atuação de sistema de controle de reversão e
operação normal.
No capítulo 4, discorre-se sobre análise e o projeto do controle e monitoramento do
sistema BCP. Trata-se, primeiramente, das possibilidades de instrumentação para moni-
toramento e controle do sistema e suas vantagens e aplicações, tais como o registro de
nível dinâmico, a medição de pressão de sucção e de recalque da bomba, a medição da
carga axial, potência elétrica, torque e outras possibilidades. A seguir, aborda-se a análise
e projeto do sistema de controle PI. É apresentado um modelo linear de BCP, com o qual
se faz a análise de observabilidade e controlabilidade e um modelo linear simplificado,
um modelo linearizado no ponto de operação tanto para as condições de bomba posi-
cionada acima dos como para a bomba posicionada abaixo dos canhoneados. O modelo é
utilizado como para se obter a resposta em malha aberta, e a resposta em malha fechada e
a sistemática de projeto do controlador PI.
É abordada, então, a lógica fuzzy aplicada ao BCP com uma revisão de aplicações e
os fundamentos teóricos da lógica fuzzy. Após esta fundamentação, é feito o desenvolvi-
mento de um controlador PI- fuzzy e a sua comparação com o PI convencional.
O capítulo 5 trata do Sistema Especialista para Dimensionamento de BCP. São apre-
sentados os objetivos de um sistema especialista, suas características, suas vantagens e
desvantagens, seu funcionamento e uso. A seguir, são apresentadas as justificativas para
desenvolvimento de um Sistema Especialista de Dimensionamento de BCP.
12 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Também é abordado o dimensionamento do sistema BCP em sua versão clássica.
Apresentam-se a estrutura do sistema especialista, os critérios de projeto que servem de
base para o seu desenvolvimento, a estrutura de entrada de dados pelo usuário, a base de
dados de equipamentos de BCP e a base de conhecimento que constituem este sistema. O
capítulo é finalizado com a apresentação da Interface Gráfica do sistema desenvolvido.
O capítulo 6 trata dos resultados obtidos com o sistema de controle e o sistema espe-
cialista de dimensionamento.
São detalhadas as instalações de campo, a aplicação da metodologia de projeto de PI
e a especificação do controlador PI-fuzzy. São apresentadas a simulação e a resposta em
malha aberta do sistema, a simulação comparada em malha fechada de ambos os sistemas
de controle. É mostrado como se procedeu à codificação e teste do algoritmode controle
fuzzy no controlador, a parametrização da supervisão no SISAL [Souza et al. 2006] e os
dados obtidos em campo são apresentados e analisados.
O sistema especialista é, por fim, validado através da solução de um problema pro-
posto, através do detalhamento do processo de inferência e análise crítica dos resultados
obtidos.
O trabalho é finalizado no capítulo 7 com a apresentação das contribuições, conclusões
e recomendações para estudos futuros.
Capítulo 2
A elevação de Petróleo
A elevação de petróleo é um segmento da tecnologia de produção de petróleo que trata
do escoamento de fluidos produzidos por um poço desde o fundo até a superfície incluindo
o escoamento multifásico através da coluna de produção, os sistemas de bombeio de
subsuperfície, os meios de transmissão de energia da superfície até o fundo do poço e
o acoplamento do comportamento do sistema de elevação com o do reservatório.
A seleção do método de elevação depende de inúmeros fatores tais como as caracte-
rísticas de reservatório, as características de perfuração e completação do poço, as facili-
dades de produção disponíveis, o tipo de fluido produzido, a presença ou não de abrasivos,
corrosivos e outros contaminantes. Outros aspectos não menos importantes são a local-
ização do poço1, os custos operacionais e facilidades de instalação e operação.
Cada método tem vantagens e desvantagens que o torna aplicável apenas em certas
circunstâncias. A seleção do método de elevação mais adequado do ponto de vista técnico
e econômico é um dos temas mais importantes em elevação de petróleo.
Este capítulo apresenta os principais métodos de elevação e seu princípio de fun-
cionamento [Brown 1977]. Porém, antes de entrar no assunto elevação propriamente dito,
é importante mostrar como este segmento se insere do contexto do processo de produção
de petróleo [Thomas 2001].
2.1 O poço de Petróleo
O petróleo2, no sentido mais estrito de petróleo bruto, é uma substância natural oleosa,
inflamável, quase sempre de densidade menor que a água, com características particulares
de odor e cor que pode variar desde o incolor ou castanho claro até o preto, passando por
verde e marrom (castanho), coloração esta relacionada à maior ou menor presença de
certos componentes predominantes da mistura [Rosa et al. 2006].
É uma mistura complexa de compostos químicos cujos principais constituintes são os
hidrocarbonetos, porém outros componentes estão na maioria dos casos presentes cuja es-
trutura contém elementos químicos tais como o nitrogênio, o enxofre, o oxigênio, muitas
1onshore (em terra) ou offhore (na plataforma continental)
2do latim petrus, pedra e oleum, óleo
13
14 CAPÍTULO 2. A ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
vezes, metais, principalmente níquel e vanádio.
O petróleo é um recurso natural relativamente abundante ainda que limitado e, em
função da duradoura permanência como principal fonte energética, as reservas se apre-
sentam cada vez menores. Porém sua pesquisa envolve elevados custos e requer estudos
de demorados e de elevada complexidade para um eficaz desenvolvimento e aproveita-
mento de suas jazidas. É, também, a principal fonte mundial de energia, servindo como
base para fabricação dos mais variados produtos, dentre os quais destacam-se: benzi-
nas, óleo diesel, gasolina, alcatrão, polímeros plásticos e até mesmo medicamentos. Já
provocou muitas guerras e é a principal fonte de renda de muitos países, sobretudo no
Oriente Médio. Por isso tudo, a ciência, tecnologia e estudos relativos à pesquisa, desen-
volvimento, extração, transporte e industrialização do petróleo são um dos tópicos mais
importantes do ponto de vista econômico.
Segundo a hipótese mais aceita [Thomas 2001], que a origem do petróleo é orgânica,
parte da constatação de que com o incremento de temperatura, as moléculas do querogênio,
substância que teria se formado a partir de depósitos não oxidados de matéria orgânica,
começariam a ser quebradas, gerando compostos orgânicos líquidos e gasosos, em um
processo denominado catagênese. Para se ter uma acumulação de petróleo seria necessário
que, após o processo de geração (cozinha de geração) e expulsão, ocorresse a migração do
óleo e/ou gás através das camadas de rochas adjacentes, até encontrar uma rocha selante
ou uma estrutura geológica que detenha seu caminho, sob a qual ocorrerá a acumulação
do óleo e/ou gás em uma rocha porosa e permeável chamada rocha reservatório.
Mas a origem do petróleo ainda provoca celeuma. Embora a maioria dos geólogos
ainda acreditem que o petróleo possa ser formado a partir de substâncias orgânicas proce-
dentes da superfície terrestre , esta não é a única teoria sobre a sua formação. Os avanços
científicos recentes em diversas áreas, tais como astronomia, astrofísica, oceanologia,
biologia e termodinâmica, permitem supor uma origem abiogênica do petróleo e sua pos-
terior contaminação por bactérias às quais serve de nutriente sendo que essas últimas
deixam suas marcas que ainda induzem a um paradoxo para a maioria dos geólogos e
outros pesquisadores [Ehrlich 2002].
O petróleo e o gás natural são encontrados tanto em terra quanto no mar, principal-
mente nas bacias sedimentares (onde se encontram meios mais porosos, ou seja, reser-
vatórios), mas também em rochas do embasamento cristalino. Os hidrocarbonetos, por-
tanto, ocupam espaços porosos nas rochas, sejam eles entre grãos ou fraturas. São efe-
tuados estudos das potencialidades das estruturas acumuladoras principalmente através
de sísmica que é o principal método geofísico para a pesquisa dos hidrocarbonetos. As
estruturas potencialmente portadoras de hidrocarbonetos são chamadas de armadilhas ou
trapas. A figura 2.1 mostra uma falha com a camada permeável contendo água, óleo e gás
e a camada impermeável no topo da estrutura. A figura 2.2) mostra uma armadilha por
dobramento de uma estrutura de arenitos contendo óleo intercalados com folhelhos.
Durante a perfuração de um poço de petróleo, as rochas atravessadas são descritas,
pesquisando-se a ocorrência de indícios de hidrocarbonetos. Logo após a perfuração são
investigadas as propriedades radioativas, elétricas, magnéticas e elásticas das rochas da
parede do poço através de ferramentas especiais (perfilagem) as quais também permitem
ler as propriedades físicas das rochas, identificar e avaliar a ocorrência de hidrocarbone-
2.1. O POÇO DE PETRÓLEO 15
Figura 2.1: Armadilhas ou Trapas 1
Figura 2.2: Armadilhas ou Trapas 2
16 CAPÍTULO 2. A ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO
tos.
2.2 Fases da vida de um poço
As principais fases da vida de um poço de petróleo são as de perfuração, completação,
produção e abandono.
2.2.1 Perfuração
O poço é realizado pela perfuração de um furo de 5 a 30 polegadas (13 a 76 cm) de
diâmetro no solo. A perfuração é realizada pela rotação de uma broca na extremidade de
uma coluna de tubos. A rotação desta coluna é feita pela sonda de perfuração. Depois
que o poço é perfurado, uma coluna de tubos de aço chamada revestimento é descida
no poço. Logo após, esta coluna de revestimento é cimentada ao furo. O revestimento
confere integridade estrutural ao poço e o conjunto cimento e revestimento protege o poço
da invasão de fluidos das rochas e das pressões em que estes se encontram. A operação
pode ser repetidas várias vezes.
Para perfurar um poço, é preciso:
1. a broca de perfuração acionada pelo torque de rotação e peso da coluna de tubos
de perfuração acima; a figura 2.3 identifica a broca na extremidade da coluna de
perfuração rotativa e o percurso do fluxo de lama de perfuração;
2. o fluido de perfuração que é bombeado da superfície através da coluna de per-
furação da qual sai através da broca e retorna pelo espaço anular entre o furo e a
coluna, removendo os detritos resultantes da perfuração, limpando, refrigerando e
lubrificando a broca e contendo a invasão de fluidos da rocha;
3. a coluna de perfuração vai sendo alongada pela conexão de novos tubos de 9,7
metros à medida que