laci laboratório para automação de campos inteligentes concepção inicial do laboratório de...

LACI Laboratório para Automação de Campos Inteligentes

Concepção Inicial do Laboratório de Elevação de Fluídos do LACI

Temas

1. Objetivo do Laboratório de Elevação de Fluídos2. Apresentação do Laboratório 3. Concepção dos Poços 4. Geometria dos poços

Objetivos Estudo da dinâmica dos poços

Estudo da estabilidade dos poços x variação ΦTP, L, IP, FD, fatrito Recomendação preliminar.

Compressor Construção e manipulação dos poços Necessidades dos diferentes grupos de

pesquisa

Objetivos:

Permitir o teste de estratégias de automação, controle e otimização de poços operando com elevação por GLC, BCS, etc. dentro da filosofia GEDIG

Adicionalmente: Permitir o teste de instrumentação GEDIG Permitir o teste de atuadores de fundo de poço

como válvulas, bombas, etc. dentro da filosofia GEDIG.

Estrutura do laboratório de elevação de fluidos 3 poços com completação reconfigurável 1 riser 1 separador 1 manifold de gas lift 1 compressor 1 sistema de controle avançado

Localização no INPETRO

Fosso de poços

Sala de Controle

Setup

Fosso com 4.7m

Vista no Inpetro Separador

Fosso com os poços

Ponte Rolante

Sala de controle

4.7m

6.4m

)( .. wfestliq PPL

AkQ

Concepção dos poços

Nível de fluído controlado para simular Pest. c/ diferentes níveis de depleção

“Packer” com fácil desconexão

Sistema para simular formação

(Projeto c/ CFX) )( .. wfestliq PPPIQ .estP

wfP

Geometria dos poços

?, 11 L

?, 22 L

?, 33 L

Geometria dos poços

BifurcaçãoPonto ótimo de operação

Objetivos : Para GLC: garantir uma

curva Pwf x Qinj. semelhante à dos poços Petrobras (Ponto de bifurcação à esquerda do ponto ótimo de operação

Permitir a instalação de instrumentação e atuadores comerciais.

Apresentar dinâmica controlável por sistema de controle semelhante aos utilizados nas plataformas.

Estudo da geometria dos poços

Introdução à dinâmica dos poços com elevação por GLC

Estudo de Estabilidade de poços GLC x profundidade, Diam. Do Tubo de Produção, Fator de Atrito, Fator de Depleção, Índice de Produtividade.

Considerações sobre Compressores Recomendação sob o ponto de vista GLC

Comportamento dinâmico em Gas Lift Contínuo

1. Heading instability Formation Heading Tubing Heading Casing Heading

2. Density Wave instability

Casing HeadingFenômeno cíclico:1. Para uma vazão de injeção de gás constante na superfície a

pressão no anular aumenta.2. Depois de um tempo a pressão no lado do anular da Válvula de

GL supera a pressão do lado do Tubo de Produção e inicia-se a entrada de gás no Tubo de Produção. A vazão de injeção de gás diminui a pressão de fundo.A pressão e a vazão na cabeça aumentam.

3. A vazão de gás do anular continua aumentando mas devido a capacidade limitada a pressão no anular cai. A pressão na cabeça atinge o máximo e as vazões são altas na cabeça do poço.

4. Com a queda da pressão do anular a vazão de gás entrando no Tubo de Produção cai o que faz a pressão de fundo aumentar. A vazão e a pressão na cabeça caem. A pressão na válvula de gas lift no lado do Tubo de Produção iguala a pressão da válvula no lado do anular e a vazão de gas é zerada.

O processo reinicia em 1.

Modelo dinâmico matemático

)_()(3

)_().(2

).()_(1

prchokelfundol

prchokegTPentg

TPentganulartopog

qqdt

dm

qqdt

dm

qqdt

dm

)_( anulartopogq

G. O. Eikrem, L. Imsland, and B. Foss, “Stabilization of gas-lifted wells based on state estimation,”

in International Symposium on Advanced Control of Chemical Processes, 2004.

).( TPentgq

)( fundolq

)_( prodchokelq )_( prodchokegq

Casing Head

Comportamento das pressões e vazões

)(

)(

Lp

Lp

t

c

Soluções p/ Casing Heading

Injeção de gás com escoamento crítico na válvula de gas-lift -> $$$$ (Pm>2xPj)

Válvulas de gas-lift tipo Venturi -> Atingem escoamento crítico com Pressões 10% acima da Pressão à jusante.

Controle Ativo no Choke de Produção regulando a pressão de fundo (estimada ou medida).

As oscilações acabaram?

Density Wave Instability

Exemplo de Density-wave instability em um poço da empresa TOTAL

Oscilação confinada no Tubo de Produção mesmo com vazão de entrada de gás constante.

A pressão no topo do revestimento é praticamente constante.

Dinâmica do fenômeno density-wave1. Pwf<Pformação - Líquido entra da formação

para o interior do poço mas não há produção na superfície. Pressão de fundo aumenta. (gas fraction pequeno devido grande entrada de líquido)

2. Pwf=~Pformação - A pressão no fundo inibe a entrada de líquido mas a entrada de gas continua. (gas fraction máximo)

3. Ocorre produção de líquido e a coluna de produção é ocupada por gás. A pressão de fundo cai e o sistema retorna ao estado 1

Modelagem matemática da dinâmica Density Wave

1. Tese de Laure Sinegre Docteur de l’Ecole des Mines de Paris Spécialité “Mathématiques et Automatique”, Etude des instabilités dans les puits activés par gas-lift (2006)

2. Dissertação de Bin Hu, c/ orientação de

Michael Golan, NTNU, “Characterizing gas-lift instabilities” (2004)

Modelo de Laure Sinègre

dzfdzfgdztzptzpz

inercia

zz

frictionmsf 0

00

),(),(

lgm

xx1

)1(11

lg xx )1(

llg r

uuu

llgg

gg

rr

rx

(Fração de gás volumétrica semelhante a fração de gás mássica)

Modelo de velocidade de escorregamento

Expressão para fração mássica de gás

)),()(,()1(),( ,,, lglltztzgtzm tztzxxxtz

LRT

pzpzL

RT

tzptz rs

g

)(),(),(

RT

pg

)( LHgpp lrr

z

msf gdztzptzp0

),(),(

z

lrs

lsf dLRT

ppLtxggzptzp

0

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,l

lg r

uuu

llgg

gg

rr

rx

0

0

z

ur

t

rz

ur

t

r

lllll

ggggg

0

z

xu

t

xg

gu

zLtLxtzx ,),(

t

tl

rsLlsf d

RT

ptptxggLptLp

)()(),(

gu

L

Simulação de density wave com o simulador OLGA.

Simulação de density wave com o modelo de Laure Sinègre.

SIMULAÇÃO OLGA X MODELO LAURE SINEGRE

MODELO DE BIN HU Usa equações para a conservação de massa e movimento...

0

0)1()1(

zmgtg

zmltl

u

u

02 ,,

2, zmmmtmmmm

TmzT uuuu

D

fgp

Tubo de produção

0zggtg

u

02 ,,

2, zgggtgggg

AgzA uuuu

D

fgp

Anular

Dissertação de Bin Hu Acha os valores de regime permanente Analisa a estabilidade para perturbações ao redor

dos valores de regime permanente. Para escoamento crítico na válvula de gas-lift

considera vazão constante na entrada do Tubo de Produção caso contrário simula anular.

Faz um estudo da estabilidade frente a variações em L, diâmetro TP, PI, FD, atrito, etc.

Apresenta os programas em MatLab que implementam o modelo.

Estudo feito com Modelo (Programas MatLab) de Bin Hu

Sensibilidade a:L = 100, 150, 200mDiam. TP= 2”, 3”, 4”,Fator de atrito=0.0075, 0.015, 0.030IP= 2.10^-6, 4.10^-6, 8.10^-6 Kg/s/PaFD = 0.5, 0.7, 0.9Diâmetro da Válvula de GL (VO)=9mm

ΦTP x Profundidade

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2Simulação com Diam. TP=2",PI=4.10-6,fd=0.7

Vazão de Injeção de Gás [ Kg/s ]

Pre

ssão

de

Fun

do [

MP

a ]

Pontos instáveis L=100mPontos estáveis L=100mCurva para L=100mPontos instáveis L=150mPontos estáveis L=150mCurva para L=150mPontos instáveis L=200mPontos estáveis L=200mCurva para L=200m

ΦTP= 2” x Prof. (Normalizado)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Graf. Normalizado - Diam. TP=2",PI=4.10-6,fd=0.7

Vazão de Injeção Normalizada

Pre

ssão

de

Fun

do N

orm

aliz

ada

Pontos instáveis L=100mPontos estáveis L=100mCurva para L=100mPontos instáveis L=150mPontos estáveis L=150mCurva para L=150mPontos instáveis L=200mPontos estáveis L=200mCurva para L=200m

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.180.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1Diam. TP=3",PI=4.10-6,fd=0.7

Vazão de Injeção de Gás [ Kg/s ]

Pre

ssão

de

Fun

do [

MP

a ]

Pontos instáveisPontos estáveisCurva para L=100mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=150mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=200m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Graf. Normalizado-TP c/ Di=3", fd=.7, PI=4.10-6 Kg/s/Pa

Vazao de Gás de Injeção Normalizada

Pre

ssão

de

Fun

do N

orm

aliz

ada

Pontos instáveisPontos estáveisCurva para L=100mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=150mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=200m

0 0.05 0.1 0.15 0.20.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1Diam. TP=4",PI=4.10-6,fd=0.7

Vazão de Injeção de Gás [ Kg/s ]

Pre

ssão

de

Fun

do [

MP

a ]

Pontos instáveis 100mPontos estáveis 100mCurva para L=100mPontos instáveis 150mPontos estáveis 150mCurva para L=150mPontos instáveis 200mPontos estáveis 200mCurva para L=200m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Graf. Normalizado - TP c/ Di=4" fd=.7

Vazao de Gás de Injeção Normalizada

Pre

ssão

de

Fun

do N

orm

aliz

ada

Pontos instáveisPontos estáveisCurva para L=100mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=150mPontos instáveisPontos estáveisCurva para L=200m

Resumo Diam. TP x ProfundidadeDiâmetro TP e Profundidade

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

100m 150m 200m

Profundidade do Poço (Pto. de injeção)

Pw

f/P

wf*

x 1

00%

Diam. TP=2"

Diam. TP=3"

Diam. TP=4"

Resumo Fator atrito x Profundidade

Sensibilidade ao fator de atrito

100

105

110

115

120

125

100m 150m 200m

Profundidade do Poço (Pto. de injeção)

Pw

f/P

wf*

x 1

00%

fator atrito=0,0075

fator de atrito=0,015

fator de atrito=0,03

Resumo IP x ProfundidadeSensibilidade ao IP

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

100m 150m 200m

Profundidade do Poço (Pto. de injeção)

Pw

f/P

wf*

x 1

00

%

IP=2.10 -̂6 Kg/s/Pa

IP=4.10 -̂6 Kg/s/Pa

IP=8.10 -̂6 Kg/s/Pa

Fator de Depleção x ProfundidadeSensibilidade ao fator de depleção

100

110

120

130

140

150

160

170

100m 150m 200m

Profundidade (Pto. de injeção)

Pw

f/P

wf*

x 1

00%

fator de depleção=0.5

fator de depleção=0.7

fator de depleção=0.9

Válvula gas-lift ¼” (6.35 mm)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5Simulação com Diam. TP=3",PI=4.10-6,fd=0.7, válvula orifício=1/4"

Vazão de Injeção de Gás [ Kg/s ]

Pre

ssão

de

Fun

do [

MP

a ]

Pontos instáveis L=100mPontos estáveis L=100mCurva para L=100m

Escoamento crítico na válvula de gas-lift (Orifício)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5Simulação com Diam. TP=3",PI=4.10-6,fd=0.7, válvula orifício=1"

Vazão de Injeção de Gás [ Kg/s ]

Pre

ssão

de

Fun

do [

MP

a ]

Pontos instáveis L=100mPontos estáveis L=100mCurva para L=100m

Escoamento subcrítico na válvula de gas-lift (Orifício)

Válvula gas-lift 1” (25.4 mm)

Escolha L, ΦTP

Poço com

L=100m

ΦTP=3”

ΦRev.=7”

100m

Pressão mínima compressor:

gLP fluidoOléo API=30 -> P> 8.6 bar

Água -> P> 9.81 bar

Opção L=100m, ΦTP=3”

0 1 2 3 4 5 6 7 83

4

5

6

7

8

9

10

11

12Diam. TP=3", L=100m, IP=8.10-6, FD=0.7

Vazao de Gás de Injeção [stm3/min]

Vaz

ão d

e líq

uido

[st

m3 /h

] Pontos instáveis

Pontos estáveis

Curva para L=100m

Compressor

Requisitos:

Pnominal >10 bar Vazão nominal = 3*6 stm^3/min

=18 stm^3/min Controle de Potência conforme a necessidade Baixo nível de ruído Acionamento elétrico (preferência Baixa Tensão)

Compressor

Compressor ATLAS-COPCO

Tipo Parafuso – Acionamento Elétrico 3Φ Baixa Tensão

MODELO GA180 VSD 13 BAR – 21,1 M3/MIN FAD

Motor 180 Kw (250hp) – nivel ruído 73 db

Dimensão: Altura=2.01m, Largura=3.386m, Prof.=1.886m

Geometria dos poços

Restrições:

Peso da coluna (Capacidade da Ponte Rolante) Altura de manobra ( Fundo do Fosso até Ponte

Rolante (4.7m + 6.4m)) Capacidade de efetuar manobras (equipar e

desequipar o poço)

Decisões:

Prever a manipulação sem sonda (utilizando ponte rolante) do tubo de produção e revestimento intermediário? Ou

Prever a manipulação sem sonda somente do Tubo de Produção e prever a utilização de uma sonda para manobra do revestimento se necessário.

Sistema para efetuar manobra sem sonda:

Construir uma mesa que permita suspender a coluna com bucha e cunhas apropriadas (colar de segurança).

Adaptar um Gancho na Ponte Rolante para operações de retirada e descida de coluna

Montar um sistema de chaves para aperto dos elementos da coluna.

Prever a utilização de tubos de 6m. (Espaço entre cabeça do poço e Ponte Rolante é limitado)

Elementos especiais:

Utilizar Packer de produção? Ou utilizar uma conexão tipo “Junta de expansão”

Existem tubos de fibra de vidro que são mais leves (fácil manipulação)

Quais as características dos poços que atendem:

Grupo de Instrumentação? Grupo de Testes de equipamentos? Grupo de Automação e Controle? Grupo de Elevação por GLC? Grupo de Elevação por BCS?