aplicaÇÃo do bombeio centrÍfugo submerso

Cadernos de Graduação - Ciências Exatas e Tecnológicas | Sergipe | v. 13 | n.14 | p. 23-34 | jul./dez. 2011

RESUMO

O bombeio centrífugo submerso (BCS) é um método de elevação artifi cial que pode ser defi nido como um motor elétrico de subsuperfície que transforma energia elétrica em energia mecânica e como uma bomba centrífuga que converte a energia mecânica em energia cinética, o que possibilita elevar o fl uido até a superfície. O bombeio centrífugo submerso é utilizado em poços produtores de areia desde que utilizem gravel-pack ou fi ltros de areia de fundo e gás livre acima de 10% com a utilização do separador de fun-do. Esse método é o mais indicado para zonas urbanas; apenas a cabeça de produção é colocada na locação, uma vez que o nível de ruído produzido também é baixo em poços com alta produtividade e em poços com pressão de reservatório baixa. Esse método utiliza equipamentos de superfície e de subsuperfície.

PALAVRAS-CHAVE

Bombeio Centrífugo Submerso (BCS). Elevação Artifi cial. Reservatório.

APLICAÇÃO DO BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO NA ELEVAÇÃO DO PETRÓLEO

Ozielma Souza Santos | Ana Paula S. C. de Santana

Petróleo e Gás

ISSN: 1980 - 1777

Cadernos de Graduação - Ciências Exatas e Tecnológicas | Aracaju | v. 13 | n.14 | p. 23-34| jul./dez. 2011

24 | ABSTRACT

An electrical submersible pump (ESP) is an artifi cial lift method that can be defi ned as a subsurface electric motor that transforms electrical energy into mechanical energy and also as a centrifugal pump that converts mechanical energy into kinetic energy, which makes it possible to raise the fl uid to the surface. Electrical Submersible pumps are used in producer wells with sand and gravel-pack, or in producer wells of free gas above 10 % with separator of bottom. This artifi cial lift method is the most suitable for urban areas, since only the tubing head is placed on location. Another reason for its location is the little noisy in producer wells even in the high productivity and low pressure reservoir ones. This artifi cial lift method has equipments for surface and subsurface.

KEYWORDS

Electrical Submersible Pump (ESP). Artifi cial Lift. Reservoir.

1 INTRODUÇÃO

Estamos vivenciando na indústria do petróleo descobertas de jazidas repletas de óle-os pesados e ultrapesados, sendo necessário aplicar métodos de elevação artifi cial, já que a pressão do mesmo não é sufi ciente para elevá-lo à superfície. A elevação artifi cial nada mais é do que transferir pressão ou energia ao óleo através de métodos de bombeio para que assim este óleo chegue ao tanque de armazenamento na superfície.

Os métodos de elevação artifi ciais mais utilizados na indústria de petróleo são:

• Gás Lift

• Bombeio Mecânico

• Bombeio por Cavidade Progressiva (BCP)

• Bombeio Centrífugo Submerso (BCS)

Será abordado neste artigo o método por bombeio centrífugo submerso (BCS).

2 BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO

É o método que, através de um motor de subsuperfície, transforma energia elétrica em energia mecânica transmitida a uma bomba centrífuga, onde esta transforma a energia mecânica do motor em energia cinética, que transmite a energia para o fl uido sob forma de pressão, o que possibilita elevar o fl uido até a superfície (ver Figura 1).


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Figura 1: Poço equipado com BCS

Fonte: ALMEIDA, 2011.

A energia elétrica é transmitida ao fundo do poço através de cabo elétrico o que ali-menta o motor de fundo que está diretamente ligado à bomba que transmite energia ao poço sob forma de pressão, elevando-o a superfície.

Este método é recomendado para poços que produzam com pouco gás livre, para zonas urbanas, poços com alta produtividade e com pressão de reservatório relativamente baixa (ALMEIDA, 2011). Segundo ALMEIDA (2011), este método apresenta as vantagens e desvantagens descritas abaixo:

As vantagens são:

• Flexibilidade – trabalha em range de baixas e altas vazões;

• Não possui partes móveis na superfície;

• Automação, supervisão e controle relativamente simples;

• Fonte de energia estável e segura;

• Aplicável em poços desviados.

As desvantagens são:

• Alto custo inicial;

• Temperatura (possível degradação do sistema de isolamento);

• Reparo em equipamento de conjunto de fundo implica na parada da produção.


26 | 3 COMPONENTES

Os equipamentos utilizados no BCS são divididos em equipamentos de subsuperfície e equipamentos de superfície (Figura 2).

Figura 2: Componentes do sistema BCS

Fonte: BARBOSA, 2008.

De acordo com BARBOSA (2008), os equipamentos de superfície e subsuperfície são respectivamente:

Equipamentos de subsuperfície

• Bomba centrífuga;

• Separador de gás ou intake;

• Motor elétrico;

• Protetor ou Selo;

• Cabo elétrico.


| 27Equipamentos de Superfície

• Quadros de comando;

• Transformador;

• Caixa de ventilação;

• Válvula de retenção;

• Válvula de drenagem ou de alívio.

3.1 Equipamentos de Subsuperfície

Em seguida será realizado o detalhamento dos equipamentos de subsuperfície.

3.1.1 Bomba centrífuga

Apresenta múltiplos estágios, sendo que cada estágio consiste de impelidores cen-trífugos (girante) acionados por um eixo dentro de um corpo tubular com difusores (es-tacionário) e limitações para operar com efi ciência com quantidades signifi cativas de gás. A Figura 3 mostra exemplo de bombas centrífugas. E logo em seguida a fi gura 4 mostra o exemplo do impelidor e o difusor da bomba.

Figura 3: Exemplo de bombas centrífugas


Figura 4: Exemplos de impelidor e difusor



28 | 3.1.2 Separador de gás ou intake

Evita a sucção de gás livre pela bomba. É utilizado para permitir a utilização do BCS em poços produtores de gás, já que a bomba centrífuga não se mostra efi ciente. Sua utili-zação depende do volume de gás livre a ser separado, este localizado na parte inferior da bomba. Há dois tipos de separadores: estacionário ou de fl uxo invertido – que se baseia na mudança de sentido do fl uxo do fl uido, e centrífugo ou rotativo – utilizado em poços com alta vazão, submetendo o fl uido à ação de uma força centrífuga, realizando a separação das fases líquida e gasosa. A Figura 5 mostra um exemplo de separador de gás.

Figura 5: Separador de gás ou intake


3.1.3 Motor elétrico

Os motores são projetados para trabalhar em condições severas de temperatura, sen-do imersos nos fl uidos que estão produzindo a altas pressões, resistindo a 260ºC. São de indução trifásica, geralmente de dois pólos operando com velocidade de 3500 rpm para uma frequência de 60Hz (ALMEIDA, 2011). A Figura 6 exemplifi ca o motor de fundo.


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Figura 6: Motor elétrico


O motor consiste de uma carcaça tubular de aço carbono (Figura 7), dentro da qual há uma parte estacionária (estator - por onde passam os cabos elétricos) e uma parte giratória (rotor – o campo elétrico é criado pela passagem da corrente pelo estator e força o rotor a girar, girando também o eixo e a bomba) montada sobre um eixo (ALMEIDA, 2011).

Figura 7: Componentes de um motor


3.1.4 Protetor ou Selo

Equaliza a pressão interna do motor com a pressão do fl uido produzido pelo poço. É utilizado para evitar a contaminação do óleo mineral com o óleo de produção, sendo adi-cionado entre o motor e o rotor da bomba um sistema de selagem mecânica. De acordo com Almeida (2011) as principais funções do selo são:

1. Conectar a carcaça do motor à carcaça da bomba, assim como os respectivos eixos;

2. Igualar a pressão na cavidade do poço com o fl uido dielétrico do motor, evitando diferencial de pressão no motor;

3. Prover o volume necessário para a expansão e contração do óleo dielétrico contido no motor.

4. Absorver o empuxo axial descendente gerado pela bomba.


30 | 5. Evitar a entrada de fl uido produzido no motor.

A Figura 8 mostra um exemplo de selo.

Figura 8: Exemplo de selo ou protetor


3.1.5 Cabo elétrico

A energia é transmitida para o motor através de cabo elétrico trifásico com conduto-res de cobre e alumínio. O dimensionamento do cabo é feito à parte da corrente elétrica que vai atingir o motor, da temperatura de operação, da tensão da rede, do tipo de fl uido a ser produzido e do espaço disponível entre a coluna de produção e o revestimento (BA-TISTA, 2009). Uma estratégia adotada para preservação destes cabos é o uso de dois tipos: um redondo, para os locais de maior espaço anular, e um chato para as regiões de menor espaço. A fi gura 9 mostra desenho esquemático de cabos elétricos.

Figura 9: Cabos elétricos chato e redondo.



| 313.2 Equipamentos de Superfície

3.2.1 Quadros de comando

Têm como função controlar e operar com segurança os equipamentos de fundo. São divididos em dois tipos de compartimentos: média tensão – abriga os transmissores de corrente, de controle, fusíveis de proteção e a chave succionadora, e baixa tensão – abriga os relés, amperímetro, temporizador (timer).

3.2.2 Transformador

Tem a função de transformar a tensão da rede elétrica na tensão nominal necessá-ria para o motor. Sua escolha é feita através da tensão da rede e do motor, das perdas do cabo elétrico e da potência do motor (BATISTA, 2009). Há dois tipos de transformadores: o transformador de alimentação principal – utilizado para reduzir a tensão da fonte pri-mária de alta tensão (entre 6000 e 13.800 volts) para baixa tensão requerida pelo variador de frequência (480 volts); e o transformador de saída – utilizado quando há um Variador de Frequência instalado, tendo como fi nalidade aumentar a voltagem de saída do Va-riador de Frequência (480 volts) até a voltagem requerida pelo motor eletrossubmerso (fi guras 10 e 11).

Figura 10: Transformador de alimentação principal


Figura 11: Transformador de saída



32 | 3.2.3 Caixa de ventilação

Sua fi nalidade é a ventilação do cabo elétrico trifásico promovendo a saída para a atmosfera do gás que por acaso migre do poço para o interior do cabo. Este equipamento pode ser instalado entre o poço e o quadro de comando. Apresenta as seguintes funções (ALMEIDA, 2011):

1 - Proporciona um ponto para conectar o cabo submarino proveniente do transfor-mador de saída ao conector superior da cabeça.

2 - Proporciona uma ventilação para a atmosfera dos gases que podem migrar pelo cabo de potência desde o fundo.

3 - Proporciona pontos de verifi cação facilmente acessíveis para a revisão elétrica dos equipamentos do subsolo.

A Figura 12 exemplifi ca o modelo de caixa de ventilação.

Figura 12: Caixa de ventilação


3.2.4 Válvula de retenção

É utilizada para manter a coluna de produção cheia de fl uido quando, por qualquer motivo, o conjunto de fundo é desligado. Caso não seja utilizada, haverá retorno do fl uido da coluna de produção para o espaço anular, o que ocasiona uma rotação contrária da bomba. Caso haja uma tentativa para ligar o conjunto de fundo, provocará ruptura devido ao torque excessivo no eixo, provocado pela rotação incorreta da coluna.

3.2.5 Válvula de drenagem ou de alívio

Quando utilizada, admite a drenagem do fl uido da coluna para o espaço anular, evita a retirada da coluna com excesso de fl uido, o que atentaria um derramamento de óleo toda vez que um tubo fosse desconectado.


| 334 RELAÇÃO ECONÔMICA

De acordo com Thomas (2004), a utilização do BCS está se expandindo na elevação artifi cial pela crescente fl exibilidade e evolução dos equipamentos disponíveis. Este método apresenta um grande custo inicial de instalação, pois seus equipamentos necessitam estar em constante manutenção devido ao fato de ser operado em altas temperaturas, o que provoca paradas na produção para reparar equipamentos de conjunto de fundo.

5 CONCLUSÃO

O bombeio centrífugo submerso (BCS) é o método de elevação artifi cial utilizado sob forma de pressão transmitida ao fl uido, gerada por uma bomba centrífuga submersa no óleo do reservatório, o que possibilita a produção da vazão desejada. Os seus componen-tes são, geralmente, instalados um pouco acima dos canhoneados de tal forma que o óleo produzido do reservatório é forçado a passar lateralmente ao motor.

SOBRE O TRABALHO

Esse artigo foi produzido a partir da disciplina Completação do período 2010-2. Con-tato eletrônico com os autores do trabalho: [email protected]. Ana Paula Silva Concei-ção de Santana é orientadora do trabalho publicado e docente da Universidade Tiradentes, das disciplinas Reservatório, Gestão de Cadeia de Suprimentos e Completação, mestre em Engenharia de Petróleo pela UNICAMP [email protected].

REFERÊNCIAS

ALMEIDA, Sâmara Cássia Duarte. Aula de elevação artifi cial – Bombeio Centrífugo Sub-

merso. Aracaju, 2011.

BARBOSA, Tiago de Souza. Trabalho de conclusão de curso - Desenvolvimento da inter-

face gráfi ca para um simulador computacional do sistema de elevação por Bombeio

Centrífugo Submerso. Disponível em: http://www.engcomp.ufrn.br/publicacoes/ECC-2008-2-14.pdf. Natal, 2008. Acessado em 22/10/2011.

BATISTA, Evellyne da Silva. Dissertação de mestrado - Desenvolvimento de uma ferra-

menta computacional para aplicação no método de elevação por Bombeio Centrífu-

go Submerso. Disponível em: http://bdtd.bczm.ufrn.br/tedesimplifi cado/tde_arquivos/19/TDE-2010-02-08T033648Z-2418/Publico/EvellyneSBpdf.pdf. Natal-RN, 2009. Acessado em 22/10/2011.

NATURESA, Jim Silva. Artigo - Motores de indução aplicações na indústria de Petróleo

e Gás. Disponível em: http://www.slideshare.net/jimnaturesa/motores-de-induo-parte-5. Acessado em 22/10/2011.

NUNES, Jonathan da Silva. Projeto de graduação - Estudos, Modelagem e Simulação de

instalações de produção de petróleo no simulador Pipesim com ênfase na otimização

se “Gas-Lift” Contínuo. Disponível em: http://www.prh29.ufes.br/downloads/PG_Jona-than%20%20Nunes.pdf. Vitoria, 2008. Acessado em 23/10/2011.


34 | SANTAREM, Clarissa Andrade. Monografi a - Análise de sistemas de elevação artifi cial por

injeção de nitrogênio para surgencia de poços e produção. Disponível em: http://mono-grafi as.poli.ufrj.br/monografi as/monopoli10000053.pdf. Rio de Janeiro, 2009. Acessado em 23/10/2011.

THOMAS, José Eduardo et al. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Editora Interciên-cia, 2. ed. 2004 - Rio de Janeiro, RJ.

aplicaÇÃo do bombeio centrÍfugo submerso

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