laci laboratório para automação de campos inteligentes concepção inicial do laboratório de...
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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
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0
0
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ur
t
rz
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t
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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?