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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA DE PETRÓLEO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
ESTADO DA ARTE DO MÉTODO DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL BOMBEIO
MECÂNICO DE PETRÓLEO
Gustavo Henrique França de Sena
Orientador: Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa
Natal/RN
Novembro de 2016
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DEDICATÓRIA
A Deus, em primeiro lugar, que estive sempre
presente ao meu lado me concedendo muita força
e fé na consolidação desta conquista.
Aos meus pais, Josefa de França e Francisco de
Assis de Sena, pelo o apoio e confiança nos
momentos em que mais precisei.
A todos que de alguma forma, direta ou
indiretamente, se fizerem presentes me dando total
assistência e conforto nos percalços desta
caminhada.
4
AGRADECIMENTOS
À minha família, em especial aos meus pais, que sempre me deram carinho,
educação e me conduziram para o caminho certo.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa, pelo apoio, atenção e
confiança, estando sempre disponível para tirar dúvidas e ajudar no desenvolvimento
deste trabalho.
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FRANÇA DE SENA, Gustavo Henrique – “Estado da arte do método de elevação
artificial bombeio mecânico de petróleo”. Trabalho de Conclusão de Curso, Curso de
Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal – RN,
Brasil.
Orientador: Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa
RESUMO
Quando a energia disponível na forma de pressão de reservatório é insuficiente para elevar
os fluidos até a superfície, em regime permanente, então se faz necessário a
complementação dessa pressão através de métodos de elevação artificial. Estes métodos
consistem na utilização de equipamentos e tecnologias para viabilizar economicamente a
produção de óleo ou gás. O método de elevação artificial em estudo neste trabalho é o
bombeio mecânico que destaca-se como sendo o método mais antigo, como também o
mais empregado em números de poços no Brasil e no mundo. Neste trabalho foi realizada
uma revisão bibliográfica dos últimos anos e observou-se que a indústria nesse período
de tempo vem automatizando ao máximo as unidades de bombeio, inserindo utensílios
tecnológicos como o software de otimização, o variador de frequência e dispositivos para
ajustar curso e balancear a unidade. Isto com o intuito de reduzir os custos e fazer em
menos tempo as tarefas rotineiras da unidade, além de dar uma maior segurança
operacional e maximizar a produção do poço por não ser preciso parar a produção para
realizar tais tarefas. Esses aparatos tecnológicos também são inseridos para lidar com os
problemas causados na produção de petróleo. Neste trabalho, apresentam-se tecnologias
que lidam com problemas provocados pela produção de areia, como por exemplo.
Palavras-chave: Elevação artificial, bombeio mecânico, utensílios tecnológicos,
tecnologias.
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FRANÇA DE SENA, Gustavo Henrique – “Estado da arte do método de elevação
artificial bombeio mecânico de petróleo”. Trabalho de Conclusão de Curso, Curso de
Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal – RN,
Brasil.
Orientador: Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa
ABSTRACT
When the available energy in the form of reservoir pressure is insufficient to raise the
fluids to the surface in permanet state, then it is necessary to complement this pressure by
means of artificial lift methods. These methods consist of the use of equipment and
technologies to make the production of oil or gas economically viable. The artificial lift
method studied in this work is the sucker-rod pumping that in turn stands out as the oldest
method, as well as the most used in numbers of wells in Brazil and in the world. In this
work it was made a bibliographic review of recent years and it was observed that the
industry in this period of time has automated to the maximum the units of pumping,
inserting technological tools such as optimization software, variable speed drive, and
devices to adjust stroke and balance the unit. This in order to reduce costs and make in
less time the routine tasks of the unit, besides giving greater operational safety and
maximizing well production because it is not necessary to stop the production to carry
out such tasks. These technological devices are also inserted to deal with the problems
caused in the production of petroleum. In this work, are present technologies that deal
with problems caused by the production of sand, for example.
Keywords: Artificial lift, sucker-rod pumping, technological tools, technologies.
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SUMÁRIO
1 OBJETIVOS E METODOLOGIA .................................................................. 12
1.1 Objetivos do trabalho ........................................................................................... 12
1.1.1 Objetivo geral ............................................................................................ 12
1.1.2 Objetivo específico .................................................................................... 12
1.2 Metodologia ......................................................................................................... 12
2 INTRODUÇÃO GERAL .................................................................................. 14
2.1 Introdução ............................................................................................................ 14
2.2 Histórico .............................................................................................................. 15
2.2.1 A ascensão da unidade de bombeio ........................................................... 16
2.3 Descrição do método ........................................................................................... 17
3 ESTADO DA ARTE .......................................................................................... 22
3.1 Polia com catraca ................................................................................................. 22
3.2 Medidores de fundo de poço ................................................................................ 24
3.3 Bomba de hastes com tela de filtragem integral .................................................. 25
3.4 ROTAFLEX ........................................................................................................ 29
3.5 Unidade hidráulica de bombeio ........................................................................... 30
3.6 Unidade de bombeio inteligente .......................................................................... 32
3.7 Unidade de bombeio linear (linear rod pump) .................................................... 33
4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ........................................................ 37
4.1 Conclusões ........................................................................................................... 37
8
4.2 Recomendações ................................................................................................... 38
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 40
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Distribuição de poços por método de elevação artificial .............................. 14
Figura 2.2: Sistema de bombeio mecânico ...................................................................... 17
Figura 2.3: Poço equipado com bombeio mecânico ........................................................ 18
Figura 2.4: Bomba de fundo ............................................................................................ 18
Figura 2.5: Curso ascendente .......................................................................................... 19
Figura 2.6: Curso descendente ........................................................................................ 20
Figura 2.7: Unidade de bombeio ..................................................................................... 20
Figura 3.1: Esquema da polia com catraca embutida ...................................................... 23
Figura 3.2: Foto da polia com o ímã permanente ............................................................ 23
Figura 3.3: Foto do novo sistema de polia na unidade de bombeio ................................ 23
Figura 3.4: Componentes básicos da nova tecnologia ..................................................... 25
Figura 3.5: Ilustração da operação da bomba durante o curso ascendente ...................... 27
Figura 3.6: Ilustração da operação da bomba durante o curso descendente .................... 28
Figura 3.7: Unidade de bombeio ROTAFLEX ............................................................... 29
Figura 3.8: Unidade hidráulica de bombeio instalada diretamente na cabeça do poço ... 31
Figura 3.9: Unidade de bombeio linear ........................................................................... 33
Figura 3.10: Componentes da unidade de bombeio linear .............................................. 34
LISTA DE SÍMBLOS E ABREVIATURAS
BM Bombeio mecânico
BCS Bombeio centrífugo submerso
BCP Bombeio de cavidades progressivas
PIP Pressão de entrada na bomba
PDP Pressão de descarga da bomba
Phead Pressão na cabeça do poço
ID Diâmetro interno
10
OD Diâmetro externo
UB Unidade de bombeio
LRP Linear rod pump
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CAPÍTULO 1:
Objetivos e metodologia
12
1 OBJETIVOS E METODOLOGIA
1.1 Objetivos do trabalho
1.1.1 Objetivo geral
O trabalho tem como objetivo fazer uma revisão bibliográfica dos últimos anos e
descrever o nível mais alto de desenvolvimento do bombeio mecânico como método de
elevação artificial, bem como quais as principais tendências de evolução tecnológica da
indústria.
1.1.2 Objetivo específico
Descrever tecnologias inovadoras de unidades de bombeio mecânico e bombas de
fundo recentemente desenvolvidas.
1.2 Metodologia
Pesquisa na literatura de maneira exploratória, descritiva e explicativa na qual se
fez uma análise crítica das publicações correntes e fez uso de levantamentos
bibliográficos sobre o método de elevação bombeio mecânico.
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CAPÍTULO 2:
Introdução geral
14
2 INTRODUÇÃO GERAL
2.1 Introdução
Quando o reservatório não possui energia suficiente na forma de pressão para
produzir por surgência, ou seja, a energia disponível do reservatório é menor que a
necessária para o escoamento dos fluidos até a superfície por meio da elevação natural,
se faz necessário a complementação dessa pressão através de métodos de elevação
artificial.
Os métodos de elevação artificial mais usuais empregados na indústria são o
bombeio mecânico (BM), o bombeio centrífugo submerso (BCS), o bombeio de
cavidades progressivas (BCP) e o gas lift. (COSTA, Rutácio. 2008)
Dentre os métodos de elevação artificial, destaca-se o bombeio mecânico como o
mais antigo, como também aplicado ao maior número de poços no Brasil e no mundo.
“Estevam (2006) mostra que 94 % de todos os poços de petróleo do mundo são equipados
com algum método de elevação artificial (Ver Figura 3.1). Destes, 71 % são equipados
com bombeio mecânico. Na Petrobras, cerca de 70 % dos poços produtores são equipados
com bombeamento mecânico alternativo.” (COSTA, Rutácio. 2008)
Figura 2.1: Distribuição de poços por método de elevação artificial
Fonte: Costa, Rutácio. 2008.
Um dos principais e mais frequente problema associado ao bombeio mecânico é
a produção de areia. Como em BM a velocidade do fluxo do fluido é insuficiente para
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manter a areia suspensa de modo que ela possa ser trazido para superfície, então ela acaba
precipitando no topo da bomba, causando um desgaste prematuro dos componentes da
mesma e ainda uma redução da sua eficiência. Entre outros problemas associados ao
bombeio mecânico, temos: gás livre na sucção da bomba, corrosão, parafina/incrustação,
alta temperatura, poços desviados, alta viscosidade do óleo, entre outros.
Quando comparado a outros métodos, o bombeio mecânico tem um baixo custo
de manutenção e investimento, tem a possibilidade de atuar com fluidos em larga faixa
de temperatura e com diferentes viscosidades e composições, tem alta eficiência
energética e tem grande flexibilidade de vazão e profundidade. (Costa, Rutácio. 2008)
Entretanto, atua basicamente em campos terrestres para elevar vazões médias de poços
rasos ou para elevar baixas vazões de poços de grande profundidade pois a medida que
aumenta a profundidade do poço, a vazão cai muito.
2.2 Histórico
O bombeio mecânico é o método mais antigo, dentre os métodos de elevação
artificial, tendo indícios de sua utilização pelos chineses há mais de 3.000 anos, para a
produção de água.
“Por volta de 476 a.c, o princípio de hastes de bombeio era conhecido por ter sido
usado no Egito. Relata-se que arqueólogos - ao escavar casas das famílias mais ricas que
existiam nos primórdios do Império Romano - encontraram bombas de dupla ação, feitas
de chumbo fundido, com pistões feitos de madeira e couro. As bombas de hastes romanas
eram feitas de madeira e trabalhavam em compressão.” (BECKWITH, Robin. 2014)
“A utilização do bombeio mecânico em poços para retirada de óleo, ocorreu mais
comprovadamente de fato em 27 de agosto de 1859, perto de Titusville, Pensilvânia,
EUA. Onde o "coronel" Edwin Laurentine Drake encontrou "óleo de rocha" em um poço
que ele deliberadamente perfurou para produzi-lo. A plataforma e as ferramentas de
Drake e seu perfurador, especialista em água salgada e ferreiro “Tio Billy” Smith, também
inauguraram a era do petróleo moderno.” (BECKWITH, Robin. 2014)
Coberly (1961) citado por (BECKWITH, Robin. 2014) escreve que a maior
influência sobre os primeiros equipamentos de produção utilizados pela indústria do
petróleo, resultou das ferramentas convencionais utilizadas para perfurar os poços: “A
haste oscilante - um meio simples e eficaz de levantar e soltar a broca - Adequados para
16
operar o pistão da bomba no fundo do poço uma vez que o poço foi concluído. Ambas as
cargas de perfuração e de bombeio eram suficientemente pequenas para permitir o uso de
elementos estruturais de madeira com algumas peças de ferro para servir de pontos de
apoio. Por mais bruto que fosse o equipamento, era eficaz e barato."
O primeiro poço revestido se deu por volta de 1861. Coberly (1961) citado por
(BECKWITH, Robin. 2014) observou também que o uso do revestimento refletia direta
ou indiretamente em quase todos os avanços dos métodos de perfuração e produção. O
uso do revestimento de poço era rotineiro dentre esses 10 anos da descoberta de Drake.
As hastes de bombeio de ferro foram introduzidas no final dos anos 1800 e barras
de aço e pino de aço carbono no início de 1900. Por volta de 1917, com poços mais
profundos sendo perfurados e demandas de bombeio intensificadas, o peso da coluna de
ferro ou hastes de aço foi reconhecido como um problema. Para compensar este peso,
compósitos foram usados na fabricação de hastes, e hastes tubulares ocas foram feitas.
Em 1923 um esforço para minimizar falhas de haste envolveu o tratamento térmico de
extremidades das mesmas. Mas a normalização completa, feita em 1927, era necessária.
As hastes de bombeio de aço totalmente tratadas termicamente foram comercialmente
oferecidas a partir de 1930.
2.2.1 A ascensão da unidade de bombeio
John H. Suter citado por (BECKWITH, Robin. 2014) declara em uma patente
concedida a ele em outubro de 1925: "Ao bombear poços profundos, como poços de
petróleo, é comumente usada uma bomba alternativa, em que o movimento mecânico é
transmitido ao pistão por meio de uma haste de sucção. Em tais construções, devido ao
grande comprimento da haste de sucção requerido, são satisfeitas várias dificuldades.
Entre elas estão o estiramento da haste em cada curso, o afastamento da haste, o desgaste
excessivo da haste em fricção contra o revestimento, o peso das partes a serem movidas
e a “dobra” da haste. Esses fatores resultam em diminuição da eficiência e quebra de
peças."
Em 1932, com a evolução dos redutores, que por sua vez permitiram a introdução
de cilindros múltiplos e motores primários de alta velocidade, e com o desenvolvimento
de unidades móveis eficientes de manutenção de poços, o equipamento padrão
17
normalmente utilizado para perfurar poços deu lugar as unidades de bombeio mais
parecidas com as atualmente utilizadas.
2.3 Descrição do método
No bombeio mecânico, o movimento rotativo do motor elétrico ou de combustão
interna é convertido em movimento alternativo na unidade de bombeio e transmitido à
coluna de hastes. A coluna de hastes, que tem como função conectar os equipamentos de
superfície a bomba de fundo, transmite o movimento alternativo até o fundo do poço e
aciona a bomba que eleva os fluidos até a superfície. Assim, a coluna de hastes fica se
movimentando em ciclos ascendentes e descendentes. A Figura 2.2 ilustra o sistema de
bombeio mecânico e a Figura 2.3 mostra um poço equipado com bombeio mecânico.
Figura 2.2: Sistema de bombeio mecânico
Fonte: THOMAS et al, 2004.
18
Figura 2.3: Poço equipado com bombeio mecânico
Fonte: Costa, Rutácio. 2008.
A bomba de fundo utilizada no sistema de bombeio mecânico é do tipo alternativa,
de simples efeito, e tem como função elevar o fluido para superfície fornecendo energia
na forma de pressão ao fluido vindo da formação. Ela é composta basicamente de pistão,
camisa e válvulas de passeio e de pé. (Ver Figura 2.4)
Figura 2.4: Bomba de fundo
Fonte: Costa, Rutácio. 2008.
As pressões na bomba variam em função do deslocamento do pistão. No curso
ascendente, o pistão sobe, a válvula de passeio fecha devido à pressão do fluido presente
19
na coluna de produção, ou seja, a pressão acima da válvula de passeio é maior do que
abaixo pois o pistão sobe comprimindo todo o fluido acima da válvula de passeio. A
pressão entre as válvulas continua a cair até que ela seja menor que a pressão de sucção.
Quando isso acontece, a válvula de pé abre e permanece aberta, permitindo a passagem
dos fluidos que estão no anular para o interior da bomba de fundo, como ilustrado na
Figura 2.5.
Figura 2.5: Curso ascendente
Fonte: Costa, Rutácio. 2008.
No curso descendente as posições se invertem, os fluidos que estão na camisa da
bomba são comprimidos, ocasionando um aumento de pressão na região entre as válvulas,
provocando o fechamento da válvula de pé a abertura da válvula de passeio, como mostra
a Figura 2.6.
20
Figura 2.6: Curso descendente
Fonte: Costa, Rutácio. 2008.
A unidade de bombeio é o equipamento responsável por converter o movimento
de rotação do motor em movimento alternativo da coluna de hastes. Quanto a escolha da
unidade de bombeio para determinado poço deve-se levar em consideração o máximo
torque, a máxima carga e o máximo curso de haste polida que irão ocorrer no poço. De
modo a reduzir os esforços no motor e no redutor, todas as unidades de bombeio têm um
sistema de balanceamento de carga do poço. (Ver Figura 2.7)
Figura 2.7: Unidade de bombeio
Fonte: THOMAS et al, 2004
21
CAPÍTULO 3:
Estado da arte
22
3 ESTADO DA ARTE
Este capítulo abordará as evoluções tecnológicas envolvendo o método de
elevação artificial bombeio mecânico com hastes.
3.1 Polia com catraca
Trata-se de um novo tipo sistema de polia com catraca embutida (Ver Figura 3.1)
que foi desenvolvido e instalado em unidades de bombeio mecânico. Este tipo de polia
com catraca especificamente utiliza um ímã permanente para engatar e desengatar o eixo
da polia. Essa nova tecnologia tem um princípio básico de funcionamento no qual sempre
que o sistema de bombeio experimenta o torque líquido negativo, a polia desengata a
entrada de energia do eixo do redutor, assim desacoplando o seu eixo eficazmente,
permitindo o movimento livre da coluna de hastes durante o curso descendente e o
movimento livre do sistema conduzido pelo contrapeso no curso ascendente. Dessa
forma, o motor elétrico não funciona como gerador mandando energia para a rede pois
não vai ser preciso ‘frear’ a unidade. Dependendo dos períodos de torques negativos, a
polia desengata pelo menos uma vez por ciclo. (Guo et al, 2003)
Guo et al (2003), dizem que esse sistema de polia com catraca que utiliza ímã
permanente fornece dois grandes benefícios para os sistemas de bombeio mecânico: a
melhoria da vazão de produção de petróleo e a economia de energia. Com base em testes
de campo realizados em mais de 100 poços, esses mesmos autores dizem que a velocidade
de bombeamento aumentou 9% em média, a vazão de produção líquida aumentou 14%
em média e a economia de energia variou de 5% para unidades de bombeio bem
balanceadas e 40% para unidades de bombeio mal balanceadas, com média de 23%. Eles
ainda dizem que a vazão de produção de líquido é mais estável nos poços que utilizam
desta tecnologia em comparação com os que não utilizam da mesma.
Os autores em questão não especificam o país ou em qual empresa foram
realizados os testes de campo, só apresenta dados de 10 típicos poços.
23
Figura 3.1: Esquema da polia com catraca embutida
Fonte: GUO et al, 2003.
Figura 3.2: Foto da polia com o ímã permanente
Fonte: GUO et al, 2003
Figura 3.3: Foto do novo sistema de polia na unidade de bombeio
Fonte: GUO et al, 2003.
24
3.2 Medidores de fundo de poço
Essa tecnologia trata-se basicamente de sensores instalados no fundo do poço com
intuito de fazer medições precisas da pressão de entrada (PIP) e pressão de descarga
(PDP) da bomba, fazendo a aquisição dos dados no fundo do poço e transferindo para
superfície, em tempo real. Com esses parâmetros pode-se fazer a otimização da unidade
de bombeio em tempo real.
A implantação desses sensores de fundo de poço para medição da PIP, PDP,
temperatura e a vibração fornecem a informação exata da pressão e propriedades dos
fluidos do reservatório. Com a utilização destes dados, pode-se otimizar o
dimensionamento do equipamento de campo completo e os benefícios têm sido discutidos
no papel, como observado por Quttainah et al (2014).
Os componentes de fundo de poço do sistema de monitoramento do sensor de
fundo do poço consiste de um medidor com um mandril (instalado acima da bomba). O
mandril forma uma parte da coluna de completação que fornece uma caixa de proteção
para o medidor de temperatura e pressão. A transmissão de dados do medidor acontece
por meio do fundo do poço, o cabo do medidor volta para a superfície.
Esse sistema ainda possui um software de otimização que a partir dos dados
precisos recibidos dos sensores de fundo de poço, faz o balanciamento da unidade e
dimensiona os equipamentos da unidade para futuros poços próximos. Através do
monitoramento dos sensores é possível ajustar o cursos por minuto ou o comprimento de
curso para alcançar a produção otimizada.
Quttainah et al (2014), dizem que a partir de um estudo recente que adapta a
configuração de contrapeso com as mudanças no fluxo, observou-se que isso não só
aumenta a eficiência geral do sistema, mas também aumenta a vida do redutor e ajuda a
poupar eletricidade.
Com base em estudos de casos realizados no campo de petróleo pesado KOC,
localizado no Sul de Ratqa, e no campo de Burgan, no ano de 2014. Quttainah et al (2014),
observaram que a medição de pressão em tempo real levou à redução do equipamento
tanto para campo de petróleo convencional tanto para óleos pesados que mostrou uma
redução substancial em capital e custos operacionais da ordem de 6-8%. Estes incluem os
custos de capital de equipamentos e custo operacional do gerador. Eles observaram
25
também que equilibrar a unidade com os dados em tempo real, reduz o consumo de
combustível e protege o redutor de falhar devido a uma sobrecarga. Ainda segundo eles,
a medição de pressão em tempo real ajuda a medir a capacidade do reservatório e a afinar
os parâmetros operacionais com as mudanças no IP do reservatório. Isso ajuda a aumentar
imediatamente a vazão de poços em potenciais para dar maior ganho de óleo.
3.3 Bomba de hastes com tela de filtragem integral
Trata-se de inovadora tecnologia que introduz uma tela de filtragem numa
configuração de bomba convencional, a principal diferença entre esta tecnologia e a
bomba convencional é a única montagem do pistão e sua capacidade de lidar com a areia.
Enquanto um pistão convencional é constituído por um só membro, este conjunto de
pistão consiste em três componentes principais: um membro de pistão superior, um
membro de pistão inferior e um filtro integral separando os dois (Ver Figura 3.4). A
configuração completa da bomba ainda consiste de uma camisa fixa, uma válvula de pé
e uma válvula de passeio. (STACHOWIAK, J. 2015)
Figura 3.4: Componentes básicos da nova tecnologia
Fonte: Adaptado de (STACHOWIAK, J. 2015)
26
Essa tecnologia foi desenvolvida para minimizar ao máximo os efeitos causados
pelo fluido de produção (chamado de fluido de “deslizamento” nessa situação), areia e
outras partículas que migram para a folga anular entre o pistão e a camisa da bomba
reduzindo assim sua eficiência. A quantidade de fluido de deslizamento com areia e outras
partículas que passa pistão é inversamente proporcional à eficiência da bomba (o fluido
de deslizamento aumenta, a eficiência da bomba diminui).
Quanto aos componentes dessa nova tecnologia, o membro de pistão superior é
basicamente um pistão de ajuste de folga elevada com uma série de anéis de "limpeza"
igualmente espaçados ao longo do comprimento e estão em contato constante (folga zero)
com a superfície interna da camisa de bomba. O elemento de pistão inferior funciona
como um pistão de trabalho padrão que transporta a carga hidrostática do fluido que está
a ser bombeado para a superfície. O elemento de filtro consiste num alojamento que
acopla os membros de pistão superior e inferior juntamente com as passagens radiais para
permitir que o fluido passe do interior do pistão para o espaço anular entre o elemento de
pistão de limpeza superior e a secção de vedação hidrodinâmica (formada devido ao
comprimento do pistão e à pequena folga entre o diâmetro exterior do pistão e o diâmetro
interno da camisa) do pistão inferior. (STACHOWIAK, J. 2015)
Quanto a operação da bomba, durante o curso ascendente (Ver Figura 3.5), a tela
permite que o fluido de produção passe entre a porção inferior do pistão superior de
limpeza e a porção superior do membro de pistão inferior (percurso de fluido "A"),
fazendo com que os anéis de limpeza tornem a "pressão equilibrada" (pressão da cabeça
(Phead) é a mesma acima e abaixo dos anéis de limpeza). Isso permite que os anéis
"limpem", mantendo as partículas fora da área de vedação, uma vez que não existe pressão
diferencial para forçar o fluido e as partículas para além dos anéis. (STACHOWIAK, J.
2015)
27
Figura 3.5: Ilustração da operação da bomba durante o curso ascendente
Fonte: Adaptado de (STACHOWIAK, J. 2015)
Uma vez que o elemento de pistão superior e a tela são equilibrados em pressão,
apenas o membro de pistão inferior atua como o "pistão de trabalho" como descrito
anteriormente. A tela do filtro é de tamanho suficiente para "filtrar" o fluido de
deslizamento e permitir que partículas de tamanho certo entrem na região de vedação
anular do pistão de trabalho inferior. O tamanho da tela do filtro (tamanho de partículas
que é permitido passar) é determinado pelo ajuste do pistão, ou folga entre a ID da camisa
e o OD do pistão. À medida que o fluido de deslizamento passa através da tela, as
partículas maiores irão recolher-se no lado "sujo" (diâmetro interno da tela tubular) da
tela do filtro e esta irá permitir que apenas as partículas de menor tamanho passem. Uma
vez que o ajuste do pistão inferior (aberturas do pistão/camisa) é maior do que o tamanho
da tela, as partículas "filtradas" menores podem passar facilmente, reduzindo assim
grandemente a possibilidade de danos causados pela areia. O processo de filtragem
realizado pela tela continua até que a bomba chegue ao topo do curso e comece a descer.
No curso descendente (Ver Figura 3.6), a válvula de pé fecha e a válvula de
passeio abre, enviando fluido de produção de alta velocidade através da região do pistão
interno e através do lado interno (lado sujo) e a tela de filtragem (percurso de fluido “B”).
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As partículas maiores que foram aprisionadas pela tela no movimento ascendente estão
agora localizadas neste percurso de fluido e, uma vez que o fluido de deslizamento não
está fluindo para além da tela, as partículas podem agora ser transportadas, deixando o
filtro limpo. Uma vez que a bomba atinge a parte inferior do curso, esta operação de
"limpeza" para e todo o processo começa mais uma vez.
Figura 3.6: Ilustração da operação da bomba durante o curso descendente
Fonte: Adaptado de (STACHOWIAK, J. 2015)
Com base em resultados de testes de campo realizados no campo petrolífero em
Kern County, Califórnia. Stachowiak, J. (2015) observou que o sistema de bombeio
mecânico utilizando essa nova tecnologia de tela integral mostrou uma melhoria
significativa em poços problemáticos (O autor define poços problemáticos os que tinha
as seguintes características: as instalações de bombas anteriores obtiveram vida limitada
devido a danos causados pela areia; Nenhuma das duas execuções anteriores da bomba
atingiu mais de 365 dias) que antes utilizam bombas convencionais. Os dados para o teste
de campo foram coletados de duas séries de bombas convencionais anteriores no mesmo
poço problemático.
O autor em questão descreve que dos 56 poços monitorados, a bomba (tipo
insertável) com tela integral mostrou um aumento percentual médio em tempo de
29
execução de 450% em relação ao tempo médio de execução das duas instalações
anteriores (bombas convencionais) e um aumento percentual médio de 293% de vida útil
em comparação com o melhor tempo de execução das instalações anteriores.
Stachowiak, J. (2015) ainda diz que embora os dados recolhidos não tenham
transmitido as razões exatas para todas as operações que implicaram a utilização desta
nova tecnologia com filtro integral, os resultados são positivos para os poços que
apresentaram grande produção de areia.
3.4 ROTAFLEX
Trata-se de uma unidade de bombeio de longo curso, conhecida pela marca acima,
que possui mecanismo de acionamento mecânico por correias. A haste polida desta
unidade é acionada por uma cinta flexível de alta resistência. (Ver Figura 3.7)
Geralmente, um motor elétrico aciona um redutor que, por sua vez, aciona uma
longa corrente a uma velocidade relativamente constante. A corrente gira ao redor de uma
roda dentada inferior que é fixada ao redutor e também gira ao redor de uma roda dentada
superior que está montada no topo de um alto mastro. (Costa, Rutácio. 2008)
Figura 3.7: Unidade de bombeio ROTAFLEX
Fonte: COSTA, Rutácio. 2008
30
Quando a ROTAFLEX está devidamente balanceada, o seu motor elétrico é mais
devidamente carregado, permitindo seu funcionamento numa região de alta eficiência na
maior parte do tempo. Portanto, sendo assim relativamente mais eficiente que as unidades
de bombeio convencionais.
A unidade rotaflex ainda pode trabalhar com duas velocidades, sendo uma no
curso ascendente e outra no curso descendente, isto porque o seu motor elétrico pode ser
acionado por um variador de frequência que por sua vez é controlado por speed sentry.
Essa operação pode ser útil para bombear fluidos viscosos.
Esta unidade foi desenvolvida para trabalhar com baixas frequêcias de bombeio,
para atender poços com alto índice de falhas, poços com alta profundidade e de alta vazão.
3.5 Unidade hidráulica de bombeio
Unidades hidráulicas de bombeio existem desde a década de 1940, mas não
receberam uma boa aceitação na indústria. Isto é, em grande parte, devido a uma
reputação de altos custos de manutenção e falhas frequentes. Inovações em unidades
hidráulicas de bombeio, com uma visão afiada para o ambiente do campo petrolífero, têm
ajudado a melhorar a confiabilidade e reduzir os custos de manutenção.
As unidades hidráulicas de bombeio ocupam uma área bem menor que as unidades
convencionais, fornecem um mínimo de investimento de infraestrutura inicial e facilidade
de instalação. O seu funcionamento basicamente acontece com um cilindro hidráulico
(Ver Figura 3.8) na superfície conferindo um movimento alternativo na haste polida e na
coluna de hastes. O conjunto da bomba ao fundo do poço e a coluna de hastes são quase
idênticas à de um poço de bombeio padrão. A unidade hidráulica descrita por Mehegan
et al (2013), pode ter a unidade de energia remotamente localizada longe da cabeça do
poço, minimizando ainda mais os requisitos de espaços do sistema mecânico, podendo
ficar só com o cilindro hidráulico e as duas linhas hidráulicas na cabeça do poço.
31
Figura 3.8: Unidade hidráulica de bombeio instalada diretamente na cabeça do poço
Fonte: Adaptado de (MEHEGAN et al, 2013)
A unidade hidráulica de bombeio inclui a capacidade de curso longo, fornecendo
assim vários benefícios. O curso longo de bombeio melhora os tempos de execução de
equipamentos downhole, distribuindo o desgaste sobre uma superfície maior, tendo assim
uma redução da fadiga cíclica na coluna de hastes. Essa capacidade descrita torna possível
a aplicação desta unidade de bombeio em poços direcionais, minimizando o impacto
negativo de desgaste por atrito e falhas relacionadas. O curso longo ainda gera uma maior
taxa de compressão entre as válvulas de passeio e de pé, resultando em melhores
características de manipulação de gás.
A capacidade do sistema hidráulico de ajustar facilmente a taxa de curso para uma
melhor otimização do sistema, proporciona um melhor manuseio de parafinas e sólidos,
isto porque este ajuste permite que o poço fique em constante movimento, o que é
desejável para esses poços com estes tipos de problemas. O ajuste da taxa de curso com
a mudança na capacidade da bomba pode adaptar o sistema a mudanças significativas na
produtividade do poço. Com a taxa de curso mais lenta, ciclos menores, aumenta-se a
vida útil da bomba de fundo.
Ao contrário de uma unidade de hastes convencional, o sistema hidráulico possui
uma facilidade de alterações mecânicas significativas e não está sujeito a limitações de
torque ou preocupações de danos na carga estrutural.
32
A unidade de bombeio descrita por Mehegan et al (2013) possui um programa de
manutenção preventivo básico, que consiste em alerta de telemetria remota e visitas de
rotina no local, pegando muitos problemas com antecedência e resolvendo-os antes que
o sistema experimente quaisquer perdas significativas da produção. Eles descrevem
também que ambos sistema de controle e vazamentos de cabeça de poço atuam de forma
segura e completamente contidos por meio de um design inovador.
Poços profundos, de alta vazão, ou poços com alto índice de falhas são bons poços
candidatos para sistemas de unidades hidráulicas de bombeio.
3.6 Unidade de bombeio inteligente
Trata-se de uma nova tecnologia desenvolvida pelos engenheiros da Petrobras
Rutácio de Oliveira Costa (patente n° PI 0703989-1 A2) e Elias Siqueira Karbage (patente
n° PI 0703710-4 A2), em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Norte
(UFRN) e fornecedores. Esta tecnologia permite os ajustes de curso e ciclos por minuto,
e a realização do balanceamento da unidade de forma remota por meio de um painel de
controle que manda o comando para o motor elétrico fazer esses ajustes.
O dispositivo regulador remoto do balanceamento de manivelas introduzido na
unidade de bombeio inteligente executa de maneira dinâmica e contínua, o equilíbrio dos
torques ativos sobre a manivela. Isto, sem precisar parar a produção ou fazer a retirada de
algum equipamento da unidade.
O dispositivo de ajuste contínuo de curso das hastes também introduzido na UB
inteligente permite o ajuste da amplitude de acionamento das hastes das bombas do poço,
ou seja, consiste na diminuição ou no aumento do deslocamento da haste polida durante
o ciclo de bombeio. Esta operação ocorre de maneira remota e contínua, da mesma forma
que o dispositivo acima descrito, sem precisar parar a produção ou fazer a retirada de
algum equipamento da unidade.
O variador de frequência, dispositivo que controla a rotação do motor de indução,
desta unidade permite o ajuste de ciclos por minuto, também de maneira remota.
A incorporação desses dispositivos na unidade de bombeio permite a
automatização do sistema de bombeio como um todo, fornecendo uma maior segurança
33
operacional, com menores custos e menos tempo de execução das tarefas, sem ter
nenhuma restrição quanto ao momento da operação.
3.7 Unidade de bombeio linear (linear rod pump)
Trata-se de uma inovadora tecnologia que utiliza um mecanismo de pinhão-
cremalheira simples que controla diretamente a haste de bombeio, esse mecanismo
transforma o movimento rotativo do motor de indução em movimento alternativo da
coluna de hastes (Ver Figura 3.9). Um motor de indução acoplado a esse mecanismo,
através de um redutor, é que faz com que o sistema fique alternando a haste no momento
certo, formando assim o ciclo ascendente e descente. Na Figura 3.10, pode-se observar
alguns dos componentes da unidade de bombeio linear.
Figura 3.9: Unidade de bombeio linear
Fonte: (UNICO, INC. 2016)
34
Figura 3.10: Componentes da unidade de bombeio linear
Fonte: Adaptado de (UNICO, INC. 2016)
O projeto de baixa inércia do sistema linear sucker pump (LRP) permite utilizar
um motor e redutor bem menores do que uma bomba convencional, e ainda assim
proporcionar a mesma ou melhor produção de óleo ao um menor curso. Pois, o sistema
em questão utiliza perfis de movimento programáveis e não tem limitações de torque
dando assim um curso efetivo de uma unidade bem maior. (UNICO, INC. 2016)
O sistema LRP possui um software para otimizar a produção de óleo enquanto
protege o sistema de bombeamento. O sofisticado variador de frequência desta unidade
consegue perfis de movimento que são impossíveis por meios mecânicos. O
preenchimento da bomba é regulado de forma otimizada pelo software, ajustando-se
independentemente as velocidades ascendentes e descendentes. O sistema de controle
desse software faz uma verificação das válvulas para identificar algum vazamento. Esse
mesmo sistema de controle também fornece relatórios de dados do poço, plotagem de
dinamômetro de superfície e de fundo, capacidade de acesso remoto, reinicialização
automática após falhas e outras funcionalidade. (UNICO, INC. 2016)
Ainda com as funcionalidades do software acima descrito, o sistema LRP pode
operar com velocidades tão baixas quanto 1 ciclo por minuto, e pode-se ajustar facilmente
35
o comprimento e o espaçamento da bomba, permitindo sua máxima compressão. Os
benefícios dessas práticas podem ser encontrados na seção 3.5 deste trabalho.
A unidade de bombeio linear é montada diretamente na cabeça do poço, é
pequena, leve e fácil de transportar. Segundo o fabricante não é necessário nenhum
equipamento especializado ou pesado para sua instalação que por sua vez ocorre de
maneira rápida. Este sistema ainda fornece uma economia por ter custos reduzidos de
instalação, operação e manutenção.
36
CAPÍTULO 4:
Conclusões e recomendações
37
4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
4.1 Conclusões
No trabalho desenvolvido foi feita uma revisão bibliográfica com a finalidade de
conhecer o estado da arte do método de elevação artificial bombeio mecânico. Apesar
deste método em questão ser bastante tradicional, a indústria ao longo dos anos tem
introduzido novos dispositivos tecnológicos e bombas especiais para adequar a unidade
em determinadas situações especificas, tais como: trazer ganho de eficiência; ampliar o
campo de aplicação do método, avançar em termos durabilidade, consumo de energia,
redução de custos, redução de espaços, entre outros.
Em suma, os avanços e os aparatos tecnológicos desenvolvidos para com este
método visam introduzir tecnologias para automatizar ao máximo a unidade de bombeio
e com isso otimizar a produção de petróleo como um todo. A utilização de software de
otimização, de sensores de fundo de poço, do variador de frequência, de dispositivos para
ajustar o curso e balancear a unidade, demonstram a intenção da indústria de reduzir os
custos em relação as realizações das tarefas rotineiras, tais como: o ajuste de ciclos por
minuto e curso da unidade. E ainda sim, ter uma maior segurança operacional, sem
interromper a produção do poço e realizar as operações em menos tempo, maximizando
assim a produção.
Em relação a tecnologia tela de filtragem integral, observou-se em um dos artigos
estudados para a elaboração deste trabalho que esta alivia grandemente os problemas
causados pela produção de areia. Estes problemas causados pela elevada produção de
areia e sólidos em geral, resultam no desgaste prematuro dos componentes da bomba,
como também deixa a bomba presa.
Em relação aos novos designs das unidades de bombeio apresentadas neste
trabalho, como o da unidade hidráulica de bombeio e o da unidade de bombeio linear,
além de ocuparem uma área bem menor e serem montadas diretamente na cabeça do poço,
estas unidades não estão sujeitas às limitações de torque ou danos na carga estrutural pois
possuem um sistema de baixa inércia.
38
4.2 Recomendações
Fazer uma análise de viabilidade econômica para determinar quais os retornos
financeiros destes métodos inovadores disponíveis atualmente na indústria, isso aplicados
(cada um) na sua área atuação, e ainda sim fazer um comparativo entre eles e o método
de bombeio mecânico tradicional para saber qual tecnologia em especifico traria o melhor
retorno econômico para um determinado poço.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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