uso, dimensionamento e eficiÊncia de uma bomba...

USO, DIMENSIONAMENTO E EFICIÊNCIA DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

SUBMERSA PARA ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO EM CAMPOS OFFSHORE

Gabriella Schneebeli Reis

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Elétrica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador: Sebastião Ercules Melo de

Oliveira

Rio de Janeiro

Setembro de 2018

USO, DIMENSIONAMENTO E EFICIÊNCIA DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

SUBMERSA PARA ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO EM CAMPOS OFFSHORE


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA ELÉTRICA.

Examinado por:

______________________________________

Prof. Sebastião Ercules Melo de Oliveira, D.Sc

______________________________________

Prof. Sérgio Sami Hazan, Ph.D

______________________________________

Eng. Laura da Silva Santa Rosa

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

Setembro de 2018

iii

Reis, Gabriella Schneebeli

Uso, Dimensionamento e Eficiência de uma Bomba

Centrífuga Submersa para Elevação de Petróleo em Campos

Offshore/ Gabriella Schneebeli Reis. – Rio de Janeiro: UFRJ/

Escola Politécnica, 2018.

XIV, 76 p.:il; 29,7 cm

Orientador: Sebastião Ercules Melo de Oliveira.

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Elétrica, 2018.

Referências Bibliográficas: p. 75-76.

1. Bomba Centrifuga Submersa. 2. BCS. 3. Elevação

Artificial. 4. Motor. 5. Selo. 6. Eficiência. I. Oliveira,

Sebastião Ércules Melo de. II. Universidade Federal do Rio

de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica.

III. Uso, Dimensionamento e Eficiência de uma Bomba

Centrífuga Submersa para Elevação de Petróleo em Campos

Offshore.

iv

Aos meus pais, Simone e Luiz Carlos,

aos meus irmãos Bruna e Lucas

e aos meus avós Gabriella, Elisabeth e Luiz Carlos.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Elétrica.

Uso, Dimensionamento e Eficiência de uma Bomba Centrífuga Submersa para Elevação

de Petróleo em Campos Offshore.


Setembro/2018

Orientador: Sebastião Ercules Melo de Oliveira.

Curso: Engenharia Elétrica

A retirada do óleo em campos Offshore é realizada através de métodos de

elevação. Estes podem ser natural ou artificial. No caso deste trabalho, temos por objetivo

estudar o método de elevação artificial, já que os reservatórios utilizados não possuem

pressão suficiente para elevar esses fluidos até a superfície. Focaremos na elevação por

Bomba Centrífuga Submersa (BCS), que consiste na suplementação da energia natural

do reservatório através de um bomba centrífuga de vários estágios localizada no fundo do

poço. Em um estudo de caso simulado, vamos analisar os parâmetros necessários para o

correto dimensionamento e maior eficiência deste sistema, e ao final propor o

equipamento mais adequado, usando opções disponíveis que se adequam a esta

necessidade.

Palavras-chave: Bomba Centrifuga Submersa, BCS, Elevação Artificial, Motor, Selo,

Eficiência.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Electrical Engineer.

Use, Dimensioning and Efficiency of a Submersible Centrifugal Pump for Oil Rise in

Offshore Fields.


September/2018

Advisor: Sebastião Ercules Melo de Oliveira.

Course: Electrical Engineering.

The removal of the oil in offshore fields is performed by lifting methods. These

can be natural or artificial. In the case of this work, we have as objective of study the

method of artificial elevation, since the reservoirs used do not have sufficient pressure to

raise these fluids to the surface. We will focus on the elevation by Electrical Submersible

Pump (ESP), which consists of supplementing the natural energy of the reservoir through

a multi-stage centrifugal pump located at the bottom of the well. In a simulated case study,

we will analyze the necessary parameters for the correct sizing and greater efficiency of

this system, and at the end propose the most appropriate equipment, using available

options that suit this need.

Keywords: Electrical Submersible Pump, ESP, Motor, Seal, Eficiency.

vii

Sumário

Capa .................................................................................................................................. i

Folha de Aprovação ........................................................................................................ ii

Ficha Cartográfica ......................................................................................................... iii

Dedicatória ..................................................................................................................... iv

Resumo ............................................................................................................................. v

Abstract .......................................................................................................................... vi

Índice ............................................................................................................................. vii

Índice de Figuras ........................................................................................................... xi

Índice de Tabelas ......................................................................................................... xiii

1. Introdução ............................................................................................................ 1

1.1. Objetivo e Motivação ..................................................................................... 1

1.2. Histórico ......................................................................................................... 3

2. Aspectos Teóricos ................................................................................................ 6

2.1.Classificação .................................................................................................... 7

3. Conceitos sobre BCS ........................................................................................... 9

3.1.Componentes ................................................................................................... 9

3.1.1. Equipamento do Fundo de Poço .......................................................... 9

3.1.1.1.Bomba ............................................................................................ 9

3.1.1.1.1. Impelidor .......................................................................... 10

3.1.1.1.2. Difusor .............................................................................. 11

3.1.1.1.3. Estágio da Bomba ............................................................. 12

3.1.1.1.4. Eixo .................................................................................. 13

3.1.1.1.5. Intake ................................................................................ 13

viii

3.1.1.2.Separador de Gás .......................................................................... 14

3.1.1.3.Selo ............................................................................................... 15

3.1.1.4.Motor Elétrico .............................................................................. 17

3.1.1.5.Cabo Elétrico ................................................................................ 18

3.1.2. Equipamento de Suporte .................................................................... 20

3.1.2.1.Transformadores .......................................................................... 20

3.1.2.2.Caixa de Junção ............................................................................ 20

3.1.2.3.Cabeça do Poço ............................................................................ 20

3.1.2.4.Válvula de Retenção .................................................................... 21

3.1.2.5.Válvula de Drenagem ................................................................... 21

3.1.2.6.Relé de Rotação ............................................................................ 22

3.1.2.7.Centralizador ................................................................................ 22

3.1.2.8.Variador de Frequência (VFD) .................................................... 22

3.1.3. Equipamento de Monitoramento e Automação ................................. 23

3.1.3.1.Sensor de Fundo de Poço ............................................................. 23

3.2.Teoria de Operação ........................................................................................ 24

3.2.1. Bomba ................................................................................................ 24

3.2.2. Head ou Lift ....................................................................................... 25

3.2.3. Curva da Bomba ................................................................................ 26

3.2.4. Separador de Gás ............................................................................... 28

3.2.5. Selo .................................................................................................... 28

3.2.6. Motor .................................................................................................. 30

3.2.7. Variador de Frequência (VFD) .......................................................... 31

3.2.7.1.Efeitos da VFD nos componentes BCS ....................................... 32

3.2.7.1.1. Efeitos na Bomba Centrífuga ........................................... 32

3.2.7.1.2. Efeitos Motor .................................................................... 33

3.2.8. Painel de Controle .............................................................................. 34

ix

3.3.Vantagens ...................................................................................................... 35

3.4.Desvantagens ................................................................................................. 35

4. Relevância para o Estudo de Caso ................................................................... 36

4.1.Introdução ...................................................................................................... 36

4.1.1. Dimensões do Poço ............................................................................ 36

4.1.1.1.Revestimento ................................................................................ 37

4.1.1.2.Tubulação ..................................................................................... 37

4.1.1.3.Profundidade do Poço .................................................................. 37

4.1.1.4.Tipo de Poço ................................................................................ 38

4.1.1.5.Perfuração .................................................................................... 39

4.1.2. Hidráulica dos Poços .......................................................................... 40

4.1.2.1.Pressão no Intake da Bomba (PIP) ............................................... 41

4.1.2.2.PIP Requerido .............................................................................. 42

4.1.3. Desempenho de um Poço ................................................................... 43

4.2.Aplicações ...................................................................................................... 43

4.2.1. Instalação BCS com Packer de Profundidade .................................... 44

4.2.2. Instalação BCS com a Ferramenta “Y” ............................................. 45

4.2.3. Configuração Shrouded ..................................................................... 47

4.2.4. Bomba de Reforço ............................................................................. 48

4.2.5. Sistema de Produção – Injeção Direta ............................................... 50

4.2.6. Sistema de Bombeamento Horizontal ................................................ 51

4.2.7. Aplicações em Ambientes Severos .................................................... 52

4.2.7.1.Aplicações de Alto Volume de Gás ............................................. 52

4.2.7.2.Aplicações em Alta Temperatura ................................................. 53

4.2.7.3.Aplicações em Poços Abrasivos .................................................. 55

4.2.7.4.Aplicações em Poços de Fluido Corrosivo .................................. 55

4.2.8. Subsea ................................................................................................ 56

5. Estudo de Caso ................................................................................................... 58

5.1.Informação Básica ......................................................................................... 58

x

5.1.1. Informações do Poço .......................................................................... 58

5.1.2. Dados da Produção ............................................................................ 59

5.1.3. Condições do Fluido do Poço ............................................................ 59

5.1.4. Fontes de Energia ............................................................................... 60

5.1.5. Possíveis Problemas ........................................................................... 60

5.2.Dimensionamento .......................................................................................... 60

5.2.1. Exemplo: Poço com Alto Corte de Água ........................................... 62

5.2.1.1.Informações do Poço .................................................................... 63

5.2.1.2.Dados da Produçãp ....................................................................... 63

5.2.1.3.Condições do Fluido do Poço ..................................................... 63

5.2.1.4.Fontes de Energia ........................................................................ 63

5.2.1.5.Possíveis Problemas .................................................................... 64

5.3.Análise ........................................................................................................... 64

5.3.1. Determinar a Pressão no Intake da Bomba ........................................ 64

5.3.2. Head Dinâmico Total ......................................................................... 66

5.4.Tipo de Bomba .............................................................................................. 69

5.4.1. Bomba 400P22 ................................................................................... 70

5.4.2. Bomba 538P23 ................................................................................... 71

6. Conclusão ........................................................................................................... 74

7. Referências Bibliográficas ................................................................................ 75

xi

Lista de Figuras

Figura 1. Métodos de elevação no mundo ......................................................................... 2

Figura 2. Corte transversal da bomba .............................................................................. 10

Figura 3. Impelidor .......................................................................................................... 11

Figura 4. Difusor ............................................................................................................. 11

Figura 5. Estágio da bomba ............................................................................................. 12

Figura 6. Fotografia do estágio da bomba centrífuga ...................................................... 12

Figura 7. Eixo e corte da bomba de estágio ..................................................................... 13

Figura 8. Intake da bomba ............................................................................................... 13

Figura 9. Separador de gás .............................................................................................. 15

Figura 10. Selo ................................................................................................................. 16

Figura 11. Motor elétrico ................................................................................................. 17

Figura 12. Cabo elétrico .................................................................................................. 18

Figura 13. Sistema BCS .................................................................................................. 19

Figura 14. Sensor de fundo do poço ................................................................................ 24

Figura 15. Eixo, Impelidor e Difusor .............................................................................. 25

Figura 16. Curva da bomba ............................................................................................. 26

Figura 17. Curva de desempenho do motor ..................................................................... 30

Figura 18. Ilustração em corte do motor da bomba ......................................................... 31

Figura 19. Curva tornado ................................................................................................. 33

Figura 20. Revestimento .................................................................................................. 36

Figura 21. Profundidade vertical e medida ...................................................................... 38

Figura 22. Canhão de perfuração ..................................................................................... 39

Figura 23. Pressão no intake da bomba ........................................................................... 42

Figura 24. Aplicação típica de BCS ................................................................................ 44

xii

Figura 25. Aplicação com packer de profundidade ......................................................... 45

Figura 26. BCS com Ferramenta "Y" .............................................................................. 46

Figura 27. Configuração shrouded .................................................................................. 48

Figura 28. Bomba de reforço ........................................................................................... 49

Figura 29. Sistema de dois poços .................................................................................... 51

Figura 30. Sistema de bombeamento horizontal ............................................................. 52

Figura 31. Sistema de produção com injeção de vapor ................................................... 53

Figura 32. Aplicação Subsea ........................................................................................... 57

Figura 33. Sistema de reforço Subsea ............................................................................. 57

Figura 34 - Quadro de perda de carga ............................................................................. 66

Figura 35. Curva da Bomba 400P22 ............................................................................... 70

Figura 36. Curva da Bomba 538P23 ............................................................................... 72

xiii

Lista de Tabelas

Tabela 1. Quadro de Bombas ............................................................................................7

Tabela 1. Quadro de Conversão de Grau API ................................................................. 41

Tabela 2. Quadro de Especificações de Equipamentos BCS........................................... 68

Tabela 3. Quadro de Variação de Operação da Bomba ................................................... 69

Tabela 4. Quadro Comparativo entre as Bombas 400P22 e 538P23 ............................... 73

1

Capítulo 1

Introdução

1.1. Objetivo e Motivação

A utilização do petróleo vem de épocas bem remotas, devido a exsudações e

afloramentos frequentes no Oriente Médio. Ele era conhecido já na antiguidade por

diversos nomes, entre eles: betume, azeite, asfalto, lama, múmia, óleo de rocha.

No início da era cristã, os árabes davam ao petróleo fins bélicos e de iluminação. O

petróleo de Baku, no Azerbaijão, já era produzido em escala comercial para os padrões

da época, quando Marco Polo viajou pelo norte da Pérsia no século XIII.

A moderna indústria petrolífera data de meados do século XIX. Na Escócia, James

Young descobriu que o petróleo podia ser extraído do carvão e xisto betuminoso, e criou

processos de refinação. Logo depois, o americano Edwin Laurentine Drake perfurou o

primeiro poço à procura de petróleo, na Pensilvânia. O poço revelou-se produtor e a data

passou a ser considerada a do nascimento da moderna indústria petrolífera. A produção

de óleo cru nos Estados Unidos de dois mil barris aumentou para aproximadamente três

milhões, e em seguida para dez milhões de barris.

No início da produção de petróleo, existe uma pressão natural suficientemente elevada

no reservatório capaz de fazer com que o óleo flua até a superfície. Mas após um período

de produção, o reservatório perde energia – pressão – e há um aumento relativo da taxa

de água em relação a fração de óleo produzido. O fluido começa a ter dificuldades de

elevação, o que leva com o tempo, à perda da capacidade do reservatório de fluir

naturalmente para a superfície, com taxas de fluxo de óleo economicamente aceitáveis ou

2

convenientes. Neste caso, um método de elevação artificial é requerido para manter a

vazão de óleo ao nível desejado.

Normalmente a capacidade de um reservatório fluir é analisada com bastante

antecedência através de pesquisas realizadas por equipes de geólogos e engenheiros

envolvidos no projeto. Caso o reservatório não seja capaz de elevar o óleo em condições

naturais ou caso o período de elevação seja considerado curto (poucos anos de produção),

um método de elevação artificial é determinado e dimensionado. Estes podem ser

empregados, também, para fins de otimização de modo a aumentar as taxas de elevação

do óleo e o volume produzido em determinado tempo.

Na indústria do petróleo há quatro principais métodos de elevação artificial: o

bombeio mecânico com hastes (BM), bombeio centrífugo submerso (BCS), bombeio por

cavidades progressivas (BCP) e método de injeção de gás (Gas Lift). A Figura 1 a seguir,

ilustra esse cenário em âmbito mundial.

Figura 1 - Métodos de elevação no mundo

Fonte: ESP Course - Baker Hughes

71%

7%

14%

8%

Métodos de Elevação Artificial no Mundo

BM Outros BCP Gas Lift

3

De acordo a Figura 1, podemos perceber que o método do Bombeio Mecânico (BM)

é o mais usado no mundo, contando com 71% da estimativa, seguido pelas Bombas

Centrífugas Submersas (BCS) com 14%.

No entanto, o bombeio mecânico apresenta problemas operacionais medianos em

poços direcionais (desviados propositalmente da vertical), em poços que produzem areia

e poços onde parte do gás produzido passe pela bomba. Logo, ele possui algumas

limitações, sendo somente aplicado em poços onshore (em terra). Para poços offshore

(em alto mar), o BCS tem apresentado uma larga escala de aplicação devido ao avanço

da tecnologia em produção marítima, com menos limitações e mais longevidade de seus

equipamentos.

Todos os métodos de elevação artificial têm vantagens e desvantagens. Então a

escolha de cada um deve ser baseada nas condições de extração, localização do poço,

propriedades dos fluidos, disponibilidade de equipamentos e energia, informações obtidas

anteriormente, custo operacional, segurança, profissionais treinados com conhecimentos

específicos em cada método, etc.

1.2. Histórico

Em 1900, ao perceber que os métodos de bombeamento utilizados na Rússia eram

antiquados, o russo Armais Arutunoff começou a estudar os efeitos da transmissão de

energia e a utilização da potência de motores elétricos para auxiliar em atividades como

a perfuração de poços.

4

Com apenas 18 anos, em 1911, ele começou a produzir motores elétricos que

poderiam operar submersos em óleo e fundou a companhia REDA (Russian Eletric

Dynamo of Arutunoff), que é até hoje conhecida em todo mundo.

Arutunoff concluiu que o motor elétrico deveria ser pequeno para atender a limitação

dos tamanhos de diâmetros existentes, porém de grande potência. Os motores de pequeno

diâmetro mais modernos na época tinham pouca potência, e seriam inadequados para os

serviços que ele tinha em mente, então ele estudou as leis fundamentais da eletricidade

para achar resposta ao seu problema.

Em 1916, ele projetou e construiu um estágio simples de bomba centrífuga para ser

acoplada a um motor, para retirada de água de navios e minas. Para ter potência suficiente

era necessário que o motor operasse em velocidade elevada. E para um acoplamento

direto permitindo a transmissão de energia da forma mais simples possível, a bomba

precisava ser um dispositivo rotacional que operasse na mesma velocidade do motor. A

bomba centrífuga atendia a essa especificação, porém nunca havia sido projetada para

trabalhar com grandes descargas.

Com intuito de conseguir recursos para suas pesquisas, Arutunoff emigrou para

Alemanha e logo após se fixou nos Estados Unidos da América, a fim de continuar o

desenvolvimento de sua bomba e motor.

A primeira patente da bomba elétrica submersível foi obtida em 1926, onde conseguiu

com sucesso redesenhar a bomba com diâmetro pequeno e com uma multiplicidade de

estágios, para atingir grandes descargas de pressão. Em seu projeto, sobre o motor de

indução elétrica de 105 HP foi engenhosamente colocado um selo para prevenir a entrada

de fluidos da formação, e no topo do selo, a bomba para elevar o fluido.

5

Com isso, Arutunoff se forma com o conhecimento adquirido na companhia de

petróleo Philips, a companhia de manufatura Bart. E em seguida ele instala o primeiro

conjunto BCS, operando com sucesso, no campo de petróleo de El Dorado, Kansas.

Em 1930, a companhia REDA se instala em Bartlesville e durante os anos posteriores,

os equipamentos projetados e desenvolvidos por Arutunoff permanecem como principais

componentes das unidades de BCS, experimentando inúmeras melhorias e incorporando

novas tecnologias. Os negócios prosperaram tanto, que em 1938, 2% de todo petróleo

produzido pelos Estados Unidos da América por elevação artificial era feito pela REDA.

No ano de 1969, a REDA se fundiu com a empresa TRW (Thompson, Ramo e

Woolridge) e com a Masonic Building. E finalmente em 1988, foi vendida por US$ 300

milhões e se tornou uma divisão da Camco Inc.

Schlumberger anunciou, em 1998, a compra da Camco Inc. e sua divisão de BCS

ficou conhecida como Schlumberger REDA Production Systems.

Arutunoff faleceu em 1978, deixando mais de 90 patentes ligadas ao projeto de

equipamentos e seu trabalho foi crucial para tornar o BCS um dos métodos de utilização

mais utilizados do mundo.

6

Capítulo 2

Aspectos Teóricos

Quando a pressão de fundo de poço fica abaixo dos níveis requeridos para elevar os

fluidos até a superfície, é necessário utilizar métodos de elevação artificial.

No bombeio centrífugo submerso (BCS), a transmissão de energia para o fundo do

poço é através de um cabo elétrico, onde essa energia elétrica através de um motor de

subsuperfície é transformada em energia mecânica. Esse motor está diretamente

conectado a uma bomba centrífuga que transmite a energia para o fluido em forma de

pressão, elevando-o até a superfície. É considerado um método eficiente e econômico de

elevação de fluidos do poço, devido a sua disponibilidade, crescente flexibilidade dos

equipamentos e sua funcionalidade.

Há alguns anos, o BCS era utilizado em poços que produziam com alto teor de água

e com baixa razão gás-óleo. Atualmente estão sendo produzidos economicamente pelo

BCS, poços com:

• Altas temperaturas

• Alta razão gás-óleo (RGO)

• Alta viscosidade

• Abrasividade

• Corrosão

• Poços horizontais / desviados

7

2.1. Classificação

Nesse estudo, utilizaremos os modelos de bomba da Baker Hughes Centrilift como

base.

A Centrilift usa uma chave de identificação para identificar seus produtos. A chave

consiste em uma série de números e letras que se baseiam no diâmetro, modelo e razão

dos produtos.

O primeiro conjunto de números descreve o diâmetro do equipamento. O diâmetro é

observado movendo o ponto decimal duas posições à esquerda. Por exemplo, uma bomba

da série 400 tem 4 polegadas de diâmetro, enquanto um motor da série 375 tem 3,75

polegadas de diâmetro

As letras subsequentes descrevem várias opções do equipamento. As bombas também

incluem o tipo e o número do estágio, enquanto os motores incluem potência e voltagem.

. A Tabela 1 mostra as maiores séries que irão se encaixar em um determinado

tamanho de um dado revestimento.

Tabela 1 - Quadro de bombas

8

Fonte: Handbook BCS – Baker Hughes

9

Capítulo 3

Conceitos sobre BCS

3.1. Componentes

O método de elevação da Bomba Centrífuga Submersa (BCS) inclui todos os

componentes necessários para transferir energia da superfície, converter a energia de

rotação do eixo e transmitir energia aos fluidos produzidos.

Na Figura 2 estão detalhados os equipamentos necessários para fazer o poço produzir

por BCS, e estes podem ser de superfície ou de subsuperfície. O funcionamento de cada

um deles e as aplicações reais do método na indústria do petróleo e gás serão enfatizados,

assim como os projetos offshore.

3.1.1. Equipamento do Fundo de Poço

3.1.1.1. Bomba

O sistema BCS é composto de bombas centrífugas multi-estágio, que convertem a

energia rotacional em força centrífuga, que elevam os fluidos para a superfície. A bomba

é normalmente conectada ou presa no tubo de produção.

As bombas são formadas pelos seguintes componentes básicos:

• Eixo

• Impelidor

• Difusor

• Camisa

• Intake

10

Figura 2- Corte transversal da bomba


3.1.1.1.1. Impelidor

O impelidor é chaveado no eixo e gira na mesma rotação do motor. À medida que o

impelidor gira, ele transfere força centrífuga para o fluido de produção.

11

Figura 3 – Impelidor


3.1.1.1.2. Difusor

O difusor permanece imóvel e transfere o fluido para o próximo impelidor,

diminuindo sua velocidade e transformando a energia cinética em pressão.

Figura 4 – Difusor


12

3.1.1.1.3. Estágio da Bomba

O estágio da bomba é formado pela combinação do impelidor com o difusor.

Figura 5- Estágio da bomba


Figura 6 - Fotografia do estágio da bomba centrífuga


13

3.1.1.1.4. Eixo

O eixo da bomba é conectado ao motor, através do separador de gás e da seção do

selo, e gira conforme a rotação do motor (RPM).

Figura 7 - Eixo e corte da bomba de estágio


3.1.1.1.5. Intake

O intake conecta-se à extremidade inferior da camisa ao selo, e fornece uma passagem

para os fluidos entrarem na bomba.

Figura 8 - Intake da bomba


14

3.1.1.2. Separador de Gás

Em poços com alta razão gás-óleo, o separador de gás substitui o intake padrão da

bomba e ajuda a melhor o desempenho da mesma, separando uma parte do gás livre antes

que ele entre na primeira etapa. Isso ajuda a eliminar o bloqueio por gás e estende a faixa

de aplicação do sistema BCS.

O separador de gás da BCS é formado pelos seguintes componentes:

• Porta de ventilação

• Guia de ventoinha

• Indutor

• Câmara de separação

• Intake

• Eixo

15

Figura 9 - Separador de gás


3.1.1.3. Selo

A seção do selo conecta o eixo do motor ao intake da bomba ou ao eixo do separador

de gás. A seção também executa as seguintes funções:

• Fornece uma área para expansão do volume de óleo do motor;

• Equaliza a pressão interna da unidade com a pressão anular do poço;

• Isola o óleo do motor dos fluidos do poço, para evitar a contaminação;

16

• Suporta a carga de impulso no eixo da bomba.

Ela é formada pelos seguintes componentes:

• Selo mecânico

• Elastômero

• Câmara labirinto

• Rolamento de impulso

• Trocador de calor

Figura 10 – Selo


17

3.1.1.4. Motor Elétrico

O objetivo principal do motor é converter energia elétrica em movimento que faz o

eixo girar. O eixo é conectado através do selo e do separador de gás e gira os impelidores

da bomba.

Os motores da BCS são formados pelos seguintes componentes:

• Rotor

• Estator

• Eixo

• Rolamento

• Cabo magnético revestido

• Bobina

• Camisa

• Rolamento de Impulso

Figura 11 - Motor elétrico


18

3.1.1.5. Cabo Elétrico

O cabo elétrico é o elo crítico entre o equipamento do poço e a fonte de energia. A

energia é transmitida para o motor submerso através de um cabo elétrico trifásico que

desce pelo tubo de produção. O cabo é de construção robusta especialmente para prevenir

danos mecânicos e ser capaz de manter suas propriedades físicas e elétricas mesmo

quando expostas a líquidos e gases quentes em poços de petróleo.

Os cabos elétricos dispõem de configurações tanto arredondadas quanto chatas. A

maioria deles é composta de pelo menos quatro componentes:

• Condutor

• Isolante

• Jaqueta

• Armadura

Figura 12 - Cabo elétrico


19

A escolha do cabo correto para condições específicas do poço é muito importante para

garantir uma longa vida útil. Os requisitos mais básicos do cabo é que ele seja capaz de

fornecer a quantidade de corrente exigida para iniciar e operar o motor a uma tensão

suficientemente alta nos terminais.

Figura 13 - Sistema BCS


20

3.1.2. Equipamento de Suporte

3.1.2.1. Transformadores

A energia elétrica é normalmente distribuída aos campos petrolíferos em voltagem

intermediária (6.000 volts ou mais). Como os equipamentos BCS operam em tensões

entre 250 e 4.000 volts, o transformador de tensão é necessário.

Transformadores usados no campo petrolífero são unidades auto resfriadas e cheias

de óleo. Eles contêm um número substancial de derivações de tensão secundária que

permite uma ampla gama de tensões de saída. Isso é necessário para ajustar a tensão da

superfície, levando em conta a queda de tensão do cabo que ocorre devido às

profundidades de ajuste.

3.1.2.2. Caixa de Junção

A caixa de junção ou caixa de ventilação executa três funções:

• Fornece um ponto de conexão entre o cabo de energia do controlador e o cabo de

energia do poço;

• Fornece ventilação para a atmosfera de gás que pode migrar para o cabo submerso;

• Permite pontos de teste facilmente acessíveis para verificações elétricas dos

equipamentos do fundo do poço.

3.1.2.3. Cabeça do Poço

A cabeça do poço suporta o peso do equipamento de subsuperfície e mantém a pressão

anular da superfície do poço.

21

3.1.2.4. Válvula de Retenção

Quando o BCS é desligado, o fluido na tubulação de produção irá cair através do

sistema. Se o fluido passar ao contrário pelo intake, causará a rotação reversa do eixo. Se

a unidade for ligada enquanto o eixo estiver em rotação reversa, irá causar falha elétrica

ou dano mecânico ao equipamento. Uma válvula de retenção instalada de duas a três

juntas acima da bomba evita que o fluido flua através do sistema, eliminando o risco de

operação em reverso.

Em aplicações onde o bloqueio de gás é possível, a válvula de retenção pode ser

instalada cinco ou seis juntas acima do conjunto da bomba. Esta instalação permite que

uma coluna maior de fluido retorne através da bomba no caso de um desligamento.

Se uma válvula de retenção não for usada, deve-se permitir tempo suficiente para que

os fluidos sejam drenados através do intake da bomba antes que o motor seja iniciado.

Recomenda-se um mínimo de 30 minutos para a maioria dos poços.

3.1.2.5. Válvula de Drenagem

Quando a válvula de retenção é usada, é recomendado instalar uma válvula de

drenagem para evitar que ao se retirar a tubulação, que ela ainda contenha fluido. A

válvula de drenagem está localizada acima da válvula de retenção. Ela sozinha é

desnecessária, uma vez que o fluido na tubulação irá drenar através da bomba enquanto

o mesmo é retirado.

22

3.1.2.6. Relé de Rotação

Em algumas aplicações da BCS, a instalação de uma válvula de retenção seria

impraticável. Por exemplo, se o poço contém grandes quantidades de incrustações, areia

ou asfalteno, pode ser necessário bombear fluido, ácidos e outros produtos químicos tubo

abaixo. Esta solução não seria possível com uma válvula de retenção instalada. Em vez

disso, dispositivos eletrônicos são usados para detectar uma rotação em reverso da bomba.

A unidade de relé de rotação em reverso detecta a energia sendo gerada pelo motor à

medida que o eixo gira ao contrário. Como a unidade está instalada no controlador, ela

impede que o controlador volte a ficar conectado até que a rotação do eixo pare.

3.1.2.7. Centralizador

Os centralizadores são usados em aplicações BCS para direcionar o equipamento para

o centro do poço. Isto é especialmente útil em poços desviados para eliminar danos

externos e garantir o resfriamento adequado do equipamento.

3.1.2.8. Variador de Frequência (VFD)

O variador de frequência permite que o operador varie o desempenho da BCS,

controlando a velocidade do motor, que pode diminuir a temperatura do mesmo, melhorar

a capacidade da bomba com o manuseio do gás, controlar o diferencial de pressão do

poço, diminuir o desgaste do sistema de partida, maximizar os benefícios do

monitoramento de fundo do poço e melhorar a harmonia do sistema.

A unidade também fornece até 200% de torque de partida para superar a partida em

situações difíceis.

23

3.1.3. Equipamento de Monitoramento e Automação

3.1.3.1. Sensor de Fundo de Poço

Os sensores de fundo do poço medem bem os parâmetros e fornecem dados críticos

para melhorar a eficiência e confiabilidade do sistema BCS. Realizam uma ampla gama

de medições, desde as básicas até dados mais sofisticados para otimização da produção.

Os sensores incluem os seguintes componentes:

• Sensor de fundo do poço

• Painel de indução de superfície

• Painel eletrônico de superfície

Eles oferecem uma transmissão digital de dados, eliminando qualquer interferência

de sinal que possa causar informações imprecisas e perda de dados.

24

Figura 14 - Sensor de fundo do poço


3.2. Teoria de Operação

3.2.1. Bomba

À medida que o rotor gira, transmite força centrífuga ao fluido e aumenta a velocidade

(indicado pelas setas vermelhas). O difusor, então, direciona o fluido para dentro do

impelidor (indicado pelas setas amarelas) e transforma a energia cinética em energia

potencial.

25

Figura 15 - Eixo, Impelidor e Difusor


3.2.2. Head ou Lift

É a medida de pressão ou força exercida pelo fluido. É tipicamente medida em pés,

mas pode ser convertido em PSI. Cada estágio cria uma certa quantidade de head para

elevar o fluido até a superfície. O head é criado utilizando a energia resultante do motor

e transferida através do eixo. O impelidor gira na mesma velocidade do eixo e transmite

energia centrífuga ao fluido. Logo em seguida, ele força o fluido para fora do estágio e

entra no difusor do próximo estágio do conjunto. O difusor então redireciona o fluido

para o próximo impelidor e o processo se repete. O head que um estágio produz é a soma

da energia transmitida pelo impelidor mais a energia perdida ao passar pelo difusor. O

head que um estágio desenvolve pode então ser multiplicado pelo número de estágios

para determinar o head total que uma bomba fornecerá.

A taxa de descarga de uma BCS depende da velocidade de rotação (RPM), do projeto

do estágio, do head dinâmico versus o head na qual a bomba está operando, e das

propriedades físicas do fluido a ser bombeado. O head dinâmico total da bomba é o

produto do número de estágios e do head gerado por cada estágio. A Figura 16 é uma

26

curva de desempenho típica da bomba centrífuga de 60 hertz, de estágio único, mostrando

a faixa de operação recomendada, juntamente com outras características da bomba.

Figura 16 -Curva da bomba


A bomba tem, para uma velocidade e viscosidade do fluido padrão, uma curva de

desempenho (curva da bomba), que indica a relação entre o head desenvolvido pela

bomba e capacidade de fluxo através da bomba.

3.2.3. Curva da Bomba

Uma curva de bomba revela um espectro completo da característica de desempenho

da bomba, incluindo:

• Faixa de operação

27

• Capacidade do head

• Eficiência da Bomba

• Potência

A capacidade do eixo X (fluxo no BPD) é a constante em cada uma das três curvas

traçadas. A curva azul é a capacidade do head e o eixo y (head em pés) pode ser

encontrado à esquerda do gráfico. Os requisitos de potência são plotados em vermelho.

A medição do eixo y é de potência e está localizada na escala à direita da curva (numerada

neste caso 0.5 - 2.5). A curva final, eficiência da bomba, é verde. O eixo y é a porcentagem

de eficiência da bomba e a escala também está localizada à direita da curva.

A catálogo da curva da bomba é desenvolvido para um estágio e assume uma

densidade específica de 1.0, 3500 rpm e operação a 60 hertz. Cada estágio da bomba tem

sua própria curva de bomba exclusiva com base em suas características de desempenho.

Em geral, quando a capacidade aumenta, o head diminui.

O head mais alto que uma bomba pode desenvolver está em um ponto onde não há

fluxo através dela, isto é, quando a válvula de descarga está completamente fechada.

A curva de potência é plotada com base no teste de desempenho real. Esta é a potência

real requerida pela BCS, baseada nos mesmos fatores constantes discutidos

anteriormente.

A eficiência da BCS não pode ser medida diretamente. Deve ser calculada a partir de

dados de teste já medidos. A fórmula para % de eficiência é:

% Eficiência =Head x Capacidade x Densidade x 100

3,960 x Potência (1)

Onde: Head = pés

Capacidade = BPD

Potência = HP

28

Cada um dos três parâmetros, capacidade do head, eficiência da bomba e potência

pode ser determinado para qualquer fluxo. Isso é feito localizando o fluxo operacional ao

longo do eixo X seguindo a linha até onde ele se cruza com cada uma das três curvas. Os

três pontos de intersecção (um para cada curva) são os valores de capacidade de head,

eficiência da bomba e potência quando produzindo naquela vazão. É importante se

lembrar de que o valor é para um único estágio e devem ser multiplicados pelo número

total de estágios da bomba.

3.2.4. Separador de Gás

O fluido entra pela intake e passa através do indutor rotatório. Então passa para a

câmara de separação, onde o fluido de maior densidade específica é forçado para a parede

externa e o gás mais leve fica no centro. A separação é causada pela força centrífuga

criada com um rotor separador ou um vortex induzido. O gás é removido pelo desvio no

topo da câmara de separação. É expelido pelas portas de gás e produzido pelo anular. O

fluido entra então pela extremidade inferior da bomba, onde os estágios elevam o líquido

separado para a superfície.

A eficiência do separador de gás normalmente atinge 80% ou mais. Ela é afetada pelos

baixos níveis de vazão, viscosidade do líquido e porcentagem de gás livre versus volume

total produzido. Em condições de gás extremamente altas, os conjuntos de separadores

de gás adicionais são instalados para melhorar ainda mais o desempenho da bomba.

3.2.5. Selo

Como já comentamos, a seção do selo executa quatro funções principais. São as

seguintes:

29

• Fornece uma área para expansão do volume do óleo do motor

A seção do selo permite a expansão e contração do óleo dielétrico contido na folga

entre o rotor e o motor. Os gradientes de temperatura resultantes tanto do ambiente

de fundo do poço quanto do aumento da temperatura do motor farão com que o

óleo dielétrico se expanda e se contraia. Esses movimentos devem ser absorvidos

pela seção do selo.

• Equaliza a pressão interna da unidade com a pressão do anular do poço

A seção do selo equilibra a pressão anular com a pressão interna da unidade. Essa

equalização de pressão em toda a unidade ajuda a evitar que o fluido do poço vaze

pelas juntas do motor e da seção do selo. Se o fluido do poço entrar no motor pode

causar falha dielétrica precoce. O fluido do poço migra para a câmara da seção

superior do selo, equalizando efetivamente a pressão dentro da unidade. O fluido

do poço é contido na câmara superior e não pode migrar para as câmaras

inferiores, a menos que haja uma falha mecânica.

• Isola o óleo do motor dos fluidos do poço, prevenindo contaminação

A seção de selo isola o fluido do poço do óleo do motor dielétrico. Como dito

anteriormente, a contaminação do isolamento do motor com fluido de poço pode

levar a uma falha prematura do isolamento. Por isso, a seção contém vários selos

mecânicos no eixo que impedem que o fluido do poço escorra pelo mesmo.

• Suporta a carga de impulso do eixo da bomba

A seção do selo absorve a carga de impulso produzida pela bomba. Isso é realizado graças

a um rolamento de impulso. O rolamento utiliza um filme hidrodinâmico do óleo para

transportar a carga e fornecer lubrificação durante a operação.

30

3.2.6. Motor

Os motores BCS são de dois pólos, trifásicos e do tipo indução. Estes motores giram

em torno de 3600 rpm a 60 Hz. O desenho e a voltagem de operação dos motores BCS

podem ser tão baixos quanto 230 volts ou tão alta quanto 7.000 volts. A corrente pode ser

de 12 a 343 amperes. A potência necessária é obtida simplesmente aumentando o

comprimento ou o diâmetro do motor.

Dentro da circunferência interna do estator estão os rotores. Embutidos nas regiões

externas do rotor estão os condutores elétricos, ou barras, correndo paralelamente aos

enrolamentos do estator, que são unidos em cada extremidade por anéis de curto-circuito,

que são conhecidos como anéis terminais ou anéis de resistência. A forma dada pelas

barras do rotor e anéis de extremidade é comumente chamada de “gaiola de esquilo”.

Os enrolamentos do estator são conectados a uma fonte de tensão trifásica alternada,

que causa corrente no estator, produzindo um campo magnético rotacional no entreferro.

O campo magnético faz com que uma corrente trifásica flua para as barras do rotor que,

por sua vez, resulta em rotação.

Figura 17 - Curva de desempenho do motor


31

Na Figura 17, a curva de desempenho ilustra como o motor se comporta em um

“mundo real” ou, em outras palavras, onde a tensão e a frequência são constantes, mas a

carga do eixo varia.

Como mostra a curva, quando a carga aumenta, a velocidade do eixo cai levemente,

enquanto a corrente (AMPS) e a potência de entrada elétrica (kW) aumentam

gradativamente. Observa-se que a eficiência cai se a carga aumentar além das

especificações da placa de identificação, o que deixa de ser confiável.

Figura 18 - Ilustração em corte do motor da bomba


3.2.7. Variador de Frequência (VFD)

A operação básica do VFD é converter a energia da tensão alternada trifásica,

normalmente em 480 volts, para uma única fonte de corrente contínua. Em seguida,

usando semicondutores, ele inverte sequencialmente a fonte CC para regenerar tensão

alternada trifásica na saída. A frequência e a tensão da onda de saída são controláveis.

32

Embora a flexibilidade de bombeamento seja tipicamente o propósito original de

aplicar um VFD, existem benefícios adicionais para o operador. Particularmente, o VFD

estende a vida útil do equipamento de poço, fornecendo recursos de partida suave,

controlando a diferença de pressão entre o reservatório e o poço, e controlando

automaticamente a velocidade. O VFD também ajuda a evitar falhas elétricas e pode

melhorar a eficiência geral do sistema.

3.2.7.1. Efeitos do VFD nos componentes da BCS

3.2.7.1.1. Efeitos na Bomba Centrífuga

Conforme foi falado anteriormente, o desempenho da bomba centrífuga é descrito por

uma curva de head versus vazão para uma determinada velocidade. Mudanças na

velocidade geram uma nova curva.

Os valores de head são maiores se a velocidade for aumentada e menor se a velocidade

for diminuída. Como a frequência de operação de um motor de indução trifásico varia, a

velocidade da bomba muda em proporção direta à frequência. Assim, a velocidade da

bomba e sua saída hidráulica podem ser controladas simplesmente variando a frequência

da fonte de alimentação. Isso permanece verdadeiro, desde que os limites de tensão e

carga do motor sejam devidamente observados. A técnica de combinar as características

de desempenho da bomba centrífuga e do motor de indução trifásico, permite uma curva

de desempenho de múltiplas frequências (curva tornado) a ser desenvolvida (Figura 19).

33

Figura 19 - Curva tornado


3.2.7.1.2. Efeitos Motor

Um motor de frequência fixa de um determinado tamanho, tem um torque de saída

máximo para uma tensão especificada. Este mesmo torque pode ser alcançado em outras

velocidades, variando a tensão proporcionalmente à frequência. Isso permite que a

corrente magnética e a densidade de fluxo permaneçam constantes e, portanto, o torque

disponível também será constante (na rotação nominal de rpm). Como resultado, a

potência nominal é obtida multiplicando-se o torque nominal pela velocidade. A razão de

saída é diretamente proporcional à velocidade. Deve-se notar que esta nova geração de

motores aumenta a potência máxima disponível para se encaixar em um tamanho

específico de carcaça.

34

3.2.8. Painel de Controle

Os painéis de controle fornecem tensão e corrente totais quando os contatos estão

conectados. Como dito anteriormente, a potência (tensão, corrente e frequência) aplicada

ao painel de controle também é a tensão de saída, corrente e frequência. Transformadores

podem ser usados em linha com o painel de controle para mudar a tensão para um nível

adequado para os componentes elétricos da BCS.

Ao se iniciar um sistema BCS com um painel de controle, a frequência e a tensão são

as mesmas nos terminais de entrada e saída. Isso resulta em uma operação de velocidade

fixa. Quando iniciado, a velocidade do motor aumentará até sua velocidade nominal

dentro de uma fração de segundos. Durante a partida, um motor pode extrair de 5 a 8

vezes sua corrente nominal. Essa alta corrente de partida permite que o motor forneça

várias vezes seu torque nominal. Isso pode causar estresse elétrico e mecânico excessivo

no equipamento da BCS, especialmente em aplicações.

Geralmente, um BCS é colocado em operação a uma profundidade que requer vários

milhares de metros de cabo elétrico. Durante as operações de partida, essa extensão de

cabos provoca uma queda de tensão no motor. Essa tensão reduzida diminui a corrente de

partida inicial e o torque.

A proteção contra subcarga e o desequilíbrio de tensão e corrente nas três fases são

oferecidas na maioria dos controladores. Proteção de subcarga ou algum tipo de proteção

é necessária uma vez que o fluxo passando pelo motor não fornecerá resfriamento

adequado.

35

3.3. Vantagens

• Flexibilidade – trabalha com 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.

3.4. Desvantagens

• Alto custo inicial;

• Temperatura (possível degradação do sistema de isolamento);

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

36

Capítulo 4

Relevância para o Estudo de Caso

4.1. Introdução

As características dos poços desempenham um papel fundamental no projeto e

implantação adequados de um sistema de Bomba Centrífuga Submersa (BCS). Afeta

diretamente o desempenho, a eficiência e a longevidade do sistema.

4.1.1. Dimensões do Poço

O diâmetro do poço pode variar de 13 cm a 71 cm, aproximadamente. O equipamento

do sistema BCS deve ser dimensionado e selecionado com base no menor diâmetro do

poço com o qual entrará em contato. Na Figura 20, podemos observar que o diâmetro

interno do revestimento é o menor diâmetro de um poço que o sistema BCS terá que

passar para operar.

Figura 20 - Revestimento


37

4.1.1.1. Revestimento

O revestimento é a estrutura de suporte no poço. Normalmente, ele chega a

aproximadamente 30 pés (9,14 m) de comprimento e as peças são parafusadas umas nas

outras e descidas ao fundo do poço. Toda a coluna do revestimento é então cimentada ao

poço. O interior do mesmo é o diâmetro interno no qual o sistema BCS deve se encaixar.

4.1.1.2. Tubulação

A tubulação é colocada dentro do revestimento e se conecta à descarga da bomba.

Serve como caminho para os fluidos do poço atingirem a superfície. O comprimento da

tubulação é também a profundidade medida correspondente à profundidade de

assentamento da bomba.

4.1.1.3. Profundidade do Poço

Existem inúmeros termos usados para descrever as várias profundidades de um poço,

mas três dos mais comuns usados em aplicações da BCS são: profundidade vertical total,

profundidade medida e profundidade de assentamento da bomba.

Profundidade vertical total é a distância vertical de uma referência de superfície até o

fundo do poço. Ela não leva em conta desvios. A profundidade medida é a distância

medida a partir de um ponto da superfície por todo caminho do poço ou o comprimento

da tubulação. Finalmente, a profundidade de assentamento da bomba é a profundidade de

assentamento vertical medida de uma referência de superfície até o intake.

38

Figura 21 - Profundidade vertical e medida


4.1.1.4. Tipo de Poço

Os poços são geralmente classificados em três tipos: vertical, direcional ou desviado

e horizontal.

Um poço vertical é qualquer poço perfurado perpendicularmente à superfície. Um

poço direcional (desviado) é propositalmente desviado da vertical, usando ângulos

controlados para alcançar uma localização objetiva que não seja diretamente abaixo da

localização da superfície. Um poço horizontal é qualquer poço perfurado a partir da

superfície ou de um poço existente onde uma porção do poço é perfurada paralelamente

à superfície ou próximo da horizontal.

39

4.1.1.5. Perfuração

Canhoneio é a operação na qual uma série de furos são feitos através do revestimento,

cimento e formação, que permitem que o fluido escoe para dentro do poço. Eles são

criados usando cargas explosivas que são descidas para o poço através dos cabos. O

canhoneio geralmente é feito em série.

Figura 22 - Canhão de perfuração


A localização dos orifícios gerados é importante ao dimensionar um sistema BCS. A

profundidade vertical do canhoneio representa a profundidade na qual os hidrocarbonetos

entram no poço.

40

4.1.2. Hidráulica dos Poços

A ciência da hidráulica é o estudo do comportamento dos fluidos em repouso ou

movimento. Um fluido é uma substância capaz de fluir, portanto, líquidos e gases são

considerados fluidos. Um entendimento geral da hidráulica é necessário para auxiliar na

solução de problemas envolvendo o fluxo de fluidos, fluidos viscosos, fluidos

multifásicos ou quaisquer fluidos que sejam manuseados por bombas.

Densidade ou peso específico é o peso por unidade de volume da substância.

Gradiente é a pressão exercida por um fluido por altura.

Massa específica é a razão entre a densidade ou peso específico de um dado material

em relação a um material padrão (no caso para líquidos o padrão é água).

Viscosidade é uma medida da resistência interna do líquido de escoar e varia com a

mudança de temperatura, caindo quando a temperatura aumenta.

Pressão é a força por unidade de área de um fluido. A unidade API mais comum para

designar pressão é libras por polegada quadrada (psi).

41

Tabela 2 - Quadro de conversão de grau API


4.1.2.1. Pressão no Intake da Bomba (PIP)

Em operações de bombas submersas, estamos interessados na quantidade de fluido

sobre a bomba ou na pressão da bomba no intake. Para definir corretamente este ponto, é

importante conhecer a massa específica ou o gradiente do líquido no anular do

revestimento. Se o gradiente de fluidos ou massa específica for conhecido, podemos

estimar a pressão da bomba no intake ou o nível de fluido sobre ela.

42

Figura 23 - Pressão no intake da bomba


4.1.2.2. PIP Requerido

PIP requerido é a pressão necessária no intake para alimentar corretamente a bomba

e evitar cavitação ou bloqueio de gás. Esse valor é a pressão funcional do qual a bomba

opera.

43

4.1.3. Desempenho de um Poço

Tentar prever o comportamento de um poço pode ser uma tarefa extremamente difícil

e complexa, e provavelmente o passo mais importante na concepção de um sistema de

elevação artificial. Os métodos discutidos são uma simplificação de procedimentos para

prever o bom desempenho do poço. Vamos supor que as condições do reservatório do

poço permanecem em um estado constante, embora, na realidade, saibamos que as

mudanças ocorrem, como por exemplo danos na parede do poço, pressões flutuantes de

reservatório, alterações na composição e propriedades do fluido, etc.

Os testes de produção são geralmente realizados na conclusão inicial de um poço para

determinar a capacidade do poço de produzir óleo, água e/ou gás. Do ponto de vista do

poço e das operações do reservatório, eles fornecem evidências físicas periódicas de boas

condições.

4.2. Aplicações

Como discutido anteriormente, um sistema BCS consiste basicamente em um motor

elétrico com seção de selo, bomba centrífuga multi-estágio com intake apropriado, cabo

de força, controlador do motor e transformador.

Muitas instalações também adicionam um sensor de fundo de poço e um equipamento

de superfície. Além do equipamento básico, dependendo da aplicação, vários acessórios

podem ser necessários, como tubos e acoplamentos, espigas, proteções de cabos,

grampos, bobina, válvula de retenção, válvula de dreno, centralizadores, etc.

44

Figura 24 - Aplicação típica de BCS


4.2.1. Instalação BCS com Packer de Profundidade

Muitos sistemas BCS são implantados com packers. Isto é especialmente verdadeiro

em instalações offshore, onde as políticas regulatórias exigem barreiras entre a zona de

produção e a superfície.

O packer possui várias funções, incluindo o isolamento de zonas produtoras, isolando

o revestimento acima do packer de fluidos prejudiciais ao poço, e resolvendo o problema

de danos no cabo devido à saturação de gás em um poço de alta pressão.

45

Figura 25 - Aplicação com packer de profundidade


4.2.2. Instalação BCS com a Ferramenta “Y”

A ferramenta "Y" é uma ferramenta de produção que permite a realização de

inspeções no fundo do poço com equipamento wireline, quando uma BCS está no poço.

Ela é executada em conjunto com a bomba e projetada para não afetar a operação

normal da mesma. A Figura 26 ilustra como a ferramenta "Y" foi inicialmente instalada

com uma BCS.

46

Figura 26 - BCS com Ferramenta "Y"


Esta ferramenta fornece um meio de adquirir qualquer tipo de inspeção e já provou

seu valor inestimável encontrando e excluindo água ou gás em excesso em subzonas

indesejadas.

Vários outros usos incluem: monitoramento dos movimentos da água, circulação de

poços, acidificação, canhoneio e completação múltipla.

O princípio básico da ferramenta é proporcionar uma disposição de tubo onde a

bomba é alocada lateralmente para permitir uma passagem direta e suave para as

ferramentas de inspeção. Em muitas instalações BCS, especialmente offshore, tanto o

packer quanto a ferramenta “Y” são usados juntos.

47

4.2.3. Configuração Shrouded

Essa configuração é essencialmente igual à instalação padrão ou convencional,

previamente descrita. A principal diferença reside no fato de que, neste caso, a unidade é

montada dentro ou abaixo da zona de canhoneio. O resfriamento do motor é conseguido

envolvendo o revestimento do motor com uma capa até um pouco acima do intake da

bomba.

Essa solução é frequentemente selecionada em aplicações para aumentar a velocidade

do fluido pelo motor para fins de resfriamento ou com um separador de gás, quando

colocado abaixo das canhoneamento. O processo de separação de gases usa a

flutuabilidade natural dos fluidos para separação. A produção de muitos poços de gás foi

significativamente aumentada pelo uso deste método, para bombear o nível da água para

baixo nos poços de gás.

48

Figura 27 - Configuração shrouded


4.2.4. Bomba de Reforço

Nesta aplicação, a BCS é usada como uma bomba de reforço para aumentar a pressão

de entrada. A unidade é instalada em uma seção vertical de revestimento rasa, conhecida

popularmente como lata e os sistemas são as vezes chamados de “Bombas Enlatadas”.

49

Ligado a lata está uma linha que fornece fluidos para ela e para a bomba. A unidade é

montada em configuração shrouded.

Figura 28 - Bomba de reforço


Dependendo da aplicação, várias bombas de reforço podem ser conectadas em série

ou em paralelo. Em conexão em série, a descarga de uma bomba é conectada ao

50

alimentador da segunda. Em tal sistema, a vazão através de várias bombas permanece a

mesma enquanto a pressão aumenta à medida que o fluido flui de uma para a outra. Em

uma conexão paralela, as bombas são conectadas a manifold de descarga único, onde a

pressão de descarga é a mesma, mas a vazão é aumentada.

As bombas de reforço são frequentemente usadas para adicionar pressão a tubulações

longas, bombeando fluido produzido para instalações de armazenamento e plantas de

processamento. Tal sistema também é usado para aumentar a pressão dos sistemas de

injeção de água em projetos que utilizem este método.

4.2.5. Sistema de Produção – Injeção Direta

Nesta aplicação, o equipamento submerso elétrico convencional é instalado em um

poço de abastecimento de água e a água produzida é diretamente injetada em um poço de

injeção. Também é possível injetar a água produzida em vários poços simultaneamente.

Tal abordagem pode reduzir consideravelmente os gastos financeiros, uma vez que o

sistema não requer instalação de armazenagem em superfície, bombas de superfície ou

equipamentos auxiliares associados. Como o sistema está fechado, o controle da corrosão

é consideravelmente simplificado.

Outra vantagem significativa do sistema está no fato de que a capacidade da bomba

atende aos requerimentos de injeção necessários. Nos estágios iniciais, o reservatório

requer grandes vazões a baixas pressões de injeção. No entanto, à medida que o

reservatório enche, a vazão diminui e a pressão de injeção aumenta. Todo o sistema pode

ser eficientemente projetado, tendo em mente os requerimentos futuros. Nesse caso, o

equipamento pode ser economicamente modificado para atender as condições variáveis

do reservatório.

51

Figura 29 - Sistema de dois poços


4.2.6. Sistema de Bombeamento Horizontal

O sistema de bombeamento horizontal (Figura 30) é uma bomba de alta pressão e alto

volume idealmente adequada para uso em operações de injeção de água, em transferência

de poços e como uma bomba de reforço para dutos.

Move o fluido com uma bomba centrífuga alimentada por um motor elétrico de classe

padrão A ou B, através de uma câmara de impulso especialmente projetada.

O sistema está disponível em uma ampla gama de tamanhos, volumes e pressões de

descarga. O skid rígido e o alinhamento a laser proporcionam uma solução de bomba de

superfície altamente econômica e de baixa manutenção em muitas aplicações.

52

Figura 30 - Sistema de bombeamento horizontal


4.2.7. Aplicações em Ambientes Severos

4.2.7.1. Aplicações de Alto Volume de Gás

Como já sabemos, a presença de gás livre tem o potencial de causar um desempenho

prejudicial à bomba. O problema básico é que uma bomba centrífuga não é um

compressor de gás eficiente. Portanto, a deterioração progressiva da descarga de uma

bomba pode ser esperada, com o aumento da razão de gás livre. Pesquisas e testes

mostraram que, uma vez que a razão de gás livre atinge aproximadamente 10% em

volume na bomba, o desempenho da bomba diminui.

Os tipos de interferência de gás incluem redução de pressão de descarga, cavitação,

bloqueio de gás e travamento por gás.

Muitos poços também produzem golfadas de gás que devem ser gerenciadas pela

bomba ou separadas. Isso pode causar uma operação instável da unidade enquanto a

golfada está sendo produzida pela bomba.

Várias soluções estão disponíveis para ajudar no funcionamento das BCS em

ambientes com alta presença de gás. Em geral, a solução deve evitar o gás, separar o gás

ou produzir o gás. A seguir, uma lista das soluções mais comuns.

• Incorporar o uso de um separador de gás rotatório ou vortex;

53

• Aumentar a pressão no intake da bomba, descendo a unidade mais fundo no poço,

reduzindo a taxa de produção ou uma combinação de ambos;

• Posicionar o intake da bomba abaixo do canhoneamento do revestimento. Isso

tirará proveito da separação natural do gás e do líquido devido à flutuabilidade

das bolhas de gás;

• Incorporar o uso de projetos de bomba cônica. Como o fluido é compressível, seu

volume diminui à medida que é pressionado por cada estágio individual.

Essa alteração volumétrica pode ser significativa o suficiente para exigir dois ou

mais tipos de estágio para manter a operação nos intervalos operacionais

recomendados de cada um dos estágios.

4.2.7.2. Aplicações em Alta Temperatura

A tendência na aplicação de bombas submersas tem sido a instalação em reservatórios

de temperatura mais alta. Esses reservatórios são normalmente encontrados à medida que

a instalação se torna mais profunda.

Figura 31 - Sistema de produção com injeção de vapor


54

As BCS padrão são comumente aplicadas a poços de temperatura aproximadamente

105º C a 150º C. O maior limite para aplicação alcançou até 205º C. Para manter a vida

útil adequada do equipamento nesses poços de alta temperatura, mudanças importantes

foram feitas no material e no projeto do motor.

O sistema de isolamento foi aprimorado e várias aberturas de rotação no motor foram

alteradas para fornecer expansão térmica adicional. Quatro fatores afetam o aumento do

calor do motor:

• Carga do motor maior que a carga nominal de operação, definida na placa de

identificação;

• Velocidade do fluido passando pelo motor;

• Composição do fluido (porcentagem de óleo, água e gás);

• Qualidade de energia elétrica.

Três fatores de projeto do motor afetam o aumento da temperatura. O primeiro fator

é a eficiência. Quanto maior a eficiência, menor o calor gerado no motor e menor o

aumento de calor para um ambiente constante. O segundo fator é a eficiência da

condutividade térmica. Alguns materiais promovem uma dissipação de calor melhor que

outros. O elemento final é a característica de dissipação de calor (resfriamento) no

ambiente do poço. A forma com a qual o motor é resfriado pelo ambiente do poço tem

grande relação com a razão de fluxo do fluido produzido, com as propriedades do fluido

relacionadas ao calor e com a tendência do poço de revestir o motor com parafina,

precipitantes ou outros depósitos.

55

4.2.7.3. Aplicação em Poços Abrasivos

Muitos poços contêm fluidos abrasivos. Esta condição é mais comum em formações

de pedra de arenito não consolidado, onde as partículas de areia tendem a ser desalojadas

da formação e são sugadas pela bomba.

Muitos fatores são levados em conta na seleção adequada de bombas resistentes à

abrasão. Como todos os poços são diferentes, projetos especializados são necessários para

adequar a aplicação e a parte econômica.

Várias opções de solução estão agora disponíveis, o que aumentará a operação geral

das BCS em ambientes abrasivos. As seguintes configurações de bomba podem ajudar a

retardar o processo de desgaste de um ou mais dos tipos de desgaste descritos:

• Projetos de compressão (ambientes de abrasividade suave);

• Projetos estabilizados (ambientes de abrasividade suave a moderada);

• Projetos modulares (ambientes de abrasividade moderada a agressiva);

• Projeto premium (ambientes de abrasividade moderada a agressiva).

4.2.7.4. Aplicações em Poços de Fluido Corrosivo

Como as BCS foram estendidas para poços mais profundos, a presença de fluidos

corrosivos tornou-se mais dominante. Além disso, a expansão dos métodos de

recuperação terciária que inclui o uso de injeção de CO2, aumentou os problemas

associados à corrosão.

Por causa da corrosão problemática em poços onde o CO2 estava presente, uma bomba

submersível foi desenvolvida no final da década de 70 usando metalurgia com alto teor

de cromo. Estes metais eram da família de aço inoxidável da série 400 ou, pelo menos,

continham crómio a um nível superior a 7% ou 8%. Hoje, esta solução continua a ser a

56

abordagem preferida para resolver problemas graves de corrosão com CO2 e aplicações

de água salgada pesada.

Outros problemas de corrosão podem ser causados por concentrações baixas a médias

de H2S em condições de temperaturas e pressões intermediárias a altas. O problema

básico causado pelo H2S é a corrosão agressiva de todas as peças de cobre contidas na

bomba e no cabo.

A solução para este problema é remover as peças de cobre de todos os componentes

do poço, onde o contato direto é possível. Isso geralmente se torna uma preocupação em

concentrações de H2S de 3% ou mais em combinação com temperaturas de 82º C ou mais.

4.2.8. Subsea

À medida que o desenvolvimento Subsea em águas profundas aumentam, as

operadoras exigem métodos tecnologicamente mais avançados e econômicos para

produzir reservas ao longo da vida dos campos de águas profundas.

A tecnologia da BCS pode produzir altas vazões de fluidos (até 150.000 BPD), possui

uma ampla faixa de operação e pode fornecer o reforço necessário (acima de 5.000 psi)

para bombear o fluxo de produção à plataforma.

57

Figura 32 - Aplicação Subsea


O sistema de poço pode ser combinado com sistemas de reforço do leito marinho para

produção máxima. Esses sistemas são uma alternativa econômica. A implantação e a

intervenção no leito marinho (Figura 33) podem ser realizadas com embarcações de

múltiplos propósitos, não sendo necessária o uso de sondas de perfuração caras.

Figura 33 - Sistema de reforço Subsea


58

Capítulo 5

Estudo de Caso

5.1. Informação Básica

É apropriado iniciar esta seção sobre dimensionamento da bomba com uma discussão

dos dados necessários para dimensionar corretamente uma bomba centrífuga submersa.

O projeto de uma unidade de bombeamento submersível, na maioria das vezes, não é uma

tarefa difícil, especialmente se os dados disponíveis são confiáveis. Se as informações

referentes ao poço forem ruins, o projeto geralmente será marginal. Dados ruins

geralmente resultam em um mau dimensionamento da bomba e em uma operação custosa.

Uma bomba mal dimensionada pode operar fora da faixa recomendada, sobrecarregar ou

subcarregar o motor e ainda aplicar muito rapidamente um diferencial de pressão no poço.

Isso pode resultar em danos à formação e no outro extremo, a bomba pode não ser grande

o suficiente para fornecer a taxa de produção desejada.

Frequentemente são usados dados de outros poços no mesmo campo ou numa área

próxima, assumindo que os poços do mesmo horizonte de produção terão características

semelhantes. Infelizmente para a engenharia de dimensionamento, os poços de petróleo

são muito parecidos com impressões digitais, ou seja, não há dois iguais. Eles têm

características muito particulares, e dificilmente terão o mesmo comportamento. A seguir,

temos uma lista de dados necessários para o dimensionamento adequado:

5.1.1. Informações do Poço

• Tamanho e peso do revestimento ou liner;

59

• Tamanho, tipo e condição (nova ou usada) da tubulação;

• Intervalo do poço aberto ou canhoneado;

• Profundidade de ajuste da bomba (medida e vertical).

5.1.2. Dados da Produção

• Pressão na cabeça do tubo de produção;

• Pressão na cabeça do poço;

• Taxa do teste de produção;

• Nível de fluido em produção e/ou pressão do poço em produção;

• Nível de fluido estático e/ou pressão estática do fundo de poço;

• Profundidade do Ponto de partida;

• Temperatura do fundo do poço;

• Vazão desejada;

• Razão gás-óleo;

• Corte de água.

5.1.3. Condições do Fluido do Poço

• Massa específica da água;

• Grau API do óleo;

• Massa específica do gás;

• Ponto de bolha do gás;

• Viscosidade do óleo;

• Dados PVT.

60

5.1.4. Fontes de Energia

• Tensão primária disponível;

• Frequência;

• Capacidade das fontes de energia.

5.1.5. Possíveis Problemas

• Areia;

• Deposição;

• Corrosão;

• Parafina;

• Emulsão;

• Gás;

• Temperatura.

5.2. Dimensionamento

O tipo mais simples de poço para dimensionamento de BCS é aquele que tem um

elevado corte de água. O procedimento de seleção é simples e direto, e baseia-se no

pressuposto de que o fluido produzido é incompressível, isto é, a massa específica do

fluido não varia com a pressão. Nesse caso, o seguinte procedimento passo-a-passo pode

ser usado:

1. Coletar e analisar os dados disponíveis, conforme descrito acima.

2. Determinar a capacidade de produção, a profundidade de assentamento da bomba

e a pressão no intake da bomba. Dependendo das informações, várias

combinações são possíveis. Se a produção desejada e a profundidade de

61

assentamento da bomba são conhecidas, a pressão no intake da produção desejada

pode ser estimada com base no desempenho de influxo do poço. De outro modo,

a produção ideal para uma dada profundidade de assentamento da bomba pode ser

determinada traçando a curva de vazão.

A menos que existam condições especiais de funcionamento, a bomba é

normalmente colocada perto das perfurações (100 a 200 pés acima das

perfurações). O diferencial de pressão pode ser limitado a um ponto em que a

pressão de produção no intake da bomba é maior do que a pressão de bolha do

fluido. Isso é para evitar interferência de gás.

3. Calcular o head dinâmico total necessário, que é igual à soma da perda de carga

na coluna de produção até a cabeça do poço e a pressão de descarga na cabeça de

poço.

4. Com base na curva de desempenho da bomba, selecione um tipo de bomba cujo

diâmetro externo da mesma irá se encaixar no revestimento do poço e a taxa de

produção desejada estará dentro da faixa de capacidade recomendada para tal. Se

duas ou mais bombas atenderem a essas condições, uma análise econômica poderá

ser necessária antes de finalizar a seleção. Na prática atual, a bomba com a mais

alta eficiência é geralmente selecionada. A partir da curva de desempenho da

bomba selecionada, determinar o head produzido e a potência necessária por

estágio.

Calcular o número de estágios necessários para fornecer o head dinâmico total. O

número total de estágios é igual ao head dinâmico dividido pelo head produzido

por estágio. Calcule também a potência do motor multiplicando a potência

requerida por estágio pelo número total de estágios e a média da massa específica

do fluido sendo bombeado.

62

5. Baseando-se nas informações técnicas providas pelo fornecedor, selecionar o

tamanho e o modelo apropriados da seção do selo e determinar os requisitos de

potência. Selecionar um motor que é capaz de fornecer requisitos de potência total

tanto para a bomba e a seção de selo. O motor selecionado deve ser grande o

suficiente para suportar a carga máxima sem sobrecarregá-lo.

6. Usando os dados técnicos fornecidos pelo fabricante da bomba, determinar se

alguma limitação de carga foi excedida.

7. Selecionar o tipo e o tamanho do cabo de potência com base na corrente do motor,

temperatura do condutor e limitações de espaço. Calcular a tensão superficial e os

requisitos de kVA.

8. Selecionar acessórios e equipamentos opcionais.

5.2.1. Exemplo: Poço com Alto Corte de Água

Para facilitar a compreensão do processo de seleção, essas várias etapas são discutidas

em maior detalhe e ilustradas pelo exemplo a seguir:

1. Coleta e análise de dados disponíveis: Este é o primeiro e mais importante passo

para a seleção de equipamentos de uma BCS e as informações obtidas das análises

terão um efeito significativo na seleção, bem como no desempenho real do

equipamento. Contudo, o significado desta etapa não pode ser sobre enfatizado e,

infelizmente, muitas vezes pouca atenção é dada à coleta e análise adequada dos

dados.

Como exemplo, vamos supor que as seguintes informações estejam disponíveis e

seja necessário selecionar uma BCS adequada.

63

5.2.1.1. Informações do Poço

• Revestimento: 7” de diâmetro externo, 23 lbs/ft.

• Tubo de produção: 2 7/8” de diâmetro externo (novo).

• Perfuração: 5300 a 5400 ft.

• Profundidade de assentamento da bomba: 5.200 ft (medida e vertical).

5.2.1.2. Dados da Produção

• Pressão na cabeça de poço: 150 psi.

• Vazão de teste: 900 BPD.

• Profundidade do Ponto de partida: 5350 ft.

• Pressão de teste: 980 psi.

• Pressão estática de fundo de poço: 1.650 psi.

• Temperatura de fundo de poço: 180º F.

• Razão gás-óleo: Não disponível.

• Corte de água: 90%

• Vazão desejada: 2.000 BPD.

5.2.1.3. Condições do Fluido do Poço

• Massa específica da água: 1.02.

• Grau API do óleo: 30º (0,876).

• Massa específica do gás: Não disponível.

• Pressão de bolha: Não disponível.

• Viscosidade do óleo: Não disponível.

5.2.1.4. Fontes de Energia

• Tensão primária: 7.200/12.470 volts.

• Frequência: 60 Hertz.

• Capacidade da fonte de energia: sistema estável.

64

5.2.1.5. Possíveis Problemas

• Nenhum.

5.3. Análise

a. A informação sobre o gás para esta aplicação não está disponível. Para todos os

efeitos práticos, pode-se supor que apenas a mistura de óleo e água flui através da

bomba.

b. Como o corte de água é muito alto (cerca de 90%), nenhum problema de emulsão

pode ser antecipado. Além disso, gráficos de perda de carga baseado no fluxo de

água podem ser usados (ignorando os efeitos de viscosidade do óleo).

5.3.1. Determinar a Pressão no Intake da Bomba: Neste caso, a

produção desejada e a profundidade de assentamento da bomba são dadas. A

pressão no intake da bomba, a uma taxa de produção desejada, pode ser

calculada a partir das condições atuais de produção. Como o corte de água é

muito alto e a razão Gás-Óleo é desconhecida, o Índice de Produtividade

provavelmente dará resultados satisfatórios.

PI =Q

Pr − Pwf (2)

Onde:

Q = Vazão de teste

Pr = Pressão Estática de Reservatório

Pwf = Pressão do Poço na Vazão Q

Ou

PI =900 BPD

1.650 psi − 980 psi= 1,343 BPD psi⁄ (3)

65

Em seguida, encontre a pressão de fluxo do poço (Pwfd) na vazão desejada 2.000

BPD (Qd):

Pwfd = Pr − (Qd

PI) (4)

Pwfd = 1.650 psi − (2.000 BPD

1,343 BPD psi⁄) = 160,797 psi (5)

A pressão no intake da bomba pode ser determinada corrigindo-se a pressão

de fluxo do poço para a diferença de profundidade de assentamento da bomba e o

ponto de partida, e considerando a perda de carga no anular do revestimento.

No exemplo dado, como a bomba está assentada imediatamente acima do

canhoneio, a perda de carga será pequena e pode ser desprezada. Além disso,

como há água e óleo no fluido produzido, é necessário calcular a massa específica

composta produzida da seguinte maneira:

(SGL) = (1,02 x 0,9) + (0,876 x 0,1) = 1,01 (6)

A diferença na profundidade do ponto de partida (5.350 ft) e na profundidade

de assentamento da bomba (5.200 ft) é de 150 ft. Para estimar a pressão no intake

da bomba (PIB), podemos converter essa diferença de 150 ft para psi e subtraí-la

da pressão do poço na vazão de 2.000 BPD (PWFD), que foi calculada acima:

PIB = Pwfd −(Prof. Ponto de Partida − Profundidade da Bomba) X SGL

2.31 ft psi⁄ (7)

PIB = 160,797 psi −(5.350 ft − 5.200 ft) X 1.01

2.31 ft psi⁄= 95,213 psi (8)

66

5.3.2. Head Dinâmico Total = Elevação Dinâmica + Perda de Carga +

Pressão na Cabeça do Poço

Elevação Dinâmica = Profundidade Ponto de Partida − (Pwfd x 2.31 ft psi⁄

SGL) (9)

Elevação Dinâmica = 5.350 ft − (160,797 psi x 2.31 ft psi⁄

1.01) = 4.982 ft (10)

Determinar a perda de carga no tubo usando a Figura 34 e um tubo novo de 2 7/8”

a 2.000 BPD (32 ft /1.000).

Figura 34 - Quadro de perda de carga


Perda de Carga Total = 32 ft x 5.200 ft / 1.000 = 166 ft (11)

67

A pressão requerida na cabeça do poço é de 150 psi. Convertendo para Head

temos:

Head (ft) = (psi x 2.31 ft psi⁄

SGL) (12)

Head (ft) = (150 psi x 2.31 ft psi⁄

1.01) = 343 ft (13)

Head Dinâmico Total = Elevação Dinâmica (4.982 ft) + Perda de Carga (166

ft) + Pressão na Cabeça de Poço (343 ft) = 5.491 ft (14)

68

Tabela 3 - Quadro de especificações de equipamentos BCS


Lb/Ft Kg/M Motor Selo Bomba

9.5 14.1

10.5 15.6

11.6 17.3

20.00 29.9

17.0 25.3

15.5 23.0

14.0 20.7

28.0 41.7 375, 400 338, 400 338, 400

26.0 38.7

24.0 35.8

20.0 29.9 400, 513, 538, 562

32.0 47.6

29.0 43.3

26.0 38.7

23.0 34.1

20.0 29.9

17.0 25.7

39.0 58.1

33.7 50.2

29.7 44.3

26.4 34.4

24.0 35.8

20.0 29.9

49.0 72.8

44.0 65.5

40.0 59.4

36.0 53.5

32.0 47.6

55.5 82.7

32.7 48.5

83.0 123.4

48.0 71.5

400, 513, 538

400, 513, 538

400, 513, 538, 562

450, 544,

725

400, 513,

675, 875

400, 513,

675

400, 513, 538,

562, 675

400, 513, 538,

562, 675, 875

400, 513, 538,

562, 675, 875,

1025

450, 544,

562400, 513

450, 544,

562400, 513 400, 513, 538, 562

450, 544 400, 513

7" (177.8MM)

7 5/8"

(193.7MM)

8 5/8"

(219.1MM)

10 3/4"

(273.0MM)

13 3/8"

(339.8MM)

375

375, 450

450, 544,

562, 725

Peso Equipamento AplicávelRevestimento

Externo (API)

4 1/2"

(114.3MM)

5 1/2"

(139.7MM)

6 5/8"

(168.3MM)

338 338

338, 400 338, 400

69

5.4. Tipo de Bomba

A partir da Tabela 3, observamos que temos quatro opções de séries (400, 513, 538 e

562) de bombas que se adequam ao tamanho e peso do revestimento.

Em seguida, usando a Tabela 4, podemos identificar qual tipo de bomba se encaixe na

nossa taxa de produção diária desejada (2.000 BPD).

Tabela 4 - Quadro de Variação de Operação da Bomba


Rate @Best Efficiency Operating Range Rate @Best Efficiency Operating Range

DC550 550 340 - 700 73 45 - 93

DC750 750 550 - 1000 99 73 - 132

DC950 950 600 - 1300 126 79 - 172

DC1250 1250 950 - 1700 166 126 - 225

DC2200 2300 1000 - 2760 305 132 - 366

DC2500 2400 1200 - 3100 318 159 - 411

400P3 330 120 - 460 44 16 -61

400P4 400 300 - 600 53 40 - 79

400P6 600 400 - 900 79 53 - 119

400P8 800 550 - 1200 106 73 - 159

400P10 1000 650 - 1400 132 86 - 185

400P12 1200 850 - 1600 159 113 - 212

400P16 1600 850 - 1950 212 113 - 258

400P18 1800 1000 - 2500 238 132 - 331

400P22 2200 1200 - 2900 291 159 - 384

400P30 3000 1500 - 3800 397 199 - 503

400P35 3500 2200 - 4500 464 291 - 596

400P43 4450 3200 - 5400 589 424 - 715

400P60 5600 3600 - 6800 742 477 - 901

400G12SSD 1200 800 - 1700 159 106 - 225

400G22SSD 2200 1000 - 3100 291 132 - 411

400G42SSD 4200 2200 - 5800 556 291 - 768

538P11 1150 750 - 1500 152 99 - 199

538P17 1750 1400 - 2100 232 185 - 278

538P23 2300 1200 - 2900 305 159 - 384

538P31 3100 2000 - 4300 411 265 - 570

538P37 3700 2500 - 4800 490 331 - 636

538P47 4750 2800 - 5700 629 371 - 755

538P62 6200 4000 - 7700 821 530 - 1020

538P75 7500 4750 - 8500 993 629 - 1126

538P100 10000 5000 - 12000 1324 662 - 1589

538G31 3100 1800 - 4400 411 238 - 583

538G68 6800 4000 - 9500 901 530 - 1258

538G110 10500 6000 - 14000 1391 795 - 1854

562P110 11000 7000 - 13250 1457 927 - 1755

562P155 16000 11000 - 18500 2119 1457 - 240

562P200 19000 17500 - 24000 2516 2318 - 3179

HC7800 8200 5000 - 10000 1086 662 - 1325

HC10000 10400 8000 - 12600 1377 1060 - 1669

HC12500 12500 9000 - 16000 1656 1192 - 2119

HC16000 15700 10000 - 17000 2079 1325 - 2252

HC20000 20000 12000 - 23000 2649 1589 - 3046

HC27000 28000 23500 - 33600 3709 3113 - 4450

HC35000 36000 33500 - 4800 4768 4437 - 6358

IA600/WIE600 21429 13715 - 27429 2838 1817 - 3633

IB700/WIE700 27432 13715 - 33429 3633 1817 - 4428

JA110/WJE1000 36000 22286 - 46286 4768 2952 - 6130

JB1300/WJE1200 41143 27429 - 54857 5449 3633 - 7266

60Hz (BPD) 50Hz (M3/D)

338

400

538

675

875

1025

Series Type

562

70

Podemos observar que para uma vazão Q = 2000 BPD, as bombas adequadas são:

400P22 e 538P23.

Apesar de a bomba de série 562 ser adequada para o tamanho do revestimento em

questão, ela não se mostra adequada para a vazão que estamos considerando neste estudo.

A bomba de série 513 está obsoleta e por isso não será considerada para efeito deste

estudo.

5.4.1. Bomba 400P22

Usando a curva de desempenho da bomba 400P22 podemos extrair as informações

sobre HEAD/estágio, eficiência e potência/estágio.

Figura 35 - Curva da bomba 400P22


71

Com base na informação fornecida pelo gráfico e no HEAD total pode-se determinar

o número de estágios necessários para a bomba elevar o fluido até a superfície.

Esta bomba fornece um HEAD de trinta pés (30 ft) por estágio e para vencer os 5.491

ft serão necessários:

Número de Estágios = (Head Dinâmico Total

Head/Stage) = (

5.491 ft

30 𝑓𝑡/𝐸𝑠𝑡á𝑔𝑖𝑜) = 183 (15)

Uma vez determinado o número de estágios, pode-se calcular a potência necessária

da bomba multiplicando: a potência necessária por estágio X o número de estágios X a

densidade da mistura. Ela demanda uma potência de 0,75 HP/ estágio, o número total de

estágios é 183 e a densidade da mistura é de 1.01, sendo assim:

HP = 0,75HP

Estágiox 183 Estágios x 1,01 = 139 HP (16)

A seção do selo adiciona, geralmente, 1 HP ao valor total necessário. Desta forma

pode-se dizer que a demanda total de potência será de 140 HP para esta bomba.

Ainda com informações obtidas pelo gráfico é possível observar que a bomba irá

trabalhar com uma eficiência de aproximadamente 60% na maioria do tempo de

funcionamento.

5.4.2. Bomba 538P23

Usando a curva de desempenho da bomba 538P23 podemos extrair as informações

sobre HEAD/estágio, eficiência e potência/estágio.

72

Figura 36 - Curva da Bomba 538P23


Com base na informação fornecida pelo gráfico e no HEAD total pode-se determinar

o número de estágios necessários para a bomba elevar o fluido até a superfície.

Esta bomba fornece um HEAD de sessenta pés (60 ft) por estágio e para vencer os

5.491 ft serão necessários:

Número de Estágios = (Head Dinâmico Total

Head/Stage) = (

5.491 ft

60 𝑓𝑡/𝐸𝑠𝑡á𝑔𝑖𝑜) = 91 (15)

Uma vez determinado o número de estágios, pode-se calcular a potência necessária

da bomba multiplicando-se: a potência necessária por estágio X o número de estágios X

a densidade da mistura. Ela demanda uma potência de 1,4 HP/ estágio, o número total de

estágios é 91 e a densidade da mistura é de 1.01, sendo assim:

73

HP = 1,4 HP

Estágiox 91 Estágios x 1,01 = 129 HP (16)

A seção do selo adiciona, geralmente, 1 HP ao valor total necessário. Desta forma

pode-se dizer que a demanda total de potência será de 130 HP para esta bomba.

Ainda com informações obtidas pelo gráfico é possível observar que a bomba irá

trabalhar com uma eficiência de aproximadamente 64% na maioria do tempo de

funcionamento.

Tabela 5 - Quadro Comparativo entre as Bombas 400P22 e 538P23

Tabela Comparativa entre as bombas 400P22 e 538P23

Bomba 400P22 538P23

Head/Estágio (ft) 30 60

Estágios 183 91

HP/Estágio 0,75 1,4

HP Total 140 130

Eficiência (%) 60 64

74

Capítulo 6

Conclusão

A escolha de uma BCS está diretamente relacionada ao tamanho do revestimento na

qual ela irá ficar alojada e não somente à vazão desejada. As informações sobre a

produção, características do poço e fontes de energia são importantes. No entanto, a

escolha adequada do motor, da seção de selo e do número de estágios que a bomba

necessitará ter para elevar o fluido são fundamentais.

Para este caso específico, concluímos que a variação da eficiência entre as duas

bombas pode ser considerada desprezível e dessa forma, a bomba indicada para compra

é a 538P23 principalmente pelas seguintes razões:

• As unidades de maior diâmetro são mais baratas;

• O motor irá trabalhar em uma temperatura mais branda, visto que o fluido irá

passar por ele com maior velocidade favorecendo o resfriamento do motor;

• O número de estágios requeridos é bem menor. Se a bomba requer muitos estágios

pode ser necessária a utilização de mais de uma bomba, encarecendo a operação

e talvez não haja espaço suficiente disponível dentro do poço para a instalação;

• A potência requerida é menor, podendo ser utilizado um motor menor e mais

barato;

• As bombas de maior série tendem a ser fabricadas com material de melhor

qualidade, com maior resistência a abrasão e temperatura;

• Maior capacidade de escoamento, possibilitando que novos poços sejam

adicionados no futuro.

Por fim é importante salientar que além das questões técnicas, durante a escolha

de uma bomba, devem ser considerados fatores comerciais tais como: disponibilidade

do equipamento em estoque favorecendo a pronta entrega, custo e necessidade de

operação.

75

Capítulo 7

Referências Bibliográficas

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76

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Petrobras na exploração e produção offshore. Brasília, IPEA. 424p.

SANTOS, W.L. Desenvolvimento de uma metodologia para representação analítica de

curvas características de bombas hidráulicas, visando à sua seleção, seu dimensionamento

e a simulação de sua operação. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Viçosa,

Viçosa, 2001. 69 p.

uso, dimensionamento e eficiÊncia de uma bomba...

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