Anatomia do Pulso da Bomba de Lama

Shaun White, WhiteStar Pump

A análise de pulsação e os amortecedores podem ajudar a minimizar os danos aos sensíveis equipamentos de perfuração.

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Bombas de lama com amortecedores de pulsa-ção que reduzem vibração já existem há mais de meio século. Até agora o mercado tem sido dominado por modelos de bombas tríplex de 40 anos de idade que possuem descargas irregulares e vibração excessiva. Durante as últimas quatro décadas, a indústria de perfu-ração tem aceitado as dificuldades dos pulsos das bombas de lama e os problemas que eles causam. Alguns desses problemas se devem à má telemetria para perfuração direcional e à vibração/harmônicos da plataforma em alto mar. Os pulsos da bomba de lama podem ser minimizados com o uso de amortecedores de pulsação ou com a sincronização das ion-amento elétrico é usada paralelamente.

bombas quando mais de uma bomba de acionamento elétrico usada paralela-

| é usada paralelamente. A sincronização de bombas é um processo em que os cursos de múltiplas bombas são con-trolados para sincronizar seus pulsos e reduzir o efeito combinado desses pulsos despachando-se um pico quando as outras bombas estão no seu menor nível. En-tretanto, a sincronização das bombas ainda deixa escapar uma tremenda quantidade de pulsos no fluxo de lama e vibração em alto mar. As tradicionais bombas de lama tríplex tem se mostrado ineficazes com re-lação a fornecer adequadamente um fluxo regular, apesar de medidas tomadas a esse respeito. Para se reduzir as várias causas dos pulsos nas bombas tríplex com seus movimentos simples alternados, deve-se primeiramente considerar a origem ou origens dessas pulsações antes de poder realmente minimizá-las de uma forma significativa.

Pulsação na Entrada da LamaUm dos primeiros lugares em que pode ocorrer pulsação é na boca de sucção ou de entrada de lama da bomba. A lama entra através da tubulação de sucção e preenche as camisas da bomba. É crucial que a válvula de entrada abra e feche rapi-damente de forma a permitir que a camisa seja completamente preenchida durante o curso de sucção. O termo sucção pode ser enganoso porque a bomba seria superali-mentada por uma bomba de impulsor,

de forma que quando o pistão se movimenta para trás, a bomba de carga empurra a lama para dentro da cavidade do cilindro. À medida que o cilindro recua no curso de retorno e a lama flui para seu interior, o pistão se movimenta para trás a uma velocidade não linear, começando na velocidade zero e aumentando até a velocidade máxima perto do meio do curso, e depois voltando para o zero no final do curso quando a camisa está cheia de lama.Este perfil de velocidade de onda senoidal significa que a taxa de fluxo de um único cilindro em uma típica bomba tríplex de 1.600 cv varia de zero, no começo do recuo, a mais de três vezes a taxa de fluxo média desse mesmo cilindro. A bomba de carga deveria realizar mais do que a taxa de fluxo bombeada, mas não deveria ser tão desproporcio-nal a ponto de erguer a válvula de sucção antes da hora. Alto volume de carga com baixa pressão é o ideal. Amortecedores de sucção deveriam ser implantados na tubulação de sucção para auxiliar a bomba de carga a fornecer um volume adicional à cavidade do cilindro quando o pistão atinge sua velocidade máxima. Supondo-se que o curso do enchimento seja realizado quase à perfeição, ape-nas um pequeno, mas significativo, par de pulsos será produzido quando a válvula de sucção abrir e fechar.

Vibração Devido à Rotação do Eixo de Ma-nivelaA próxima, e provavelmente mais significativa, fonte de pulsação se deve à característica de um eixo de manivela em rotação. O movimento de uma manivela em rotação a uma RPM constante, quando convertido em um movimento linear do pistão, sempre cria uma taxa de fluxo variável con-forme o pistão acelera e desacelera. A natureza de um cilindro impulsionado por um eixo de manive-la é começar devagar e depois aumentar a velocid-ade na metade do curso e depois diminuir até parar totalmente no final do curso. Por exemplo, o curso começa a 0 fmp (pés por minuto) e acelera até 380 fpm no meio do curso e depois retorna a zero pés por minutos, resultando numa taxa de fluxo média de 275 gpm (galões por minuto). Contudo, o fluxo máximo no cilindro na velocidade máxima de 380 fpm é de 871 gpm, mais que três vezes a taxa média de fluxo do cilindro.

A Velocidade da Manivela a um RPM Contínuo para a Onda Senoidal da Velocidade do Pistão

Velocidade do Pistão em FPM (pés por minutos) versus Rotação do Eixo de Manivela em Graus

Rotação da Manivela em graus

GPM versus Rotação do Eixo de Manivela em graus

Rotação da Manivela em graus

Fluxo de Bomba Total versus rotação do Eixo de Manivela em graus

Rotação da Manivela em graus

A Figura 2 mostra a velocidade con-stante de um eixo de manivela teórico em rotação e a velocidade resultante de um pistão sendo impulsionado pela manivela. Quanto mais longo o curso, maior será a velocidade máxima do pistão no meio do curso. Este aumento de velocidade durante a metade do curso é o motivo de as bombas com pistões maiores terem um menor RPM máximo para permanecerem abaixo do padrão industrial de 381 fpm para a redução do desgaste do pistão. Ape-nas algumas poucas empresas de bombas afirmam atingir uma velocidade de pistão maior do que 381 fpm no RPM máximo da bomba. As Figuras 3A e 3B mostram que a taxa do fluxo de descarga possui uma variância significativa para cada cilindro, e mesmo após a sobreposição dos três cilindros, o fluxo resultante apresenta grandes pulsos. Os pulsos provocados por uma bomba defasada de 120 graus, tal como a bomba tríplex, são irregulares (conforme demonstrado na Figura 3B) com relação aos seus picos ou amplitudes máximas.

Isto cria um pouco de confusão na pressão da descarga como está exem-plificado pelos picos aparentemente idênticos seguidos por uma queda simples e depois novamente os picos, e assim por diante. Como resultado desse pulso irregular, qualquer sistema de am-ortecimento será cíclico em amplitudes alternadas, uma situação indesejável já que os amortecedores de pulsação pos-suem dois pulsos de tamanhos diferentes que eles devem reduzir..

Amortecedores de PulsaçãoNesse momento, os pulsos resultantes foram criados e terão de ser absorvidos, em parte, por algum sistema, tal como um amortecedor de pulsação. Um amortecedor de pulsação, da maneira como é comu-mente implantado, depende de pressão diferenciada e partes móveis para absorver as mudanças instantâneas na taxa de fluxo que resulta da velocidade variável do pistão. (Funciona de forma muito parecida a um amortecedor de carro.) Por causa

da mudança da taxa de fluxo durante um curso do pistão e da pressão exponencial resultante, os amortecedores de pulsação são geralmente grandes, pesados, difíceis de manusear e consomem muito tempo quando recebem manutenção.

Embora um amortecedor de pulsação possa absorver muito da pulsação da bomba, a sua eficácia depende dos se-guintes fatores:

•Localização•Distância da fonte de pulsação•Não ser comprometido por barreiras de fluxo•Não ser amortecido pelo filtro transversal; com o amortecedor sobre o filtrotransversal, parte da pulsação escaparápelo buraco ao invés de ser removidapelo amortecedor•Regularidade dos pulsos, para ajdar com a calibração adequada do aortecedor

A bomba de lama mais compacta com a maior taxa de fluxo e com a mais suave descarga do mercado atualmente.

•Eixo de Manivela: Totalmente montado e con-struído para durar a vida útil da bomba•Compacto: Somente 82” x 290” x 110”•Taxa de Fluxo de 1597 GPM •Série: modelos de 800–2450 CV•Quatro de 2450 V somente 49,000 libras

Quadruplex “Quatro”. Quando você precisa de mais das suas bombas de lama

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•Calibração adequadaHouve pouca evolução nas bombas tríplex e seus amortecedores de pulsação durante muitos anos, mas algo que pa-rece ser constante com as bombas tríplex convencionais é o fato de que um pulso e uma vibração serão notados.

A Solução QuadruplexAlgumas questões podem ser tratadas com o uso de dois amortecedores de pulsação numa bomba quadruplex ao invés de usar as bombas tríplex conven-cionais. Uma bomba com um número par de cilindros, em que a onda senoidal esteja sobreposta nos pontos máximos e mínimos, fornecerá um pulso de ampli-tude constante, o qual é repetitivo e pode ser erradicado por amortecedores de pulsação bem colocados. Isto é demon-strado pelo registro ao vivo da curva de pressão de saída do quadruplex (Figura 3C), a qual é provavelmente a melhor disponível para uma bomba de efeito simples alternado atualmente. Cada amortecedor está:•Perto dos módulos de fluidos•Localizado a montante do filtro, de forma que o filtro não possa amortecer ou bloquear o fluxo para o amortecedor•Lidando com um pulso consistente gerado por um par de cilindrosA pulsação ou pontas remanescentes na pressão que não tenham sido removi-das pelo amortecedor são criadas pela mudança da taxa de fluxo mentionada anteriormente, e infelizmente qualquer pulso remanescente apresentará resulta-dos muito mais sérios do que o esperado. Por exemplo, o aumento de pressão ou o pulso é proporcional à taxa de fluxo ao quadrado. À medida que a taxa de fluxo varia, a pressão do sistema de broca varia devido à surgência adicional ao longo da coluna de perfuração e por meio das ferramentas e da pua dentro do poço. A mudança de pressão resultante

é muito maior que a mundança da taxa de fluxo. À medida que a pressão muda na camisa da bomba, o eixo de ma-nivela sofre um torque maior durante a metade do curso, quando o pistão está se movendo da forma mais rápida, e isso significa que os motores, sejam a diesel ou elétricos, sentem o torque mudar. Isto resulta num zumbido constante.Esse zumbido é uma vibração diferente e distinta, sentida mais intensamente através das estruturas de aço num ambiente em alto mar. Essa sobrecarga transiente do eixo de manivela acon-tecendo constantemente por meio de picos de torque constantes e repetitivos criará uma trepidação devido à carga irregular e acabará por provocar a falha de uma manivela. Outro efeito dessa frequente redução de velocidade do eixo de manivela em cada rotação de uma bomba tríplex é que, enquanto um cil-indro está no auge do seu curso, o eixo de manivela diminui ligeiramente a velo-cidade e reduz o curso dos outros dois pistões que estão enchendo durante o curso de retorno destes. Assim sendo, o torque adicional criado por um curso do pistão provoca variações de velocidade nos demais pistões. Os futuros modelos de bombas de lama deverão garantir que nenhum pulso de identificação seja

necessário. Quando as bombas de lama estiverem livres de pulsação, elas reduz-irão dramaticamente as vibrações inde-sejáveis nos equipamentos de perfura-ção, o que beneficiará toda a indústria.

A experiência de Shaun White nesse campo de perfuração e produção em alto mar abrange quase quatro décadas. White é atualmente o dire-tor de engenharia e desenvolvim-ento de produtos para a White Star Pump, uma empresa sediada no Texas que é fabricante e exportado-ra mundial de bombas de lama trí-plex e quadruplex para as indústrias de mineração e de perfuração de petróleo e gás. Para maiores infor-mações visite o www.whitestar.com.

Figura 3C. Registro ao vivo da curva de pressão de saída da bomba de lama quadruplex

Comparação da Pulsação da Bomba: Quatro versus Tríplex