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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ESTADO DA ARTE DO MÉTODO DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO POR BOMBEIO DE CAVIDADES PROGRESSIVAS GENIVAL TAVARES DE OLIVEIRA NETO Orientador: Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa NATAL Novembro de 2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
ESTADO DA ARTE DO MÉTODO DE ELEVAÇÃO DE PETRÓLEO POR BOMBEIO
DE CAVIDADES PROGRESSIVAS
GENIVAL TAVARES DE OLIVEIRA NETO
Orientador: Prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa
NATAL
Novembro de 2016
Agradecimentos
Agradeço a Deus por tudo quanto ele tem feito em minha vida, e por esse
sonho sendo concretizado.
A minha família, em especial aos meus pais Francisco Lima da Silveira e
Joana Darc de Oliveira da Silveira, que sempre me deram carinho, educação e me
conduziram para o caminho certo. Obrigado por sempre acreditarem em mim
durante toda minha vida acadêmica e por estarem sempre dispostos a me auxiliar,
vocês são os melhores.
A minha namorada Francisca Islênia de Souza Lima. Agradeço a Deus por
sua vida e companhia, pela sua dedicação e atenção, por me suportar e
compreender nos diversos momentos da minha vida.
A todos os meus amigos (as) que torcem e acreditam em nós, assim como a
todos que contribuem para o nosso sucesso diretamente e indiretamente.
Ao meu orientador prof. Dr. Rutácio de Oliveira Costa, pela atenção, apoio,
orientação e sugestões, estando sempre disponível para tirar dúvidas e ajudar no
desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores do Departamento de Engenharia de Petróleo e aos
professores da Escola de Ciências e Tecnologia, por todo o conhecimento passado.
Resumo
Este trabalho trata de uma pesquisa bibliográfica sobre o método de elevação
artificial por bombeio de cavidades progressivas (BCP). Mostra as suas novidades e
tendências tecnológicas, como por exemplo, o BCP com BCS inovador e hastes
ocas. O trabalho é importante devido o BCP ser o método de elevação artificial mais
recente quando comparado com os métodos como: elevação a gás, bombeio
mecânico com hastes e com o bombeio centrífugo submerso. O BCP tem mostrado
um grande potencial de superar suas próprias limitações devido a perspectivas de
avanço tecnológico. A pesquisa empreendida consiste em levantamentos
bibliográficos descrevendo as novidades do BCP. São apresentados os principais
avanços tecnológicos dos últimos 14 anos, entre eles, o desenvolvimento de hastes
ocas, aplicação de poliuretano sobre o rotor e aplicação de um material composto
duro sobre o estator, BCP metálica, monitoramento da BCP em 500ºF com
aplicações na produção de óleo em poços pela influência do vapor, melhorias na
confiabilidade, desenvolvimento de um sistema BCP com BCS inovador e aplicações
de BCP insertável com nova âncora estendida. O emprego da haste oca ampliou o
horizonte de aplicação do método para poços mais profundos e para maiores
vazões. O poliuretano possui uma melhor resistência à abrasão e propriedades
mecânicas superiores aos elastômeros de borracha nitrílica. A bomba metálica pode
ser usada em aplicações de alta temperatura e possui uma boa compatibilidade
química com o fluido bombeado. O sistema BCP com BCS inovador possui uma
nova configuração que utiliza a tecnologia de motor de imã permanente no fundo do
poço e um conversor de torque, além de que busca unir as vantagens do BCP e do
BCS, e a ausência da haste pode dar maior confiabilidade. O BCP insertável com
um novo sistema de ancoragem que pode ser assentado em uma coluna de
produção mesmo que na falta de niple de assentamento.
Palavras-Chave: Elevação artificial, haste oca e tendências tecnológicas.
Abstract
This study is bibliographical research about the method of artificial lift, progressing
cavity pump (PCP). Wich demonstrates it’s news and technological trends, such as
the innovative ES-PCP and hollow rod. This study is important because PCP is the
most recent artificial lift method when compared to methods such as: gas lift, rod
sucker pump and electrical submersible pump (ESP). The PCP technology has
shown a large potential, capable to overcome it’s own limitations due to
advancement technological prospects on development. The research undertaken
consists of bibliographic research, describing the news of PCP method. Presenting
the main advances of the last 14 years, among them, the development of hollow
rods, application of polyurethane on the rotor, application of a hard composite
material on the stator, metallic PCP, monitoring of the PCP at 500ºF applied to
production of oil in hot wells by the influence of steam, improvements in reliability,
development of an innovative ES-PCP system and insertable PCP applications with
a new extended anchor. The use of the hollow rod, expanded the application of this
method to deeper wells and higher flow rates. The use of polyurethane has improved
the abrasion resistance and better mechanical properties to elastomers made of
nitrile rubber. The metal pump can be used in high temperature applications and it
has a successful chemical compatibility with the pumped fluids. The innovative ES-
PCP system has a new configuration that uses the technology of a permanent
magnet motor at the downhole and a torque converter, and pursue to unite the
advantages of PCP and ESP, and because of absence of rod it can develop a
greater reliability. The insertable PCP with a new anchor system can be assembled
in a production column even with the fault of the seating nipple.
Keywords: Artificial lift, hollow rod and technological trends.
Lista de Figuras
Figura 1. Princípio do BCP.........................................................................................13
Figura 2. Esquema do sistema de um poço produzindo com elevação por BCP......14
Figura 3. Conexões da haste oca..............................................................................18
Figura 4. Princípio de hidroformagem........................................................................22
Figura 5. Princípio da BCP metálica...........................................................................23
Figura 6. (a) Sistema BCP convencional com elastômeros e (b) BCP metálica........24
Figura 7. Esquema da rosca cônica: (a) junção, e (b) luva........................................30
Figura 8. Relação entre o torque de desconexão e o torque de aperto.....................31
Figura 9. Esquema do sistema BCP modificado: (a) âncora rotativa, (b) estado operacional, e (c) estado inativo................................................................................33
Figura 10. Arquitetura de um sistema de produção de óleo pesado inovador...........37
Figura 11. Sistema de fundo de poço concluído........................................................39
Figura 12. Cabeça do poço após uma implantação bem-sucedida...........................40
Figura 13. Âncora Flexisert está posicionada na parte inferior da BCP insertável....42
Figura 14. Âncora Flexisert para BCP insertável em um poço no México.................44
Lista de Símbolos e Abreviaturas
BCP Bombeio por cavidades progressivas
BCS Bombeio centrífugo submerso
CAPEX Despesas de capital ou investimento em bens de capital
OPEX Despesas operacionais
PMM Motor de ímã permanente
PU Poliuretano
RGO Razão gás-óleo
RPM Rotações por minuto
Sumário
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 10
1.1. Objetivo geral ...................................................................................................................... 11
1.1.1. Objetivo específico ..................................................................................................... 11
2. HISTÓRICO DO BCP ................................................................................................................ 11
3. DESCRIÇÃO DO MÉTODO ..................................................................................................... 13
4. CARACTERÍSTICAS, APLICAÇÕES, VANTAGENS E DESVANTAGENS DO
SISTEMA BCP ................................................................................................................................... 15
5. METODOLOGIA ......................................................................................................................... 15
6. DESENVOLVIMENTO DE HASTES OCAS DE BOMBEIO ............................................... 16
6.1. Hastes de bombeio convencionais .................................................................................. 16
6.2. Definições, vantagens e características de hastes ocas ............................................. 17
6.3. Experiência de campo ....................................................................................................... 18
7. REVESTIMENTO DO ROTOR E MELHORIA NO MATERIAL DO ESTATOR ............... 19
7.1. Aplicação de elastômero com poliuretano sobre o rotor e utilização de um material
composto duro na composição do estator .................................................................................. 19
7.2. Elastômeros com poliuretano ........................................................................................... 20
7.3. Facilidade de manutenção ................................................................................................ 21
8. ESTADO DE DESENVOLVIMENTO DE UMA BCP METÁLICA ...................................... 21
8.1. Princípio de hidroformagem .......................................................................................... 21
8.2. Tecnologia de metal na BCP ............................................................................................ 22
8.3. Comparação entre a BCP metálica e a BCP convencional com elastômero ........... 23
8.4. Vantagens da BCP metálica ............................................................................................. 25
8.5. Fase de teste da BCP metálica ........................................................................................ 25
9. MONITORAMENTO DA BCP EM 500ºF COM APLICAÇÕES NA PRODUÇÃO DE
ÓLEO EM POÇOS PELA INFLUÊNCIA DO VAPOR ................................................................. 26
9.1. Aplicação em ambientes de elevada temperatura ........................................................ 26
9.2. Os desafios .......................................................................................................................... 26
9.3. Limitações dos medidores eletrônicos ............................................................................ 27
9.4. Solução ................................................................................................................................ 27
9.5. Aplicação ............................................................................................................................. 28
10. MELHORIAS NA CONFIABILIDADE DA BCP ................................................................ 28
10.1. Âncora de torque ............................................................................................................ 28
10.2. Haste especial para BCP .............................................................................................. 29
10.3. Metodologia ..................................................................................................................... 30
10.3.1. Aplicação de rosca cônica .................................................................................... 30
10.3.2. Configuração na entrada da bomba .................................................................... 31
10.4. Melhorias na ancoragem da BCP ................................................................................ 32
10.5. Instalação do conversor de frequência ....................................................................... 34
11. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA BCP COM BCS INOVADOR ...................... 34
11.1. Princípio de funcionamento dos sistemas BCP com BCS convencional e BCP
com BCS inovador ......................................................................................................................... 34
11.2. Vantagens do sistema ................................................................................................... 35
11.3. Tecnologia para a integração de motores de ímã permanentes (PMM) ao BCP . 35
11.4. Avanços e vantagens utilizando o motor de ímã permanente (PMM) no fundo do
poço ...........................................................................................................................................36
11.5. Equipamentos para o sistema BCP com BCS inovador .......................................... 39
12. APLICAÇÕES DE BCP INSERTÁVEL COM NOVA ÂNCORA ESTENDIDA ............ 41
12.1. Funcionamento e suas vantagens ............................................................................... 41
12.2. Aplicações........................................................................................................................ 42
13. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................................................ 45
14. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 47
10
1. INTRODUÇÃO
A elevação de petróleo é o transporte de fluidos do fundo do poço até a superfície.
De acordo com Thomas:
Quando a pressão do reservatório é suficientemente elevada, os fluidos nele contidos alcançam livremente a superfície, dizendo-se que são produzidos por elevação natural. Quando a pressão do reservatório é relativamente baixa, os fluidos não alcançam a superfície sem que sejam utilizados meios artificiais para elevá-los. O mesmo ocorre no final da vida produtiva por surgência ou quando a vazão do poço está muito abaixo do que poderia produzir, necessitando de uma suplementação da energia natural através de elevação artificial (2004,p.235).
Os métodos de elevação artificial mais comuns na indústria do
petróleo são: gas lift, o bombeio centrífugo submerso, o bombeio mecânico e o
bombeio por cavidades progressivas (THOMAS, 2004).
O bombeio por cavidades progressivas (BCP) é o mais recente
destes sistemas e, portanto, o de menor acúmulo de experiência e domínio
tecnológico (Mathews et al., 2002).
“Os métodos tradicionais de elevação de petróleo têm, todos eles,
limitações que tornam seu uso contraindicado em determinadas situações”.
(ASMANN, 2008, p.1)
O BCP é o método que tem mostrado maior capacidade de superar
suas próprias limitações diante das enormes perspectivas de evolução tecnológica
que apresenta. Um dos assuntos ainda pouco explorados são a modelagem
dinâmica, o controle e supervisão automática, especialmente em face da segurança
operacional, já que o fenômeno denominado reversão da coluna de hastes tem
provocado acidentes graves (Mathews et al, 2002).
No mundo todo, o BCP é o quarto método em número de poços
(6%), atrás do bombeio mecânico (71%), do bombeio centrifugo submerso (10%) e
elevação a gás (10%) (ASSMANN, 2008).
11
(Mathews et al., 2002) e (MOINEAU, 1930) citado por (ASSMANN, 2008, p.2)
afirmaram que:
O BCP, por conta de sua versatilidade, tem sido o método de maior expansão no
uso em todo o mundo. Daí sua importância para a indústria do petróleo. A ação de
bombeio é promovida por uma bomba de cavidade progressiva instalada no fundo
do poço.
1.1. Objetivo geral
O trabalho de conclusão de curso a ser realizado tem como objetivo
realizar uma pesquisa bibliográfica sobre o método de elevação artificial por BCP
entre os anos de 2001 até 2015. Será abordado o que há de novo no método de
elevação artificial por BCP, mostrando as tendências tecnológicas nessa área da
indústria petrolífera.
1.1.1. Objetivo específico
Sintetizar as principais melhorias na bomba de cavidades
progressivas e na coluna de hastes para acionamento de BCP, apresentadas em
dez artigos selecionados da literatura.
2. HISTÓRICO DO BCP
A ideia para utilização da BCP tem origem em uma bomba para
elevação de água chamada de hélice de Arquimedes. A bomba foi originalmente
usada para a irrigação do delta do Nilo e para bombear água para fora de
embarcações. Bombas de cavidades progressivas (BCPs) são baseadas em um
mecanismo de engrenagem inventado por René Joseph Louis Moineau (1887-1948)
(BECKWITH, 2014).
12
(MOINEAU, 1930) e (CHOLET, 1986) citado por (ASSMANN, 2008, p.35) afirmaram
que:
Em 1920, Moineau inventou um tipo de bomba constituída por um rotor no formato
de uma hélice simples externa que, quando gira dentro de um estator moldado no
formato de uma hélice dupla interna, produz uma ação de bombeio. A invenção foi
patenteada em 1930 e criada a Pompes Compresseurs Mécanique em 1932 para a
fabricação deste tipo de bomba. Foram ainda licenciadas a Mono Pumps na
Inglaterra e Robins e Myers nos EUA para produção destas bombas. A primeira
bomba foi fabricada em 1933 e a primeira venda se deu em 1935.
A borracha natural é obtida por coagulação do látex. Os graus de
qualidade mais elevados são obtidos através da coagulação por acidificação, sob
condições fabris cuidadosamente controladas. Já a borracha sintética é aquela que
pode ser feita da polimerização de uma variedade dos monômeros (BECKWITH,
2014).
A borracha natural foi substituída pela sintética, também denominada
de elastômero tornou-se aplicável a condições mais severas de temperatura e
diferencial de pressão. Com o desenvolvimento simultâneo de elastômeros sintéticos
e adesivos, a BCP foi introduzida em 1936 para ser utilizada na indústria do
petróleo. A segunda patente de Moineau, emitida em 1937, refere-se a "um
mecanismo de engrenagem adaptado para usar-se como uma bomba, compressor,
motor, ou dispositivo de transmissão simples, e ainda, simultaneamente, a várias
essas utilizações”. A indústria do petróleo usa o mecanismo Moineau tanto em
poços de elevação artificial como em perfuração de fundo com motores que acionam
a broca (BECKWITH, 2014).
(Mathews et al., 2002) citado por (ASSMANN, 2008, p.35) afirmou que:
Inicialmente, a bomba de cavidades progressivas foi usada para transferência de
fluidos variados, mas só foi usada para elevação de petróleo no final da década de
70. Na verdade, a primeira experiência na elevação de petróleo foi na década de 60.
Com o tempo, a tecnologia evoluiu no sentido de atender profundidades e vazões
cada vez maiores.
13
No Brasil, a sua utilização começou em 1982 no campo de Fazenda Belém, no Ceará. A Irmãos Geremia foi fornecedora exclusiva da Petrobras durante muitos anos e se tornou uma importante fornecedora mundial. Hoje, a empresa faz parte da multinacional Weatherford e ainda há outro fornecedor local, a Netzsch pertencente a um grupo alemão. Este sistema de elevação é utilizado na bacia potiguar, em terra e no mar, Sergipe e Alagoas, Bahia e Espírito Santo. Também é usado em testes de poços da Bacia de Campos, no litoral do estado do Rio de Janeiro. (ASSMANN, 2008, p.35)
Devido à simplicidade do método e à eficiência na produção de
fluidos viscosos, o número de instalações com esse tipo de equipamento tem-se
difundido rapidamente. (THOMAS, 2004).
3. DESCRIÇÃO DO MÉTODO
O método de elevação artificial por bombeio de cavidades
progressivas consiste em um sistema composto por uma bomba de subsuperfície
com deslocamento positivo que possui um rotor de aço helicoidal conectado à parte
inferior da coluna de haste e um estator fixo na parte inferior da coluna de produção.
Quando a unidade de superfície acionada por motor do sistema gira a coluna de
hastes dentro da coluna de produção, o rotor gira no interior do estator fixo
promovendo a elevação dos fluidos. Esse bombeamento é feito pelo deslocamento
de cavidades isoladas formadas pelo rotor e estator (ver Figura 1) (BECKWITH,
2014).
Figura 1. Princípio do BCP
Fonte: ZHANG et al. 2009
14
O sistema de superfície é constituído por um sistema de transmissão de movimento rotativo, que transforma a energia mecânica rotativa de um motor de indução em rotação apropriada na haste polida, primeiro elemento da coluna de hastes. O ajuste de rotação deve ser feito de forma que a bomba libere uma vazão e diferencial de pressão entre recalque e sucção projetados para o poço. (ASSMANN, 2008, p.2-3)
Os equipamentos de subsuperfície incluem a bomba no fundo do
poço, haste de bombeio e coluna de produção. Os equipamentos de superfície
incluem uma caixa de vedação, uma unidade de cabeça de poço, um motor primário
e a linha de fluxo. O método de BCP também pode ser conduzido por um motor
elétrico submersível ou motor hidráulico no fundo do poço (BECKWITH, 2014).
A Figura 2 mostra um esquema do sistema de um poço produzindo
com elevação por BCP. Ela mostra uma bomba de cavidades progressivas instalada
na extremidade de uma coluna de produção. O cabeçote de acionamento transmite
a rotação gerada pelo motor para a coluna de hastes, a coluna de hastes transmite a
rotação do cabeçote até o rotor. O fluido do reservatório é alimentado no poço
através dos canhoneados. A vazão da bomba é função da velocidade de rotação do
seu rotor (ASSMANN, 2008).
Figura 2. Esquema do sistema de um poço produzindo com elevação por BCP
Fonte: MAITELLI, C. 2015, p.328
15
4. CARACTERÍSTICAS, APLICAÇÕES, VANTAGENS E DESVANTAGENS DO
SISTEMA BCP
O método é indicado para produção de óleos pesados e óleos leves
desde que não tenham aromáticos, ou portadores de grandes teores de areia ou,
ainda, em áreas que exigem baixo impacto visual. Por questões de limitação no
desenvolvimento do elastômero ou do adesivo apropriado para sustentar o
elastômero ao tubo estator, sua aplicação é limitada a temperaturas de até 100°C.
Outra limitação deste método é a vazão de bombeio (< 250m³/dia) e a capacidade
de suportar elevados diferenciais de pressão (< 250kgf/cm²) (Mathews et al., 2002).
Suas vantagens são a ausência de válvulas que estão sempre sujeitas
a acelerado desgaste, uma boa resistência à abrasão, alta eficiência energética, um
baixo ruído e dimensões reduzidas dos equipamentos de superfície reduzindo seu
impacto visual (Mathews et al., 2002).
As desvantagens são a baixa eficiência com elevada RGO (razão
gás-óleo), excesso de desgaste e fadiga em poços desviados, e a pequena
experiência acumulada (Mathews et al., 2002).
5. METODOLOGIA
Pesquisa bibliográfica exploratória, descritiva e explicativa, sobre os
avanços tecnológicos do método de elevação artificial por BCP.
16
6. DESENVOLVIMENTO DE HASTES OCAS DE BOMBEIO
6.1. Hastes de bombeio convencionais
Até hoje se utiliza as hastes de bombeio convencionais para acionar
os sistemas BCP. Essas hastes estão sujeitas tanto a esforços de tração como a
esforços de torção. Os esforços de tração são necessários devido ao peso da haste
e peso do fluido, e os esforços de torção são utilizados para girar a haste e o motor.
A coluna de haste de bombeio trabalha por efeito de torção, tração e flexão (no caso
de poços ligeiramente desviados). As hastes de bombeio convencionais são barras
sólidas de aço com as extremidades reforçadas tipo pino-pino, padronizadas
conforme a norma API 11B, o qual define o produto a trabalhar apenas com cargas
de tração (OLMOS et al., 2001).
O uso destas hastes para conduzir o sistema BCP tem várias
limitações e problemas, especialmente para poços profundos e vazões elevadas.
Estes problemas podem ser de haste partida e haste desenroscada. Estas
limitações resultam em altos custos operacionais para sistemas de elevação
artificial. Além disso, em muitos casos, as bombas comuns de alta capacidade
usadas desde 2001 não podem ser conduzidas como hastes convencionais, por
causa dos seus elevados requisitos de torque (OLMOS et al., 2001).
Com o progresso e avanço tecnológico das bombas incrementaram as
profundidades e os volumes possíveis de ser extraído, o que se traduziu em maiores
exigências para as hastes. Esse aumento das exigências operacionais implicou em
aumentos nas fraturas prematuras das hastes e fraturas na coluna de produção,
geram maiores custos operacionais do sistema ou limita o campo de aplicação. Por
exemplo, a evolução destas bombas permitiu novos desenvolvimentos como
equipamentos monolobe e multilobe para grandes volumes (entre 250 a 500 m³/dia,
volumes normalmente servidos por bombas centrífugas submersas, BCS). Em
muitos casos, não é possível instalar essas novas bombas de BCP por falta de um
dispositivo de condução para confiança, que poderia transmitir o torque requerido
(entre 1500 a 2500 lb-pé) (OLMOS et al., 2001).
17
Dois fatores principais que aumentam os custos de bombeamento
em BCP: falhas prematuras em luvas ou sobrecarga, ou falhas no corpo das hastes
por tensão de torção-flexão combinadas; e desgaste por atrito em hastes de
bombeio e coluna de produção. Essa luva pode falhar por sobrecarga, essa
sobrecarga pode ser o torque. As falhas no corpo das hastes por tensão de torção-
flexão combinados podem ser por fadiga. A haste de bombeio quando chega na luva
que tem um diâmetro maior, ela entra em contato com o tubo que vai desgastar o
tubo e a própria haste, ou seja, que é justamente o contato da luva com o tubo. A
falha dos desgastes dos tubos nas hastes gera importantes custos de substituição
principalmente na coluna de produção, pois vai furar o tubo. Então tem que substituir
os tubos e também as hastes, o custo do tubo é maior quando comparado com a
haste (OLMOS et al., 2001).
6.2. Definições, vantagens e características de hastes ocas
A haste oca de bombeio possui uma geometria similar a um tubo, o
seu emprego é uma solução sob medida para sistemas de bombeamento por BCP
que reduz os custos operacionais, pois elimina as falhas prematuras por fratura de
pinos de hastes e apresenta um menor desgaste da coluna. Uma das alternativas
apresentadas pela haste oca é a injeção no seu interior de um diluente para o
bombeio de óleos pesados e extrapesado. Isso melhora a eficiência da injeção e
reduz bastante à complexidade das instalações, graças à eliminação de tubulação e
capilares de injeção (OLMOS et al., 2001).
As vantagens desta nova tecnologia são: menor desgaste da coluna,
aumento da vazão de bombeamento, menor custo inicial de equipamento em
bombas de alto deslocamento comparado com o BCS, elimina as falhas prematuras
por fratura de pinos de hastes causadas por sobretorque durante a operação do
poço, permite operar bombas de alto volume de maneira confiável a grandes
profundidades, reduz o atrito entre hastes e coluna de produção (já que é eliminada
a mudança brusca de geometria nas juntas das hastes, o que permite uma melhor
distribuição das cargas de atrito), e reduz os problemas de manuseio (não requer
18
ferramentas especiais de montagem e pode ser instalada rapidamente) (OLMOS et
al., 2001).
Suas características são: a luva reduz consideravelmente o atrito
entre a coluna de produção e a coluna de haste e, consequentemente, gera
economia graças à redução de falhas e a diminuição do consumo de coluna de
produção e hastes; e dar maior confiabilidade para sistemas BCP (OLMOS et al.,
2001).
A Figura 3 abaixo mostra um sistema com haste oca que tem dois
tubos na parte interna, encaixa um tubo no outro. Apresenta uma rosca interna que
fica na extremidade da haste oca, chamada de haste oca entre o tubo; e tem o
acoplamento que também tem rosca. Esta peça gera reduções para o tubo e vai ter
uma redução do diâmetro (OLMOS et al., 2001).
Figura 3. Conexões da haste oca
Fonte: OLMOS et al., 2001
6.3. Experiência de campo
A experiência de campo com hastes ocas começou em outubro de
1999 em Diadema, um campo de petróleo operado pela CAPSA S. A. Devido a
excelentes resultados obtidos, CAPSA S. A. decidiu estender a instalação de hastes
ocas a 70 poços neste campo petrolífero. A partir de 2001 foi iniciada uma terceira
19
etapa, com a instalação em outros 90 poços. Os testes de campo em poços de
bombeamento extrapesado de petróleo na bacia do Orinoco, na Venezuela, foram
analisados desde 2001(OLMOS et al., 2001).
7. REVESTIMENTO DO ROTOR E MELHORIA NO MATERIAL DO ESTATOR
7.1. Aplicação de elastômero com poliuretano sobre o rotor e utilização de um
material composto duro na composição do estator
Até o ano de 2002, a BCP de fundo do poço consistia de um estator
feito de um elastômero à base de borracha nitrílica dentro de um tubo de aço, e um
rotor, usinado a partir de aço e revestido com uma camada relativamente espessa
de cromo. Tanto o estator como o rotor são helicoidais. Nesta configuração, o rotor é
o elemento que mais desgasta (KLEIN, 2002).
Há tempo a indústria vem buscando uma abordagem de custo eficaz
para este problema inerente à concepção. Outro problema inerente à concepção é
que o estator está localizado na extremidade inferior da coluna de produção e o rotor
está localizado na extremidade inferior da coluna de hastes de bombeio. A
necessidade de puxar a coluna de produção para cada vez que a bomba precisa de
assistência técnica ou para recuperar o estator desgastado ou que falhou é uma
grande desvantagem em usar BCP convencional na maioria das aplicações (KLEIN,
2002).
Nesta nova configuração, o estator é feito de um material composto
duro ligado ao interior de um tubo de aço. O material composto oferece
características de desgaste semelhantes ou melhores do que o metal e faz com que
o estator seja o elemento de maior duração. O rotor é feito de aço ou composto e
revestido com uma espessura uniforme de poliuretano macio e durável. O
poliuretano aumenta a resistência ao desgaste e propriedades mecânicas ao longo
da borracha nitrílica dos elastômeros convencionais nas mesmas aplicações. O
requisito de puxar tubo cada vez que a bomba requer serviço é eliminado com a
colocação do elastômero com poliuretano sobre o rotor (KLEIN, 2002).
20
7.2. Elastômeros com poliuretano
Na década de 40 foi desenvolvido Poliuretano (PU) ou uretano que são
termos usados para categorizar um grupo de elastômeros ou borrachas artificiais.
Elastômeros com poliuretano combinam as vantagens dos metais, plásticos rígidos e
materiais cerâmicos, com a flexibilidade e elasticidade da borracha. As ligas de PU
podem produzir uma combinação das seguintes propriedades físicas: resistência à
abrasão excelente, resistência extra e durabilidade, resistência aos cortes,
resistência à fadiga flexível, muito boa resistência ao impacto, capacidade de
suportar carga muito alta, resistência aos fungos, propriedades mecânicas de atrito e
boas propriedades elétricas (KLEIN, 2002).
“O poliuretano pode ser formulado para ter uma combinação de muitas destas
propriedades listadas em um material. Muitas destas combinações de propriedades
não podem ser conseguidas em qualquer outro produto de engenharia”. (KLEIN,
2002, p.2).
A resistência e durabilidade de PU são observadas nas suas propriedades de tensão ou deformação, que podem incluir um módulo elevado, elevada resistência à tração e elevado alongamento. Esta combinação não é encontrada na maioria das borrachas. As borrachas normalmente têm alto alongamento, mas de baixo módulo e resistência à tração. Os poliuretanos tem capacidade de suporte de carga muito mais elevada do que os elastômeros convencionais de dureza semelhante. Esta alta capacidade de suporte de carga, combinado com a abrasão e resistência superior é uma vantagem importante na dinâmica de uma BCP. (KLEIN, 2002, p.2)
A composição é a chave para criar um específico PU para a sua
aplicação. Os PU são adequados para mais aplicações do que os elastômeros de
borracha nitrílica, pois são utilizados exclusivamente no BCP de fundo de poço
desde o ano de 2002, sem sacrificar a integridade mecânica (KLEIN, 2002).
21
7.3. Facilidade de manutenção
Normalmente, o sistema BCP convencional quando retira só a coluna
de haste vem o rotor metálico mais o que se estraga, ai tem que manobrar a coluna
de produção devido o estator de borracha. No novo procedimento o estator pode ser
mantido e tem que manobrar só a coluna de haste com o rotor revestido com o
poliuretano. Esse procedimento vai reduzir custos de manutenção, pois pode trocar
aquele componente com falha ou desgaste somente pela manobra da coluna de
haste (KLEIN, 2002).
8. ESTADO DE DESENVOLVIMENTO DE UMA BCP METÁLICA
8.1. Princípio de hidroformagem
A hidroformagem é um processo de fabricação interessante quando
há necessidade de moldar superfícies complexas com espessura uniforme. Em
relação à bomba BCP, esta é uma nova tecnologia que se encaixa para a fabricação
do estator metálico. Este processo consiste em colocar um tubo de aço numa matriz
e assim injetar água sob alta pressão para que o tubo preencha as cavidades da
matriz até chegar à forma final da mesma. No caso de um estator metálico, a matriz
interna é submetida à pressão externa, uma vez que a área em contato com o rotor
quando em funcionamento é a superfície interna do estator. Sendo assim, esta
superfície deve ser moldada o mais próximo possível da matriz para ter uma boa
precisão final na dimensão do estator. O processo começa com a pré-moldagem do
tubo para que esse entre e se encaixe grosseiramente na matriz (ver Figura 4).
Depois disso, lubrificantes especiais são usados para minimizar o atrito entre a peça
e as matrizes de hidroformagem (BEAUQUIN et al., 2005).
22
Fonte: BEAUQUIN et al. 2005
Este processo necessita do uso de aços selecionados e com
propriedades de tensão plástica elevada. Após este processo, o estator pode ser
revestido para aumentar a dureza, resistência à abrasão e, consequentemente,
aumentar sua vida útil (BEAUQUIN et al., 2005).
8.2. Tecnologia de metal na BCP
O projeto da BCP metálica consiste em:
- um rotor metálico (revestido), quando comparado ao rotor da bomba com
elastômero;
- a superfície hidroformada ativa do estator;
- um envelope externo que permita a conexão dos elementos tão como moldar a
extremidade da BCP de acordo com conexões API das colunas de produção; (ver
Figura 5) (BEAUQUIN et al., 2005).
Figura 4. Princípio de hidroformagem
23
Figura 5. Princípio da BCP metálica
Fonte: BEAUQUIN et al. 2005.
8.3. Comparação entre a BCP metálica e a BCP convencional com elastômero
A BCP metálica tem uma ampla aplicação quando comparada com a
BCP convencional com elastômero em termo de compatibilidade química com os
fluidos bombeados, ou seja, na maioria dos casos os aços, exceto na presença de
uma elevada quantidade de H2S, que implicaria o uso de aços duplex ou
equivalentes (BEAUQUIN et al., 2005).
A BCP convencional tem o estator com o perfil helicoidal feito de
elastômero e fixado a um tubo metálico externo (ver Figura 6a). A BCP metálica tem
o estator totalmente metálico e, portanto, capaz de ser submetido a temperaturas
muito elevadas (Ver Figura 6b). A BCP convencional e a BCP metálica são
revestidas especialmente para altas temperaturas e resistência ao desgaste, mas o
rotor serve como um elemento sacrifício. Embora a BCP metálica não tenha o
mesmo ajuste de interferência entre o rotor e o estator como a BCP convencional, a
eficiência ainda é adequada, pois o ajuste pode ser realizado com mais precisão
usando o processo de hidroformagem. É também possível notar que a ausência de
qualquer material de elastômero pode proporcionar a BCP metálica uma vantagem
operacional e de vida útil em aplicações em que o ambiente do fundo do poço possa
24
causar inchaço grave ou degradação dos vários elastômeros da
bomba (ARYSTANBAY, 2011).
A Figura 6 mostra essa diferença de temperatura utilizando a BCP
convencional com elastômero e a BCP metálica. Pode observar que a BCP metálica
pode ser submetida a 350°C, dessa forma amplia o seu campo de aplicação. Já a
BCP convencional pode ser submetida a temperaturas menores que 120°C.
Figura 6. (a) Sistema BCP convencional com elastômeros e (b) BCP metálica
Fonte: ARYSTANBAY, 2011
25
8.4. Vantagens da BCP metálica
As vantagens da BCP metálica incluem: fácil controle da vazão
(proporcional ao rpm), fácil de instalar (semelhante ao BCP convencional), alta
temperatura de operação, aplicável para viscosidades altas ou baixas, e produção
com baixa pressão no fundo do poço (ARYSTANBAY, 2011).
8.5. Fase de teste da BCP metálica
A tecnologia de bomba metálica força a barreira dos limites para a
extração de óleo pesado, em campos maduros e com fluidos abrasivos, nos quais a
bomba BCP convencional não pode operar. A investigação inovadora levou ao
desenvolvimento do processo de fabricação de uma bomba metálica completa,
evitando assim a fraqueza dos elastômeros. O uso da BCP metálica desde 2005
está em uma fase de testes avançada, realizaram testes com óleo pesado com
temperaturas de até 200°C, pressão de até 75 bar e vazão de 260 m³ / dia a 350
RPM. Através desses testes pode atingir uma vazão com valores de 1000 m³/ dia
com novos modelos desenvolvidos ate o final do ano de 2005. O programa de
validação inclui testes de desempenho para avaliar o seu comportamento quando
submetido à abrasão e produção de gás (BEAUQUIN et al., 2005).
26
9. MONITORAMENTO DA BCP EM 500ºF COM APLICAÇÕES NA PRODUÇÃO
DE ÓLEO EM POÇOS PELA INFLUÊNCIA DO VAPOR
9.1. Aplicação em ambientes de elevada temperatura
A tecnologia da BCP progrediu para permitir sua aplicação em
ambientes de alta temperatura. Geralmente os elastômeros da BCP são limitados a
uma temperatura operacional menor que 120°C (ARYSTANBAY, 2011). Desde 2010
com a introdução de bombas de selagem metal/metal removeu este limite. As
operações acima de 120°C também resultam em desafios para os sensores no
fundo do poço usados para monitorar o desempenho da bomba e do poço. Esses
sensores utilizados para o monitoramento da BCP também foram limitados a
operações em temperaturas de 120°C (CUDMORE, 2010).
9.2. Os desafios
O movimento da BCP e da coluna é o principal desafio de instalar
qualquer medidor permanente em uma BCP. A excentricidade da BCP pode produzir
um grau de movimento elevado na coluna, o que pode danificar permanentemente
os cabos. O torque elevado aplicado da superfície para a BCP no fundo do poço
pode resultar em uma rotação na coluna. O equipamento ou cabo devem ser
capazes de resistir a elevados graus de tensão mecânica, pois a BCP pode produzir
vibrações indesejadas (CUDMORE, 2010).
Na aplicação da produção de óleo em poços pela influência do vapor,
um sensor deve ser capaz de operar em temperaturas acima de 204,4°C. Devido à
natureza da injeção de vapor, as temperaturas também são instáveis, o que para os
sensores é um problema difícil de superar. Os sensores não são confiáveis quando
operam com grandes variações de temperatura, visto que a temperatura
rapidamente enfraquece os circuitos eletrônicos (CUDMORE, 2010).
27
9.3. Limitações dos medidores eletrônicos
As instalações de sensores a temperaturas maiores que 175°C ainda
têm uma expectativa de vida de meses. É estimado que uma ferramenta pudesse
operar durante 10 anos a uma temperatura de 150°C, porém só funciona durante 3
meses a uma temperatura de 175°C. Os componentes eletrônicos, incluindo os
fornecedores de energia e os processadores estão contidos na superfície, e apenas
um transdutor de pressão e temperatura é implantado no fundo do poço via um cabo
especialmente projetado para o tipo de ambiente (CUDMORE, 2010).
A indústria precisa de ferramentas que resistam, e elas devem ser
livres de partes eletrônicas para assim poder superar a barreira de 200°C. Precisa
analisar também o cabo, as conexões elétricas e as vedações de pressão para obter
um sistema completo de altas temperaturas (CUDMORE, 2010).
9.4. Solução
O medidor permanente de alta temperatura de fundo de poço
implantado nos poços de injeção a vapor é livre de qualquer componente eletrônico,
o que remove os problemas de confiabilidade associados a medidores permanentes
convencionais quando aplicado em altas temperaturas (CUDMORE, 2010).
A solução usando um medidor de alta temperatura depende de
comunicação contínua e confiável entre processador de superfície e o medidor de
fundo de poço, por meio de um instrumento de transmissão de linha resistente à alta
temperatura. A linha do instrumento atua como um canal e possibilita a leitura dos
dados do transdutor localizado no fundo do poço (CUDMORE, 2010).
28
9.5. Aplicação
Os poços com injeção de vapor foram equipados com cabo de BCPs
com vedação de metal/metal capaz de resistir a temperaturas esperadas nos poços
de produção. O medidor de alta temperatura é montado em um mandril de medição
acima do estator do BCP e mede a pressão e a temperatura do anular na entrada
(CUDMORE, 2010).
A linha do instrumento é conectada à cabeça do cabo de medição fixado
na coluna de produção, saindo da cabeça do poço e passando através de uma
alimentação de alta temperatura e pressão. Esa linha é conectada em uma caixa de
junção de cabeça de poço. O cabo de superfície é conectado a unidade de aquisição
de dados de superfície que vai processar os dados de pressão e temperatura dos
transdutores de fundo de poço e fornecer dados de superfície. Os dados de
superfície estão disponíveis em uma tela como também nas conexões SCADA de
operação (CUDMORE, 2010).
10. MELHORIAS NA CONFIABILIDADE DA BCP
10.1. Âncora de torque
A BCP no fundo do poço ganhou sua popularidade em bombear com
óleo pesado junto com areia em um reservatório relativamente raso, minimizando o
efeito da areia e gás livre. Em um reservatório de arenito não consolidado que
contém óleo pesado, o sistema BCP permite a produção contínua do óleo junto com
uma produção massiva de areia, resultando em um melhoramento da
permeabilidade da formação próximo a parede do poço assim como aumento na
produtividade (WANG, 2010).
É de importância fundamental melhorar a confiabilidade e o
desempenho do sistema BCP convencional em um reservatório profundo produzindo
o óleo pesado juntamente com areia em uma formação não consolidada, pois resulta
em um maior torque e uma carga maior, na qual tanto a profundidade de ajuste da
29
bomba como as forças impostas na coluna de haste são aumentados
consideravelmente (WANG, 2010).
O aumento na excentricidade do rotor pode melhorar a vedação entre o
rotor e estator, levantar a cabeça do suspensor da bomba de estágio único, reduzir o
atrito entre o rotor e o estator. Quando se aumenta o suspensor de cabeça, a haste
sofre um aumento considerável no torque e na carga. O giro de separação pode ser
resultado do movimento excêntrico do rotor e da vibração transversal da haste.
Também é necessária uma âncora na coluna para um sistema BCP para evitar que
a coluna seja desenroscada. Os tipos de âncora incluem a âncora hidráulica, âncora
de tração, âncora de compressão, âncora rotação por placa e âncora rotativa
(WANG, 2010).
Desde o ano de 2010, a âncora amplamente utilizada nos sistemas
convencionais de BCP é a âncora de compressão, que exige uma carga de 4000 a
8000 kg a qual é imposta pela própria coluna para fixar a âncora. Com uma carga
de trabalho tão elevada pode resultar na flambagem de uma porção da coluna em
certo ponto e consequentemente no desgaste excêntrico na coluna (WANG, 2010).
10.2. Haste especial para BCP
Inicialmente a haste de bombeio utilizada para o sistema BCP era a
mesma do sistema de bombeio convencional, embora a mesma seja capaz de
suportar mais tensão, porém menos torque. De modo a permitir a produção de
fluidos a partir de formações profundas, utiliza a haste de bombeio com rosca cônica
para modificar a haste do sistema BCP convencional. Em comparação com o
sistema BCP convencional, a haste de bombeio com rosca cônica mostra bom
desempenho de vedação, e também suportar uma maior carga axial e torque
(WANG, 2010).
30
10.3. Metodologia
10.3.1. Aplicação de rosca cônica
Um esquema da rosca cônica é representado na Figura 7. A sua
espessura de parede na entrada é similar a da convencional, enquanto a espessura
da parede na base é aumentada para acrescentar significativamente a sua
resistência a torção. A Figura 7b mostra uma luva que normalmente permanece
conectada a um tubo. Além disso, o torque de desconexão é aumentado de acordo
com o aumento no torque de aperto e a relação entre o torque de desconexão e o
torque de aperto é de aproximadamente 0.8 (ver Figura 8). Esse torque de
desconexão é necessário para começar a deslizar uma rosca em relação a outra. Já
o torque de aperto é necessário para começar a travar a conexão de uma rosca em
relação a outra, o que também garante a vedação. Desta forma, esse elevado torque
implica que a coluna de haste não irá ser facilmente desenroscada enquanto está a
ser girada inversamente (WANG, 2010).
Figura 7. Esquema da rosca cônica: (a) junção, e (b) luva.
Fonte: WANG, 2010
31
Figura 8. Relação entre o torque de desconexão e o torque de aperto
Fonte: WANG, 2010
10.3.2. Configuração na entrada da bomba
É necessário ajustar corretamente a entrada da bomba para o
bombeamento de fluidos para fora de uma formação profunda com sistemas BCP.
Em geral, a entrada da bomba é ajustada pelo menos a 1 metro abaixo do fundo da
zona canhoneada para permitir a produção rápida da corrente de óleo
transportadora em conjunto com a areia. Caso contrário, a areia depositada e
acumulada na bolsa vai reter o fluxo de óleo e areia, e podem eventualmente matar
o poço (WANG, 2010).
32
10.4. Melhorias na ancoragem da BCP
A âncora rotativa é a melhor escolha para os sistemas de BCP para
formações profundas. Esta âncora está instalada na parte inferior do sistema BCP.
Ela é composta por um corpo de ancoragem, placa rotativa deslizante e um
centralizador. Um esquema do sistema BCP modificado é representado na Figura
9a.
Quando o rotor gira no sentido horário, ele rotaciona a bomba e a
âncora. As lâminas rotativas também rotacionam, e assim deslizam para fora da
âncora até o revestimento, devido ao atrito entre a placa rotativa e o revestimento
(ver Figura 9b). Quando a coluna é retirada e rotacionada no sentido anti-horário
durante a operação de workover, as lâminas rotativas deslizantes são recolhidas e
assim a âncora é liberada (ver Figura 9c). Uma vez que as lâminas deslizantes estão
localizadas dentro da âncora, essas lâminas podem ser recolhidas suavemente para
reduzir o risco de não conseguir retirar a coluna tendo em vista que a âncora da
coluna esta coberta por areia. Além de não ser necessária nenhuma força vertical
para o ajustamento da âncora, e assim a flambagem da coluna pode ser prevenida
até certo ponto (WANG, 2010).
33
Figura 9. Esquema do sistema BCP modificado: (a) âncora rotativa, (b) estado operacional, e (c) estado inativo.
Fonte: WANG, 2010
34
10.5. Instalação do conversor de frequência
A principal finalidade de utilizar um conversor de frequência é controlar
a frequência da fonte de alimentação do motor elétrico, fazendo com que o motor
ligue suavemente o sistema de BCP, e previna que as hastes de bombeio de serem
quebradas ou danificadas inesperadamente por excesso de torque. O conversor de
frequência pode ser usado para ajustar a velocidade de forma contínua e, assim,
manter a produção estável (WANG, 2010).
Assim que o sistema de BCP é iniciado, a coluna de hastes sofre um
grande torque no início e em seguida permanece praticamente constante, depois a
velocidade de rotação se torna estável, enquanto o torque aumenta pouco com a
velocidade de rotação. Desta forma, o torque de saída do motor assíncrono deve
permanecer constante durante todo o tempo, apesar da sua velocidade de rotação
ser alterada (WANG, 2010).
11. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA BCP COM BCS INOVADOR
11.1. Princípio de funcionamento dos sistemas BCP com BCS convencional e BCP
com BCS inovador
O Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP) é acionado por uma
coluna de haste, e o Bombeio Centrífugo Submerso (BCS) é acionado por um motor
de fundo. O sistema BCP com BCS convencional busca unir as vantagens do BCP e
do BCS, pois na ausência da haste pode dar maior confiabilidade. O BCP com BCS
convencional é um sistema híbrido que é acionado por um motor elétrico de fundo, e
para transmitir a energia da superfície para o fundo esse sistema utiliza um cabo
elétrico. É preciso fazer o acoplamento do motor com a bomba do BCP, o motor
roda a 3600 RPM e a bomba roda em baixas velocidades, em torno de 400 RPM,
então precisa ter uma redução dessa rotação (BAO, 2010).
Novas pesquisas foram realizadas para melhorar o sistema BCP com
BCS convencional. Em seguida, foi desenvolvido um sistema BCP com BCS
inovador com uma nova configuração que utiliza a tecnologia de motor de ímã
35
permanente no fundo do poço e um conversor de torque, resultando em eficiências
operacionais elevadas e redução de custo. Esse motor de ímã permanente é um
motor elétrico especial diferente dos outros (RUSHBY, 2013).
Com esse novo sistema a BCP está no fundo do poço, permitindo que
este sistema de pequeno diâmetro possa ser instalado em qualquer profundidade e
na horizontal. Este sistema é combinado com a capacidade de executar a
velocidade variável e gira em qualquer direção. Falhas relacionadas à areia e
workovers são reduzidas. Este novo sistema entrou em testes de campo em agosto
de 2013 em San Joaquin Valley, na Califórnia, para uma aplicação de produção de
óleo pesado, e Austrália Ocidental para deliquefação de um poço de gás (RUSHBY,
2013).
11.2. Vantagens do sistema
O sistema permite menos equipamentos, e é compatível com a coluna
encaixada convencional. Ele aborda fundamentalmente muitos dos problemas
associados com poços horizontais e manejo de areia, e fornece uma solução
altamente eficiente para aplicações de deliquefação de um poço de gás, injeção
cíclica de vapor, e a produção de óleo pesado com areia (RUSHBY, 2013).
Esse sistema reduz drasticamente as necessidades totais de energia e
do uso de instalações elétricas de superfície de alto custo quando comparado com o
BCS. Esta nova configuração reduz o impacto ambiental do poço, reduz os
requisitos de desenvolvimento e workover, resultando em operações menores e
mais seguras (RUSHBY, 2013).
11.3. Tecnologia para a integração de motores de ímã permanentes (PMM) ao BCP
O conversor de torque realiza a tarefa de transferir e ampliar o torque
do motor. É possível fazer a transição do torque através do acoplamento magnético
que vai conectar ao PMM que permite operar em baixas rotações, e proporciona
simultaneamente uma baixa rotação entre 100 e 500 RPM para o BCP. Esse
processo permite um maior rendimento (RUSHBY, 2013).
36
11.4. Avanços e vantagens utilizando o motor de ímã permanente (PMM) no fundo
do poço
Utiliza a PMM no fundo do poço com um conversor de torque para ser
projetado e implementado num tamanho de diâmetro delgado adequado. Este motor
possibilita a geração eficiente de torque no fundo do poço enquanto minimiza as
perdas de transmissão da superfície realizadas através de um cabo de alimentação
trifásico. Além disso, devido à remoção do sistema de superfície, o vazamento
associado ao sistema de vedação dinâmico utilizado nos sistemas acionados via
hastes convencionais é então eliminado (RUSHBY, 2013).
O conversor de torque permite o motor a operar com alta eficiência em
uma grande gama de velocidade, enquanto fornece o torque máximo possível para a
bomba. Como o conversor de torque é magnético e sem contato, o que reduz as
perdas e elimina um dos modos de falha primários presente em sistemas de
transmissão convencionais, a obstrução e o desgaste de engrenagens (RUSHBY,
2013).
Foram realizadas pesquisas sobre o conversor de torque magnético,
mas o princípio de funcionamento e os detalhes construtivos não são apresentados
na referência. O conversor de torque magnético é uma peça que vai existir entre o
motor e a bomba (ver Figura 10) (RUSHBY, 2013).
37
Figura 10. Arquitetura de um sistema de produção de óleo pesado inovador
Fonte: RUSHBY, 2013
A Figura 10 acima mostra um sistema de acionamento magnético,
tem acoplado a ele um equalizador para armazenar diversas variações de
temperatura e pressão durante a operação. Ele utiliza um projeto de multi-
compartimento para manter efetiva a separação do fluido de produção do óleo
dielétrico do sistema de transmissão de força através de todos os caminhos até
chegar à horizontal. O equalizador é acoplado ao BCP que fornece pressões
constantes a quaisquer vazões, e é comprovado que a BCP facilita a produção de
areia. Um tubo flexível integrado entre o equalizador e a BCP absorve as vibrações
criadas pelos movimentos excêntricos do rotor da BCP (RUSHBY, 2013).
Nos sistemas de BCS e BCP com BCS convencionais onde o motor
fica na extremidade inferior e a bomba no topo do conjunto. No novo sistema
proposto a bomba está localizada na extremidade inferior do conjunto, eliminando
assim a necessidade para o cabo de alimentação de contornar a bomba a ser
encerrado no interior do motor e permitindo ainda economia de espaço dentro dos
limites com fronteira do diâmetro do poço. À medida que a descarga de BCP é
38
abaixo do motor, os fluidos bombeados mantém um fluxo constante após o motor
proporcionar resfriamento forçado no sistema (RUSHBY, 2013).
Este arranjo auxiliar de transporte de areia, eliminando a necessidade
de pressão do reservatório para empurrar o fluido após o motor para a entrada da
bomba. Isto reduz o risco da deposição de sólidos conduzindo a falhas de
sobreaquecimento, e o risco de enterrar areia do motor que conduz a dificuldades na
recuperação do sistema. A bomba pode trabalhar em sentido inverso, permitindo
uma ação de lavagem de areia que tem o potencial de eliminar um bloqueio na
entrada (RUSHBY, 2013).
Para uma aplicação com coluna convencional uma proteção de fluxo
deve ser instalada para permitir que o fluido de produção seja transportado em torno
do sistema de acionamento através do anular, antes de ser desviado para dentro da
coluna para transporte até a superfície. Esta configuração combinada com as
técnicas de implantação alternativas facilita a instalação do bocal de entrada da
bomba na profundidade de produção que foi determinada previamente, mesmo em
liners de pequenos diâmetros (RUSHBY, 2013).
A tecnologia é projetada para ser inerentemente adaptável. Os
múltiplos motores e conversores de torque podem ser instalados em série,
multiplicando assim efetivamente o torque total que pode ser entregue diretamente
ao BCP, enquanto outras evoluções de projeto permitem a possibilidade de
máquinas com maiores e menores diâmetros, para maiores aplicações de elevação
artificial (RUSHBY, 2013).
39
11.5. Equipamentos para o sistema BCP com BCS inovador
A Figura 11 mostra o sistema de fundo de poço completo pronto para
desenvolvimento.
Figura 11. Sistema de fundo de poço concluído
Fonte: RUSHBY, M J; DENHOLM, A, 2013
40
A Figura 12 mostra a cabeça do poço após a implantação, localizado a cerca de 100
pés de distância.
Figura 12. Cabeça do poço após uma implantação bem-sucedida
Fonte: RUSHBY, 2013
41
12. APLICAÇÕES DE BCP INSERTÁVEL COM NOVA ÂNCORA ESTENDIDA
12.1. Funcionamento e suas vantagens
As aplicações através de uma nova âncora para BCP insertável
estendem-se para um maior conjunto de poços pretendentes. A âncora é juntamente
o que vai prender a BCP para utilizar dentro do tubo. A âncora da BCP insertável
permite a ser executada, sendo operada e removida a partir de uma coluna de
produção na ausência de uma instalação previamente do niple de assentamento da
bomba, tipicamente necessário para a instalação, ou seja, em qualquer nível da
coluna de produção pode instalar essa BCP insertável. Por exemplo, se tiver um
bombeio mecânico, tira o pistão da coluna de haste e deixa a bomba lá em baixo, e
desce uma BCP por dentro da coluna (DONNELLY, 2014).
Em uma BCP insertável a bomba é instalada pela coluna de hastes e
entra no interior da coluna de produção. Sendo assim, permite a bomba ser puxada
e executada novamente pela coluna de haste. A vantagem principal deste sistema é
a eliminação do alto custo e consumo de tempo para puxar coluna com intenção de
mudar o desgaste (ou bombas danificadas, ou para mudar diferentes bombas com
tamanhos e configurações no fundo do poço) de forma que mude os requisitos de
bombeamento (DONNELLY, 2014).
As BCPs insertáveis convencionais são instaladas em niples de
assentamento na coluna de produção e uma correspondente configuração de anéis
que ficam na bomba. Enquanto este método proporciona ser confiável, ele também
requer que o niple de assentamento da bomba seja originalmente instalado e que
limita o posicionamento da bomba (DONNELLY, 2014).
Uma aplicação dessa tecnologia é utilizada pela empresa da
Weatherford que utiliza a âncora flexisert para BCP insertável cujo método de
instalação não requer um niple de assentamento da bomba para ficar na coluna. A
Figura 13 mostra a âncora Flexisert que está posicionada na parte inferior da BCP
insertável (DONNELLY, 2014).
42
Figura 13. Âncora Flexisert está posicionada na parte inferior da BCP insertável
Fonte: DONNELLY, 2014
Em geral, a aplicação de BCP insertável com âncora permite ser
executada em poços que não estão equipados com um niple de assentamento da
bomba (ou onde o niple de assentamento da bomba está no local errado, ou tem
especificações que são desconhecidas). O sistema de ancoragem também fornece
uma elevação artificial com opção para reativar poços antigos, sem puxar a coluna.
A âncora reduz a inatividade e os custos para a substituição de diferentes formas de
elevação artificial, incluindo a eliminação da necessidade para puxar e executar
novamente a coluna de produção se um niple de assentamento ainda não está no
lugar (DONNELLY, 2014).
12.2. Aplicações
As aplicações possíveis são de elevação artificial em poços onde uma
BCP insertável convencional não pode ser instalado devido a uma falta de um niple
de assentamento da bomba, onde outra forma de elevação artificial falhou, e/ou
quando mudanças na profundidade de fixação da bomba, volume da bomba, e
elevação são necessários. As aplicações em que há uma produção elevada de areia
43
ou parafinas, a BCP insertável com âncora devem ser revista com cuidado por
causa do sistema estreito da coluna ou do anel da bomba. As aplicações horizontais
ou direcionais também devem ser avaliadas para assegurar que o peso da haste é
suficiente para engatar a ferramenta. As razões para a âncora falhar incluem
instalação imprópria, introdução em uma aplicação errada, mais torque, e coluna
suja (DONNELLY, 2014).
Os testes de campo realizados entre 2013 e 2014 incluem aplicações
em Omã, Venezuela e México. Seis testes de campo resultaram em quatro
instalações bem-sucedidas. Os outros dois foram comprometidos por causa da
coluna suja ou questões de diferencial de temperatura (DONNELLY, 2014).
A Figura 14 mostra os funcionários da Weatherford preparado para executar a
âncora Flexisert para BCP insertável em um poço no México (DONNELLY, 2014).
44
Figura 14. Âncora Flexisert para BCP insertável em um poço no México
Fonte: DONNELLY, 2014
45
13. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
O desenvolvimento do presente trabalho possibilitou uma análise de
como o método do BCP está sendo implementado na indústria petrolífera,
mostrando os seus benefícios e dificuldades encontradas ao trabalhar com este
método. Além disso, também permitiu apresentar as perspectivas de evolução
tecnológica e avaliar como esse método auxilia durante a fase da elevação artificial
de petróleo.
A haste de bombeio oca é capaz de suportar as condições de cargas
requeridas pelo bombeamento por BCP. Além de permitir trabalhar com um amplo
intervalo de torque para aumentar a confiabilidade da bomba de BCP. O teste de
campo confirmou o desempenho esperado da haste oca, e o custo de operação
deve cair significativamente para a exploração de óleos pesados e extrapesados.
O estator metálico desde 2005 está em fase de teste avançado,
devido aumentar a sua vida útil. Os testes mostraram um comportamento aceitável
da bomba metálica em temperaturas superiores a 200°C em 2005. Em 2011, o BCP
já suportar 350°C devido a melhorias no seu projeto. Ao escolher os materiais
corretos, de modo que a expansão térmica do rotor e do estator são compatíveis e a
bomba pode operar dentro de uma ampla gama de temperaturas. A bomba metálica
ainda oferece baixo CAPEX e OPEX.
O monitoramento de poços produtores de injeção de vapor de
elevadas temperaturas é possível em temperaturas de até 260°C (500°F). O cabo de
medição deve ser protegido adequadamente para resistir a movimentos indesejáveis
e a vibrações. O medidor de fundo de poço deve ser capaz de resistir a altas
temperaturas e a bruscas mudanças de temperatura, assim como suportar vibrações
e choques mecânicos.
Foi possível melhorar significativamente a confiabilidade da BCP
para aumentar a produção de petróleo a partir de reservatórios de óleo pesado
profunda, prolongando significativamente a vida útil do conjunto de hastes. O
sistema BCP com BCS inovador fornece uma solução altamente eficiente para
aplicações da produção de óleo pesado com areia, reduz as necessidades totais de
energia e do uso de instalações elétricas de superfície de alto custo. Várias
46
melhorias estão desde 2013 em desenvolvimento ativo, e foram alcançados acordos
para expandir os testes de campo.
Os avanços tecnológicos estão expandindo no campo de aplicação
da tecnologia da BCP, porque serve para regiões de maior temperatura, tem maior
durabilidade, ou seja, tem maior aceitação no campo. Antes da BCP insertável,
tinha que fazer a manobra da coluna de produção e tinha que ter sonda. Hoje, pode
ir com esses equipamentos mais leves, mais barato para fazer a troca da bomba por
meio da coluna de haste. A BCP insertável foi um grande avanço e viabilizou vários
testes de campo, pois não precisa nem colocar antes o niple de assentamento. O
sistema insertável pressupõe que tem instalado o niple de assentamento para
assentar a bomba. Com essa vantagem em qualquer poço que não tem BCP, pode
instalar a BCP insertável entre a coluna de produção.
A pesquisa foi realizada até o ano de 2015 e só encontrou avanços
significativos até o ano de 2014, de acordo com o ano de publicação dos artigos. A
pesquisa foi realizada em artigos de revista e artigos elaborados para serem
apresentados em seminários. Ela alcançou os objetivos desejados analisando as
novidades e tendências tecnológicas da BCP. Para melhorar o que foi analisado é
preciso fazer pesquisas de patente para descobrir se foi inventado algo diferente.
Outra sugestão é a modelagem a partir de testes de laboratório sobre o estator
metálico para ampliar suas perspectivas de aplicação nos próximos anos. O
problema da pesquisa foi alcançado quando todas as novidades e avanços do
método da BCP foram encontrada e devidamente explicados no presente trabalho.
Dessa forma, foi resolvido um problema que juntou vários estudos sobre o BCP num
único trabalho, mostrando sua importância no cenário atual.
47
14. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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