2.8
Metodologia de Medição
O coeficiente de relaxação é o parâmetro que permite a aplicação da metodologia de Ramey (1962) ao cálculo da distribuição de vazão em poços. Essa relação fica mais evidente se a Equação (2.2) for representada na forma:
˙
m= 2πrkfU(z, ˙m) cp[kf+U (z, ˙m)r f (t)]
A. (2.6)
A Equação (2.3) fornece a relação entre o perfil de temperatura e o coeficiente de relaxação. Dessa forma, independente do regime de escoamento, é possível determinar as vazões de injeção ˙mia partir dos valores dos coeficientes de relaxação Aire f para todos os pontos ao longo da coluna do poço. De modo que, conhecida a vazão na cabeça do poço, as vazões em cada zona de transporte são dadas por:
˙ m ∼= A
Are fm˙re f. (2.7)
A manipulação da Expressão (2.3) fornece:
ln Tf luido(0) − Tg(0)
Tf luido(z) − Tg(0)
= z
A. (2.8)
A expressão do lado esquerdo da Equação (2.8) dá origem a uma nova variável, defi- nida no trabalho de Lima (2017) como Temperatura Adimensional (Tf luido∗ (z)). Logo:
Tf luido∗ (z) = ln Tf luido(0) − Tg(0)
Tf luido(z) − Tg(0)
. (2.9)
Nessa abordagem, o perfil de temperatura do poço, representado pela Equação (2.3) dá origem a uma curva linear, como a da Figura (2.11), em que o coeficiente de relaxação médio (A) é calculado a partir do inverso do coeficiente angular dessa curva.
Logo, a aplicação da metodologia de Ramey (1962) para o cálculo do perfil de inje- tividade, obedecidas as devidas condições para o escoamento do fluido, consiste em, a partir do perfil de temperatura medido com instrumentos instalados no poço, aplicar as Equações (2.3) ou (2.9) para determinar os coeficientes de relaxação para cada amostra de temperatura, e em seguida, aferir o valor da vazão em cada intervalo de injeção com a Equação (3.9).
Capítulo 3
Descrição da Planta
O protótipo construído no LAMP visa reproduzir em condições controladas o pro- cesso de injeção de água em um poço injetor com múltiplas zonas de produção. Esse sistema permite a modificação da estrutura do poço, a reprodutibilidade das experiências e a aquisição dos dados do processo. Essas características dependem da utilização de com- ponentes industriais que proporcionem aos operadores uma operação confiável e segura da planta. A partir disso, este trabalho especificou e agregou ao protótipo um conjunto de componentes de campo como: atuadores, instrumentos de medição e controladores, acompanhados de uma arquitetura de rede de comunicação e software supervisório, que viabilizaram a realização do processo de injeção e a análise dos resultados de forma con- trolada e automatizada, a partir de uma estação de trabalho.
Este capítulo apresenta as características construtivas e operacionais do protótipo ins- trumentado. Serão abordados também os detalhes da estrutura de instrumentação insta- lada para a automatização das experiências, as modificações elétricas e mecânicas reali- zadas no aquecedor do protótipo, bem como os resultados dos primeiros testes de aqueci- mento e de controle de temperatura. Por fim, será apresentado o supervisório programado e a sua importância para o acompanhamento das experiências de medição de vazão a partir de temperatura.
3.1
Instalações Físicas
Inicialmente utilizado para projetos de medição de BS&W (Basic Sediment and Wa- ter), o LAMP recebeu no ano de 2004 toda a sua estrutura de tanques, tubulação e ins- trumentação. Quando construído, a ideia foi conceber um laboratório com equipamentos industriais com operação automatizada, de modo que todas as experiências pudessem ser acompanhadas de uma sala de controle. Para isso, foi agregada à estrutura física uma estrutura lógica para controle e automação de processos.
A execução do projeto de medição de vazão a partir de temperatura foi planejada com o intuito de utilizar o maior número possível de dispositivos já disponíveis no LAMP. Desde modo, a modificação mais aparente, no que se refere à estrutura física original, se deu pela construção da estrutura responsável por simular a operação de um poço injetor de água para produção de petróleo com múltiplas zonas de produção.
A Figura 3.1 mostra uma imagem aérea, obtida com o uso de um drone, da estrutura física atual do LAMP. Estão enumerados os pontos em que se localizam os instrumentos da planta que são utilizados nas experiências de medição de vazão a partir da temperatura.
Figura 3.1: Imagem aérea - estrutura física de engenharia do Laboratório de Avaliação de Medição em Petróleo da UFRN. Fonte: Autoria própria (2018).
Os componentes identificados na imagem são: 1. Simulador do poço injetor.
2. Tanque 2. 3. Boiler de aquecimento. 4. Tanque 1. 5. Bomba 1. 6. Bomba 2. 7. Bomba 3.
8. Casa do compressor de ar. 9. Estação de trabalho.
10. Estrutura elétrica de acionamento das bombas e quadro de monitoramento das va- riáveis.
De posse da estrutura mecânica necessária para a realização das experiências, o de- senvolvimento desde trabalho se deu na integração desses dispositivos para obtenção de
3.2. OPERAÇÃO 25
um protótipo de testes totalmente automatizado. Com exceção das bombas, das válvulas pneumáticas e do compressor de ar, todos os demais componentes eletrônicos do sistema precisaram ser especificados, adquiridos e instalados. Para o início dos testes, foi necessá- ria uma avaliação dos procedimentos a serem seguidos e o comportamento das principais variáveis foi estimado. Nas seções seguintes o processo de medição de vazão no protótipo automatizado será detalhado, destacando a importância de cada dispositivo e os resultados da integração do sistema.
3.2
Operação
As experiências no protótipo de medição de vazão a partir de perfis de temperatura consistem em aferir a distribuição de vazão em um poço injetor com duas zonas de pro- dução a partir do perfil de temperatura formado ao longo da coluna de injeção. A variação de temperatura é obtida devido a troca de calor entre a água (previamente aquecida) e a formação geotérmica em que o poço está instalado. O método de medição é avaliado a partir da comparação dos resultados obtidos com as vazões medidas no protótipo a partir de sensores de fluxo instalados no poço.
A Figura 3.2 apresenta o diagrama de processo do protótipo. A nomenclatura adotada para a identificação dos dispositivos segue as recomendações da norma ANSI/ISA-5.1- 2009 Instrumentation Symbols and Identification. A figura fornece uma visão geral dos instrumentos instalados em campo que possuem papel ativo na realização das experiên- cias, e serve de guia para o entendimento da operação da planta. Os componentes estão listados na Tabela 3.1. Desses, apenas as válvulas pneumáticas e as bombas foram reuti- lizados dos projetos anteriores do LAMP.
Instrumento Identificação Funcional Quantidade
Medidor de Vazão FT 2 Medidor de Nível LT 2 Medidor de Temperatura TT 21 Válvulas Pneumáticas XV 5 Válvulas Manuais FV 2 Bombas BOMBA 2
3.2. OPERAÇÃO 27
A primeira condição para o início das experiências é que toda a água a ser utilizada esteja armazenada no tanque 1. Para isso, a quantidade deve estar definida e de acordo com o horizonte de tempo esperado para os testes. Além disso, toda a tubulação deve estar previamente preenchida. A operação geral do sistema pode ser dividida em dois circuitos (como indica a Figura 3.2): circuito 1, responsável por aquecer a água armazenada no tanque 1; e o circuito 2, em que a água aquecida é transferida para os caixotes que simulam o poço injetor do protótipo. As setas que acompanham a tubulação na Figura 3.2 indicam o sentido do fluxo de água que ocorre na planta.
• Operação do Circuito 1:
Iniciada a operação, a válvula pneumática XV21, de saída do tanque 1, deve ser aberta, a bomba 1 é acionada e faz a água circular através do aquecedor e então, retornar ao tanque 1 a uma temperatura mais elevada, estabelecendo o ciclo fechado de trabalho do circuito 1. Uma vez atingido o valor de temperatura adequado no tanque 1, a bomba 2 é acionada e a água aquecida é enviada ao outro ramo de operação.
• Operação do Circuito 2:
No circuito 2 ocorrem os experimentos de medição de vazão propriamente ditos. A água aquecida no circuito 1 é enviada, através da abertura da válvula XV22 e do acionamento da bomba 2, para o simulador do poço injetor. Aferições de temperatura e vazão são realizadas imediatamente antes da entrada do poço através dos sensores TT16 e FT01, respectivamente. A tubulação que simula a coluna de injeção do poço encontra-se enter- rada dentro de dois caixotes de areia responsáveis por simular a formação geológica em que o poço está instalado. Ao longo dessa tubulação foram distribuídos 16 sensores de temperatura (TT00 até TT15), com o objetivo de identificar a variação térmica ao longo das zonas de transporte, provocada pela troca de calor entre o fluido injetado e o solo. Na figura, a primeira zona de injeção divide o poço injetor duas zonas de transporte. Nesse ponto foi instalado um sensor de vazão (FT02) e uma válvula proporcional de controle (FV02). A alteração da abertura da válvula FV02 modifica a distribuição da vazão inje- tada ao longo do poço injetor, e assim é possível obter um novo perfil de temperaturas antes e depois da zona de injeção, de acordo com a modelagem matemática do sistema. O fechamento total da válvula FV02 configura a estrutura como um poço injetor com uma única zona de produção. A válvula FV01 é útil para promover ajustes mais precisos da distribuição da vazão entre as zonas. Logo, a variação forçada da vazão possibilita a análise de diferentes situações de operação. A mudança na rotação da bomba 2 também resulta em modificações na vazão de trabalho. Ao passar pelo simulador do poço injetor, o fluido de trabalho é transferido para o Tanque 2, onde fica temporariamente armazenado. Quando o nível no tanque 2 começa a subir, a bomba 3 é acionada para devolver o fluido para o tanque 1, completando assim o ciclo do circuito 2.
A intervenção humana na planta só é necessária quando a abertura das válvulas FV01 e FV02 precisa ser alterada. Comandos para as válvulas pneumáticas, acionamento do aquecedor e acionamento de bombas, assim como o monitoramento e aquisição de todas as variáveis do processo, são realizados a partir da estação de trabalho.
3.3
Instrumentação
A operação automatizada dos processos descritos na seção anterior é baseada no em- prego de dispositivos eletrônicos desenvolvidos para aplicações em sistemas industriais. São equipamentos fabricados de acordo com as normas e padrões nacionais e interna- cionais, que visam a execução da aplicação a qual foram destinados de forma flexível, segura, confiável e eficiente. Além disso, os instrumentos de medição utilizados são cali- brados em laboratórios acreditados de acordo com a norma NBR/IEC 17025, garantindo a confiabilidade e a repetibilidade das medidas realizadas nas experiências.
O protótipo instrumentado de medição de vazão adota o modelo hierárquico de qua- tro camadas definido por Zhang (2010) e encontrado na maioria dos sistemas industriais automatizados, são elas: produção, sistema, aplicação e interface homem-máquina. Os instrumentos de campo descritos na Tabela 3.1 representam a camada de produção que, de acordo com a definição e o que foi visto nas seções anteriores, são equipamentos que in- teragem fisicamente com as variáveis do processo, controlando e medindo todas as etapas de execução.
Estão representados na arquitetura do sistema (Figura 3.3), além dos dispositivos da camada de produção, os equipamentos da camada de sistema: controladores dos compo- nentes de campo e a topologia da rede de comunicação. O protótipo utiliza um Controla- dor Lógico-Programável (CLP) WEG TPW-03, três inversores de tensão e um contro-R
lador NOVUS N2000. Esses equipamentos possuem a interface de controle necessáriaR
para o acionamento dos atuadores e para aquisição das informações enviadas pelos sen- sores. Além disso, possuem uma estrutura de hardware e software para o processamento de informações e comunicação em rede. Os detalhes desses equipamentos e suas confi- gurações para a operação do protótipo serão exploradas nos subtópicos seguintes.
SENSORES SENSORES DE SENSORES DE VAZÃO DE NÍVEL TEMPERATURA ESTAÇÃO DE TRABALHO DE IMERSÃO BOMBAS DE DESLOCAMENTO CLP WEG VÁLVULAS PNEUMÁTICAS CONTROLADOR NOVUS N2000 DE TENSÃO INVERSORES MODBUS/RS-485 POSITIVO SENSORES DE TEMPERATURA RESISTORES TPW-03
Figura 3.3: Arquitetura do sistema. Fonte: Autoria própria (2018).
As especificações de meio físico em que a conexão em rede é estabelecida seguem o padrão RS-485. Nessa interface os dados são enviados e recebidos de forma sequencial através de um barramento (canal) de comunicação formado por uma conexão de três fios
3.3. INSTRUMENTAÇÃO 29
(positivo, negativo e GND). Definido pela Electronic Industry Alliance (EIA) e Telecom- munications Industry Alliance(TIA), o RS-485 é muito utilizado na industria por permitir a interligação de diferentes dispositivos através de uma configuração de rede simples e confiável. Nas configurações dos dispositivos conectados à rede devem ser especificados os endereços que os mesmos utilizam para envio e recepção de mensagens.
A Tabela 3.2 relaciona cada equipamento ao endereço correspondente configurado para arquitetura da Figura 3.3.
Dispositivo Endereço Estação de Trabalho 0 CLP 1 Novus 2 Inversor 1 3 Inversor 2 4 Inversor 3 5
Tabela 3.2: Relação de endereço de comunicação em rede dos equipamentos. Na camada de aplicação encontra-se o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) instalado na estação de trabalho. Trata-se de um software de moni- toramento, controle e aquisição de dados que é conectado aos equipamentos da camada de sistema com o objetivo de concentrar todas as informações da operação da planta e fornecer uma interface de alto nível ao operador, avisando-o sobre todos os eventos im- portantes para a operação da planta. No que diz respeito a camada de interface homem- máquina (IHM), pode-se tê-la distribuída em diversos equipamentos do sistema, sempre com o objetivo de otimizar a cooperação entre os dispositivos e os operadores do sistema e apresenta-se na forma de softwares, displays e botões.
3.3.1
Controlador Lógico-Programável
O CLP TPW-03 é um controlador de uso geral semi-modular, segundo a definição de Kuphaldt (2017), cuja unidade básica (Figura 3.4) permite a conexão de módulos com funções adicionais, que são instalados de acordo com a necessidade de cada sistema em que o CLP é utilizado.
Figura 3.4: Controlador lógico-programável WEG TPW03 - unidade básica. Fonte:R
Autoria própria (2018).
O módulo básico já incorpora fonte de alimentação e realiza as funções de proces- samento, memória, comunicação e entrada/saída de dados, logo, pode ser utilizado (sem a necessidade de módulos extra) em uma vasta gama de aplicações. Entre as principais características pode-se citar:
• Alta capacidade de processamento.
• Memória EEPROM interna com capacidade para o armazenamento de até 16 mil instruções.
• Portas digitais: 36 de entrada e 24 de saída.
• Interface para conexão com um barramento de rede RS-485. • Compatível com o protocolo MODBUS.
Estão disponíveis módulos para expansão do número de portas de entradas e saídas digitais, interface homem-máquina, entradas e saídas analógicas, fonte de alimentação e comunicação Profibus e Ethernet TCP/IP.
3.3. INSTRUMENTAÇÃO 31
A programação do CLP é realizada nas linguagens Ladder e Lista de Instruções atra- vés do software TPW03-PCLINK, disponibilizado pela WEG (Figura 3.5). No pro-R
grama é possível configurar os parâmetros básicos para operação do CLP e definir rotinas de programação para a operação da planta. O processador pode realizar instruções de operações matemáticas, temporizadores e interrupções.
Figura 3.5: Tela princial - software TPW03-PCLINK. Fonte: Autoria própria (2018).
Para aplicação no protótipo de medição de vazão, como indicado na arquitetura do sistema da Figura 3.3, o CLP é utilizado para o acionamento das válvulas pneumáticas e aquisição das informações dos sensores de nível, temperatura e vazão. A conexão com as válvulas foi realizada através das saídas ON/OFF digitais. Já para os sensores existiam duas possibilidades: a conexão digital através da interface de comunicação, ou analógica com o uso de módulos de expansão, modelo: TPW03-8AD, para a aquisição de variáveis analógicas. Uma análise em relação aos custos dessas duas tecnologias levou à escolha da interface analógica para a conexão, visto que cada sensor instalado deve possuir a inter- face eletrônica necessária e a transmissão analógica possui um menor valor de mercado.
Cada válvula de acionamento pneumático corresponde a uma saída digital do CLP. A abertura da válvula é realizada através da escrita do valor “1” no endereço de memó- ria correspondente à saída digital a qual o atuador da válvula está conectado. O valor “0” realiza o fechamento da válvula. Segundo as especificações do manual do CLP, a carga máxima para cada saída digital deve ser de 9 W. Logo, para a conexão das válvulas pneumáticas às saídas do CLP foi necessário o projeto de um circuito de acionamento.
A placa obtida, cujo circuito esquemático pode ser visto na Figura 3.6, recebe o sinal de baixa potência do CLP e comanda a abertura e fechamento das válvulas.
Figura 3.6: Circuito esquemático da placa de condicionamento. Fonte: Autoria própria (2018).
Na transmissão analógica, o sinal enviado ao CLP varia continuamente de forma pro- porcional à variável medida. A técnica eletrônica conhecida como loop de corrente é amplamente utilizada na industria e representa a grandeza por um sinal de corrente con- tínua de 4 À 20 mA (Freitas 2016). O sensor instalado na planta deve possuir um equi- pamento transmissor, responsável por realizar as conversões necessárias e enviar o sinal correspondente à unidade de controle central (no caso deste trabalho, o CLP).
A malha de conexão de cada sensor com o CLP foi realizada de acordo com a Figura 3.7.
Figura 3.7: Componentes típicos de uma malha de transmissão de sinal de corrente de 4 à 20 mA. Fonte: Freitas (2016).
3.3. INSTRUMENTAÇÃO 33
Para conexão de um total de 24 sensores, foi necessária a adição, à unidade básica do CLP, de três módulos de expansão para leitura de variáveis analógicas como o da Figura 3.8. Também foi necessária a utilização de uma fonte externa de alimentação, pois a fonte da unidade básica não possui potência suficiente.
Figura 3.8: Módulo de expansão TPW03-8AD para aquisição de sinais analógicos do CLP. Fonte: Autoria própria (2018).
Cada módulo de expansão permite a conexão de até 8 sinais sensores analógicos. Es- ses sinais podem ser na forma de tensão (0 à 10 V ou 0 à 5 V) ou na forma de corrente (0 à 20 mA ou 4 à 20 mA). O tipo de sinal deve ser configurado diretamente no módulo através da modificação do estado de um DIP-switch e via software, através da programa- ção dos registradores do CLP referente às características gerais da conexão. Devem ser configuradas também a quantidade de módulos a serem conectados à unidade básica e a quantidade de entradas previstas. Quando ajustado para trabalhar com uma entrada ana- lógica de 4 à 20 mA, cada entrada do módulo terá uma impedância de 250 Ω. O valor da impedância de entrada da porta é uma informação importante pois determina a variação da tensão que o CLP irá converter para determinar o valor da variável lida pelo sensor. O conversor analógico-digital do CLP representa o sinal de corrente, a partir da conver- são para um sinal de tensão, em uma palavra digital de 12 bits, mas utiliza apenas 2 mil palavras diferentes, com resolução de, aproximadamente 10 µA, e precisão de ±1%.
É comum a ocorrência de variações no valor digital de uma variável analógica que não representam uma mudança real da grandeza física. Essas variações são resultado de uma soma de efeitos que ocorrem na malha de aquisição de dados e geralmente são clas- sificadas como ruídos. O CLP WEG TPW-03 permite a implementação, via software,R
de um filtro com o objetivo de atenuar a influencia do ruído na qualidade do sinal medido. O filtro deve ser configurado de acordo com um dos modos de operação a seguir:
• Modo 1: após a coleta de 5 amostras consecutivas de uma mesma variável da planta, elimina-se os valores máximos e mínimos e obtém-se uma média dos 3 valores restantes. Essa média é o resultado final da conversão analógico-digital, e é atualizado a cada ciclo de varredura do CLP.
• Modo 2: é realizado o processo descrito no modo 1 por 5 vezes consecutivas e então calcula-se a média de cada resultado. Logo, nesse modo o resultado final da conversão analógico-digital é atualizado a cada 5 ciclos de varredura do CLP. • Modo 3: é realizado o processo descrito no modo 2 por 5 vezes consecutivas e
então calcula-se a média aritmética entre o maior e o menor valor. Dessa forma, nesse modo o resultado final da conversão analógico-digital é atualizado a cada 25 ciclos de varredura do CLP.
A aplicação para a qual as variáveis do CLP se destinam é o que determina o modo de operação do filtro analógico. A escolha deve ser resultado de uma análise em relação a velocidade da dinâmica das grandezas do sistema, do nível de ruído presente nas leituras e da qualidade exigida para o sinal filtrado. A configuração escolhida para este trabalho