SUMÁRIO
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Bombeamento Centrífugo
2.2.2. Monte Verde (2011)
O autor realizou uma série de estudos experimentais no Labpetro – Cepetro – Unicamp para determinar o efeito do manuseador de gás AGH sobre uma BCS instalada a jusante. Além de avaliar os efeitos da fração volumétrica de gás , W e da pressão absoluta de entrada na bomba @…+ , W, previamente analisados por Romero (1999), foi abordado o efeito da rotação : e incluídos testes de visualização do escoamento bifásico.
Assim como Romero (1999), não foram constatadas diferenças significativas no desempenho da BCS devido à instalação do AGH a montante.
O ganho de pressão normalizado ∆@W e da vazão normalizada W são definidos pelas Equações (2-68) e (2-69), onde ∆@BU0 W, é o ganho de pressão no ponto de “shut in” monofásico e ( mW '(,, é a vazão de “open flow” monofásica:
∆CW = ∆@
∆@BU0 W, (2-68)
&W=
( mW '(,, (2-69)
A Figura 2.8 mostra o efeito da rotação : sobre a BCS GN7000 representado a vazão volumétrica e o ganho de pressão sob forma normalizada:
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Figura 2.8 – Efeito da Rotação sobre o Desempenho da BCS GN7000 para uma Pressão de Admissão de 50 kPa e uma Fração Volumétrica de Gás λg de 6%. – Fonte: Monte Verde (2011)
2.2.3. Camilleri et al. (2011)
Manuseadores de gás com tecnologia Poseidon foram instalados em três poços produtores de óleo da concessão Kombi-Likalala-Libombo, situada na plataforma continental do Congo e operada pela Total (65%) em parceria com a ENI (35%).
Os campos entraram em produção em 1999. A produção de Likalala é enviada através de um duto multifásico de 18 km até o campo de Kombi. As produções de Likalala e de Kombi são então exportadas através de outro duto multifásico, com 16 km de comprimento, até a plataforma de processamento de fluidos de Yanga.
Os três poços (Likalala-106, Likalala-112 e Kombi-102) produzem de zonas do albiano, contendo óleo com viscosidade de até 1.5 @ . Os poços são horizontais, com uma profundidade de aproximadamente 1000 , e comprimento do trecho horizontal respectivamente de 450 , 700 e 1500 .
Todos os poços são equipados com separadores de gás de fundo (modelo VGSA 70- 150) e com “packers” dotados de válvula para que o gás separado possa escoar pelo anular do poço. O esquema de completação típico dos poços é apresentado na Figura 2.9, ressaltando a existência de um manuseador de gás Poseidon de 15 estágios a montante das bombas BCS SN8500:
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Figura 2.9 – Esquema de Completação dos Poços de Likalala-106, Likalala-112 e Kombi-102 – Fonte: Camilleri et al. (2011)
Há medidores de vazão multifásica instalados nas cabeças dos poços para determinar o gás produzido através da coluna de produção e a fração volumétrica de gás na admissão do manuseador de gás. Há um medidor de vazão adicional para determinar a vazão de gás através do anular do poço, permitindo calcular a eficiência do separador. Também são instalados sensores de pressão na admissão e descarga da bomba.
Testes em Campo
Foi detectado que os separadores de gás operando em campo sofreram uma redução de eficiência de separação em relação aos ensaios em laboratório. Os autores sugerem que esta diferença de eficiência é ocasionada pela válvula de venteio do “packer”, atuando como uma restrição, e pelo fato das vazões de líquido em campo serem maiores que as vazões dos
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testes. A seguir são descritos os resultados obtidos com a instalação do manuseador de gás Poseidon em cada um dos poços:
Likalala-106
Antes da instalação do manuseador Poseidon, o poço Likalala-106 estava completado com um separador de gás, um manuseador de gás convencional e uma BCS. O “drawdown” do poço estava restrito em decorrência da fração de gás na admissão da BCS, em torno de 50 %. A pressão manométrica de admissão da BCS esteve entre 38 e 41 • e a vazão em torno de 500 < Q/Q .
Em setembro de 2016 instalou-se o manuseador de gás Poseidon. O sistema operou desta forma durante aproximadamente um ano. Entre setembro de 2006 e agosto de 2007 a fração de volumétrica de gás do primeiro estado da BCS ultrapassou 67%, enquanto que a pressão manométrica de fundo foi reduzida para aproximadamente 15 •. O incremento de vazão foi relativamente modesto, em torno de 50 < Q/Q . Na realidade, o manuseador de gás impediu que a depleção do reservatório diminuísse as vazões produzidas, pois a pressão estática absoluta do reservatório passou de 81 para 75 •.
Likalala-112
O poço Likalala-112 foi completado com um manuseador de gás Poseidon, não havendo dados sem o dispositivo para a realização de um estudo comparativo. A fração volumétrica de gás na admissão do Poseidon durante os testes de produção foi extremamente elevada, em torno de 80 %, com instabilidades na pressão da cabeça do poço. Foi atingida uma condição estável de produção para uma fração volumétrica de gás na entrada do Poseidon em torno de 70 % , correspondendo a uma pressão manométrica de fundo de aproximadamente 56 • para uma vazão de 450 < Q/Q .
Kombi-102
Antes da instalação do manuseador de gás Poseidon, o poço Kombi-102 operou de forma instável, com oscilações na pressão da cabeça do poço de até 25 •, acompanhadas por flutuações da corrente elétrica do motor. A fração volumétrica de gás no primeiro estágio da BCS foi estimada entre 40 % e 50 %.
Em janeiro de 2007 foi instalada uma BCS equipada com um manuseador de gás Poseidon, adotando a mesma configuração empregada no poço Likalala-106. Observou-se a estabilização dos parâmetros de produção e a suspensão das paradas de produção e repartidas por “gas locking”. Entre janeiro e março de 2007 a fração volumétrica de gás no
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primeiro estágio do Poseidon ultrapassou 45 %. A pressão de fundo esteve entre 8 e 10 •, permitindo aumentar a vazão produzida de 600 < Q/Q para mais de 900 < Q/Q .
Fator de Turpin
O fator de Turpin (1986), representado por Ú!U- W, é definido pela Equação (2-70), onde é a vazão de gás, ˆ é a vazão de líquido e @W é a pressão de admissão:
Ú!U- W = 2000 3 @ 4 Ž8 (2-70)
A razão § ⁄ ª entre as vazões das fases é conhecida como GLR – “Gas to Liquid ˆ Ratio”, isto é, a razão gás-líquido. Para os equipamentos testados por Turpin (1986) foi observado que para Ú!U- W ≥ 1 a bomba sofria uma forte degradação no ganho de pressão, eventualmente acompanhada pelo bloqueio de dás.
Camilleri et al. (2011) observaram a operação estável dos poços equipados com Poseidon para Ú!U- W = 3, apesar da degradação pronunciada do ganho de pressão. Isto mostra que este manuseador de gás é menos susceptível ao aumento da GLR do que as bombas testadas por Turpin (1986).
Degradação Bifásica
Camilleri et al. (2011) forneceram algumas explicações justificando o melhor desempenho dos equipamentos axiais para fluidos bifásicos. Nos impelidores com escoamento axial os campos de força centrífugo e de Coriolis têm sentidos opostos, reduzindo a tendência de separação das fases. O formato do “hub” favorece o escoamento cruzado nos canais dos impelidores. A aceleração de ambas as fases evita o acúmulo de gás na entrada do primeiro estágio do sistema de bombeamento. O gradiente de pressões a montante da BCS favorece a operação com maiores frações volumétricas de gás.
Constatou-se a degradação tanto do ganho de pressão quanto da eficiência para os equipamentos operando em condição bifásica em relação aos testes API monofásicos, realizados com água.
Representando por >B e >K os fatores de correção associados à altura de elevação e à eficiência, a pressão de descarga @(U0 do equipamento e a potência de eixo baB* 0 para operação em regime permanente são expressas pelas Equações (2-71) e (2-72):
99 @(U0− @W = >B B(. h0 W(2 Q (2-71) baB* 0= p j ¥@Ñ >(U0− @W¦ K W(2 Q (2-72)
A massa específica da mistura B(. para cada um dos estágios é calculada supondo escoamento homogêmeo. Os autores assumem, de maneira simplificada, que as funções >K e >B são iguais entre si e dependentes apenas da fração volumétrica de gás segundo um polinômio de terceiro grau, sujeito a um conjunto de restrições. Os autores mencionam que os fatores de correção não são necessariamente iguais entre si e que deveriam considerar também o efeito da rotação, da pressão de admissão, da razão entre as massas específicas das fases e do ponto de operação (vazão) em relação ao BEP. As curvas ajustadas forneceram resultados aceitáveis.
2.2.4. Bagci et al. (2010)
Os autores mencionam que as bombas centrífugas convencionais admitem até 20% de gás para as condições de admissão. Frações de gás maiores requerem o emprego ou de separadores de gás de fundo ou de manuseadores de gás.
Os manuseadores de gás convencionais, cujas geometrias se baseiam em alterações das bombas centrífugas, podem operar com frações de gás de até 45%, atingindo vazões entre 10.000 e 25.000 bpd para as condições de admissão e demandando uma potência de até 100 HP.
Para maiores quantidades de gás é necessário empregar separadores de fundo ou manuseadores com geometrias especiais, baseadas, por exemplo, nas bombas multifásicas rotativas axiais, como o Poseidon.
O manuseador de gás Poseidon permite trabalhar com até 75% de gás para uma frequência de operação de 65 Hz, atingindo vazões de mistura em torno de 9000 bpd para as condições de admissão. Estas frações de gás não poderiam ser produzidas empregando manuseadores com geometria convencional.
A Figura 2.10 (cortesia Schlumberger, não pertencente ao artigo mencionado) mostra a geometria do AGH (geometria baseada na BCS) e do Poseidon (geometria especial baseada em bomba multifásica axial):
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(a) (b)
Figura 2.10 – Comparação das Geometrias de Manuseadores de Gás Comerciais: (a) AGH, (b) Poseidon – Cortesia Schlumberger (2016).
Em algumas situações os manuseadores de gás Poseidon permitem eliminar os separadores de gás de fundo. Também ocorre a redução dos casos de bloqueio de gás na bomba centrífuga e a estabilização da corrente elétrica do motor, aumentando o tempo médio entre falhas dos equipamentos.
2.2.5. Foresti et al. (2015)
Os autores realizaram um conjunto de testes experimentais no NEAT – Núcleo Experimental de Atalaia – localizado em Aracajú (Petrobras).
Foi testado o equipamento mostrado na Figura 2.11, composto por 17 estágios de um manuseador de gás comercial com geometria hélico-axial modelo D8-42 em série com 22 estágios de uma BCS modelo D4300N.
O conjunto motor-manuseador-BCS foi montado em um “jig” equipado com medidores de temperatura, pressão e vazão de cada uma das fases. Os testes empregaram como fluido de trabalho óleo de Bonsucesso (corte de água de 3,14%) e gás de Atalaia. Os dois fluidos são homogeneizados através de um misturador do tipo tubo perfurado. Na admissão do “jig” foi instalado um sensor de golfadas, que mede as variações da impedância elétrica do fluido produzido e interpreta o padrão de escoamento. Não foram realizadas medições da temperatura da carcaça do motor.
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Figura 2.11 – Esquemático do Equipamento Testado por Foresti et al. (2015)
A descrição do equipamento mostrado na Figura 2.11 é apresentada na Tabela 2.5, sendo as potências referentes a operação em 60 Hz:
Tabela 2.5 – Equipamento Testado por Foresti et al. (2015)
Item Diâmetro Externo [ in ] Comprimento [ m ] Vazões [ m³/d ] Potência [ HP ] 1 Descarga Standard 400 Series 4 0.24 2 BCS 22 x D4300N 4 2.00 530-820 11.4 3 Manuseador de Gás 17 x D8-42 4 2.10 127-668 4.6 4 Admissão Standard 400 Series 4 0.30 5 Protetor LSBSB 400/456 4 2.50 6 Motor Dominator 456 Series 4.56 2.30 36
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O conjunto motor-manuseador-BCS foi instalado em uma cápsula e equipado com uma “shroud”. O sensor para medição da pressão de entrada é instalado a montante dos dutos, havendo perdas de carga entre o sensor e a entrada do conjunto. Tais perdas não ocorrem para o sensor de descarga.
Não foi possível instalar trocadores de calor, havendo variações da temperatura do fluido de trabalho, com a consequente variação de suas propriedades (massa específica e viscosidade), afetando o desempenho do sistema de elevação artificial em teste.
O ajuste das condições de teste é iterativo. Ao total foram realizadas 207.5 horas de teste durante 45 dias. Foram realizados três tipos de teste: monofásicos, bifásicos e de longa duração. Cerca de 170 horas se destinaram aos testes bifásicos. Devido ao cronograma dos testes, o sistema sofreu 27 repartidas, sem falhas. Apesar de terem sido realizados testes com alta fração volumétrica de gás , foram observadas apenas oscilações de pequena amplitude na corrente elétrica do motor.
Testes Monofásicos
Os ensaios monofásicos com óleo foram realizados nas pressões de admissão de 15 e 25 kgf/cm² para as seguintes vazões volumétricas: 127, 262, 397, 533, 556 e 656 m³/dia. Para a vazão de 656 m³/dia o diferencial de pressão foi negativo.
A Figura 2.12 mostra os pontos experimentais, a curva de referência monofásica fornecida pelo fabricante para operação com água e as curvas corrigidas pelas correlações do ANSI-HI (2004) para as condições de massa específica e viscosidade do teste:
Figura 2.12 – Curvas de Referência e Resultados Experimentais com Fluidos Viscosos para os Ensaios Monofásicos realizados por Foresti et al. (2015)
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Observa-se o aumento das perdas viscosas com o aumento das vazões e da viscosidade do fluido de trabalho. As correções previstas pelo ANSI-HI (2004) não representam adequadamente os dados experimentais. Os autores mencionam que uma possível razão para estas discrepâncias está no fato das correlações serem destinadas a impelidores radiais, enquanto que o manuseador D8-42 tem geometria axial e a BCS modelo D4300N tem geometria mista.
Testes Bifásicos
Os testes bifásicos foram realizados para as condições indicadas na Tabela 2.6:
Tabela 2.6 –Testes Bifásicos realizados por Foresti et al. (2015)
Pressões de admissão 15 e 25 kgf/cm²
Vazões de mistura para a admissão 127, 262, 397, 533 m³/dia
Frações volumétricas de gás 0; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 60 e 75 %
Conceitualmente, o ponto de “surging” de cada “performance test” (fração volumétrica de gás constante) corresponde ao ponto de máximo ganho de pressão para um ensaio em que se mantém constante a viscosidade da fase líquida. Não foi possível manter a viscosidade da fase líquida durante os ensaios, impedindo avaliar os resultados segundo este critério.
Os autores adotaram uma metodologia própria para a análise os ensaios bifásicos, que consiste em manter constantes a vazão volumétrica de mistura e a pressão de admissão em cada curva e representar o ganho de pressão em função da fração volumétrica de gás . Segundo a metodologia proposta, o ponto de “surging” é caracterizado por uma redução abrupta no ganho de pressão.
Os resultados dos ensaios experimentais bifásicos encontram-se na Figura 2.13. O aumento da fração volumétrica de gás causou a alteração o padrão de escoamento na entrada do equipamento, passado de bolha dispersas para golfadas. Mesmo para a condição de “surging” definida pelos autores não foram observadas oscilações significativas nas variáveis medidas
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Figura 2.13 – Ganho de Pressão em Função da Fração Volumétrica de Gás para os Ensaios Bifásicos realizados por Foresti et al. (2015)
Ensaios Bifásicos de Longa Duração
Para os testes bifásicos de longa duração, o equipamento operou durante 37.5 ℎ—• com uma fração volumétrica de gás entre 60 % e 65 % , pressão de admissão de 20.2 F L/ e vazão volumétrica de mistura de 383.4 </Q . Após 13 ℎ—• de teste houve uma parada devido ao sistema supervisório, com a repartida e operação durante 24 ℎ—• . Os testes de longa duração permitiram avaliar a robustez do equipamento e o aquecimento do motor elétrico. A temperatura da admissão variou entre 30 e 40 ℃, com variação da viscosidade entre 322 e 160 @. Apesar das variações de viscosidade, as variações do ganho de pressão foram de pequena amplitude.
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