Patentes de controle de bombas centrífugas

Nos últimos anos, as empresas do ramo vêm pesquisando e desenvolvendo tecnologias de controle de bombas centrífugas submersas tais como as reveladas pelos documentos: US5015151, US6585041, PI0603403-9 e US2009/0223662.

O documento Motor Controller for Electrical Submersible Pumps (Snyder, Jr. & Haws, 1991), propriedade intelectual da Shell Oil Company, trata de um método para desligamento automático do poço, em caso de bloqueio de gás ou pump off, a partir do

monitoramento da corrente média do motor. No entanto, a vida útil do sistema de bombeio depende do número de partidas e paradas (Camilleri & MacDonald, 2010), portanto, esta técnica apresenta o efeito colateral da redução da vida útil do motor que aciona a bomba de fundo.

O documento Virtual Sensors to Provide Expanded Downhole Instrumentation for

Electrical Submersible Pumps (Crossley, 2003), propriedade intelectual da Baker Hughes

Incorporated, trata de aplicação de simulação computacional para estimar valores de parâmetros úteis no controle da produção. O documento não revela quais variáveis seriam obtidas pela simulação numérica nem descreve o algoritmo de controle ou os modelos usados para estimar as variáveis.

O documento “Sistema de Controle de Processo por Meio da Variação Automática de Rotação de Bomba Centrifuga Associada do Posicionamento de Válvula de Controle” (Lima, E. V. H. et alli, 2006), propriedade intelectual da Petrobras, trata de um controle de vazão através da associação da variação da rotação da bomba à abertura ou fechamento de uma válvula de controle. Este documento não trata da aplicação específica de bombas centrífugas em poços de petróleo para produção de óleo cru.

No caso do poço de petróleo, devido o pequeno diâmetro do poço para alojar motores de alta potência num ambiente de alta temperatura, a introdução da válvula de controle implica em maiores demandas de potência do motor e maiores dissipações em forma de calor, o que não é desejável. Assim, parâmetros importantes como a proteção contra a alta temperatura do motor e o escoamento de fluidos sob interferência de gás simplesmente não são abordados.

O documento System, Method and Aparatus for Controlling the Flow Rate of an

Electrical Submersible Pump Based on Fluid Density (Shaw, C. K. et alli, 2009), propriedade

intelectual da Baker Hughes Incorporated, trata de invenção aplicável a operação e controle de sistemas de separação gás-líquido e bombeamento submarino, no qual a medição da fração de gás livre na sucção da bomba é fundamental. Esta medição é feita de forma indireta através de alterações em propriedades como a densidade média ou a capacitância do fluido. A patente não trata da aplicação da técnica a poços de petróleo, onde o diâmetro do poço é pequeno em relação aos requisitos de vazão e potência do motor, de modo a resolver algum problema específico como a interferência de gás nas bombas centrífugas ou o controle da temperatura do motor elétrico.

Nos documentos citados, parâmetros como a temperatura de funcionamento da bomba, são considerados apenas para desligar o motor em casos limítrofes de segurança do próprio equipamento, não sendo considerado em um controle fino do bombeio.

O espaço reduzido disponível para a instalação do equipamento de bombeio dentro do revestimento colabora para aumentar a perda de carga requerida para o escoamento na vazão solicitada pela bomba. A pressão na sucção pode cair abaixo do ponto de bolha. O reduzido espaço anular tubo-revestimento facilita a rápida perda de submergência.

Os controles, quando representativos para um cenário da indústria petrolífera de produção de petróleo através de poços equipados com bombas centrífugas submersas, resumem-se em ajuste manual da frequência e em sistemas de proteção, tais como: proteções contra superaquecimento do motor, contra vazão fora da faixa recomendável, bloqueio de gás ou interferência de gás, todas condições que resultam em oscilações na corrente de alimentação do motor, o qual é protegido por meio de intertravamento, que em último aspecto resulta em uma atuação binária, liga-desliga, que reduz drasticamente a vida útil do equipamento de bombeio. No modo de controle I-limit, a frequência também é definida pelo usuário, sendo que se for atingido um limite de corrente previamente estabelecido, o sistema corrige a frequência de modo a obedecer este limite.

O enfoque deste trabalho objetiva dimensionar e estruturar um sistema de controle de bombeio significativamente mais eficiente, capaz de otimizar a produção de óleo, mantendo as condições operacionais dentro de limites aceitáveis, garantindo a maior vida útil possível do equipamento de bombeio, o que é extremamente desejável do ponto de vista econômico, uma vez que a produção será máxima e os custos operacionais serão mínimos.

As vantagens que o sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo proposto neste trabalho se propõe alcançar encontram-se a seguir enumeradas:

a. eliminar o controle com atuações liga-desliga o equipamento de bombeio; b. permitir automação parcial ou total do controle de bombeio;

c. melhorar as condições operacionais do equipamento de bombeio; d. aumentar a vida útil do equipamento de bombeio;

e. manter o nível de submergência do equipamento de bombeio sempre estável e próximo de um limite mínimo.

Neste capítulo foram apresentadas as principais técnicas desenvolvidas para o controle de bombas centrífugas e suas limitações. Ficou claro que há espaço para avanços no sentido de se desenvolver um método de controle que possibilite manter a bomba em condições operacionais adequadas, minimizar as atuações liga-desliga, obtendo a máxima vazão possível, sem prejuízo da vida útil do conjunto de fundo.