3.4 Utilização de BCS em Condições Especiais e Am-
bientes Agressivos
Os poços de petróleo normalmente produzem uma mistura de petróleo, água e gás natural, e ocasionalmente areia, hidratos de gás natural e para nas. A transferência dessa mistura através de uma linha de produção para uma central de facilidades de tratamento é conhe- cida como sistema de produção multifásico. E essa natureza multifásica do petróleo não é compatível com os dispositivos usuais de bombeamento. As características físico-químicas do uido multifásico com a presença de altas frações de gás, alta viscosidade, teor de água e para nas afetam diretamente o funcionamento das bombas (Lea, 1982). Além disso, o ambiente submerso pode sofrer mudanças drasticamente em seus per s de temperatura e pressão, quando comparado às instalações de superfície.
Apenas o desenvolvimento tecnológico na produção de materiais especiais, automação com sensoriamento remoto, controle de capacidade e procedimentos operacionais especí- cos podem fazer com que o conjunto possa ter sua vida útil maximizada e, consequente- mente, sejam mantidos em níveis competitivos os custos operacionais das instalações de produção.
Na indústria do petróleo a ocorrência de escoamento multifásico é comum em todo o percurso dos uidos, entre as instalações de produção, transporte e re no dos uidos. Esse tipo de escoamento ocorre desde a rocha reservatório até as unidades de separação, passando pelas colunas de produção e linhas de transferência para unidades de re no (Shoham, 2006). A distribuição física das fases dentro da tubulação é conhecida como padrão de escoamento ou regime de uxo, e depende das propriedades do uido envolvidos (tensão super cial, densidade e viscosidade) e da geometria do sistema. A classi cação mais comumente empregada, de acordo com (Shoham, 2006), identi ca os padrões de escoamento como: bolha, golfada, transição e anular, conforme exibido na gura 3.10.
A presença de gás livre é reconhecida como tendo um efeito prejudicial sobre o desempenho de qualquer bomba centrífuga seja um equipamento de instalação vertical ou horizontal. particularmente, nas bombas centrífugas submersas, dependendo da quantidade de gás livre que escoa através da bomba, estes efeitos podem variar de ligeira interferência ao bloqueio de gás. A situação de bloqueio de gás (gas lock) ocorre quando a bomba succiona muito gás e realmente deixar de bombear uidos porque o head é drasticamente reduzido, o que pode acarretar o desligamento do motor elétrico que aciona o conjunto, por causa de uma subcarga excessiva (atuação do sistema de proteção que controla o conjunto contra defeitos elétricos). Dessa maneira, ao se projetar uma bomba submersível elétrica para uma aplicação com gás, é fundamental saber a quantidade de gás livre que a bomba pode tolerar e comparar essa quantidade com as condições de gás de fundo de poço.
Em relação aos limites para operação estável de bombas centrífugas na presença de gás livre, o índice de Turpin relaciona as vazões de óleo e de gás com a pressão na sucção da bomba para se determinar quando há degradação na capacidade da bomba (Costa, 2012), sendo expresso pela equação (3.8).
τ = 2000(qg/ql) 3psuc
(3.8) em que psuc representa a pressão de sucção da bomba, de nida em psi, ql a vazão de
líquido e qg a vazão de gás, ambas em bpd. Quando o índice de Turpin for superior a
1 (τ > 1), signi ca que a bomba opera em uma região de instabilidade, caso contrário (τ < 1) a bomba opera de maneira estável.
A vazão de gás na subsuperfície, de acordo com as de nições descritas por (Takacs, 2009), é calculada pela seguinte equação:
qg = qo(RGO − Rs)Bg(1 − ηsn) (3.9)
em que, qo representa a vazão volumétrica de óleo nas condições base, o RGO representa
a razão gás-óleo da produção, Bg é o fator de volume para o gás e ηsn signi ca a e ciência
natural de separação do gás no fundo do poço.
A vazão de líquidos in situ pode ser calculada com base na vazão de óleo (qo), nos fatores
de volume para o óleo (Bo) e para a água (Ba), e na razão da água produzida em relação
ao petróleo (W OR), de acordo com a equação:
ql = qo(Bo+ BaW OR) (3.10)
Gra camente, as relações entre as frações de gás e as pressões na sucção da bomba estão apresentadas na gura 3.11, em que há separação entre as regiões de produção em condição estável e, na outra região, a situação de produção instável ocasionada pela presença de gás.
A equação (3.10) é válida para o modelo homogêneo, de nido por (Prado, 2007), no qual considera-se que as fases líquida e gasosa se comportam como uma mistura homo- gênea, sem escorregamento entre as fases, isto é, sem que a fase gasosa ultrapasse a fase líquida, durante o escoamento.
3.4. UTILIZAÇÃO DE BCS EM CONDIÇÕES ESPECIAIS E AMBIENTES AGRESSIVOS29
Figura 3.11: Correlação de Turpin para bombas centrífugas. Fonte: Thomas (2001). O desempenho de uma bomba centrífuga operando com uidos viscosos apresenta diferenças quando comparados a uma situação no qual o uido bombeado é a água, cuja convenção estabelece temperatura de 20◦Ce viscosidade de 1 cP. Há quedas na e ciência
causadas por atritos tanto na sucção quanto no rotor, devido ao aumento da viscosidade. Para iguais vazões, se houver aumento da viscosidade os resultados serão menores para o head e rendimento, e maior potência efetiva requerida. Ou seja, uma bomba operando em determinada rotação, bombeando líquido de maior viscosidade, vai atingir menor head a uma maior potência.
O método do Hydraulics Institute é baseado em testes com bombas convencionais de um estágio operando com óleos de diferentes viscosidades. Os resultaram foram expressos em ábacos, conforme apresentado na gura 3.12, em que se tem a média dos testes para bombas com diâmetro do rotor igual ou menor a uma polegada. Quando são conhecidas a vazão (qagua), o head (Hagua) e a e ciência (ηagua) para a bomba operando com água,
tem-se para a bomba operando com uido viscoso: (qoleo = Cqqoleo), (Holeo = CHHagua)
e (ηoleo = Cηηagua), nas quais os termos Cq, CH e Cη representam os fatores de correção
para vazão, head e rendimento, respectivamente. Posteriormente, o trabalho de Turzo (Turzo, 2000) apresentou correlações que permitem a determinação da vazão volumétrica e o head para o ponto de melhor e ciência operacional (qBEP, HBEP).
Por último, a presença de partículas sólidas no uido produzido tem efeito primordial nos danos causados a bomba por abrasão e erosão. A agressividade dos sólidos e areia presentes são proporcionais à dureza que a substância representa quando comparada à resistência dos materiais utilizados na fabricação dos componentes dos conjuntos de BCS. Notadamente, quando há um percentual de amostras de quartzo (mais duro que os mate- riais dos estágios e rolamentos), em granulometria da ordem de 50 a 250 mícrons, existe uma maior probabilidade de se penetrar nas folgas existentes entre as peças e causar danos aos internos da bomba. A areia também causa desgastes aos internos da bomba, embora de maneira menos preocupante, por possuir grãos de formatos mais suaves e arredondados.
Figura 3.12: Bomba centrífuga operando a diferentes valores de viscosidade. Fonte: Vieira (2008).
3.4.1 Lei das A nidades
A maior parte das bombas centrífugas instaladas em processos industriais opera em uma velocidade constante, tendo seu funcionamento decorrente do fornecimento de potência elétrica provida por um elemento acionador a uma frequência constante. Quando a velo- cidade é modi cada, as curvas características sofrem alterações, o que ocorre de maneira proporcional de nida pelas leis das a nidades, que relacionam a velocidade rotacional da bomba e seus principais parâmetros: vazão, potência e e ciência, conforme mostrado na gura 3.13. A importância de tais leis decorre de sua aplicação nos sistemas acionados por variadores de frequência, possibilitando a aplicação de diversas técnicas de controle para a obtenção dos melhores resultados, próximos da melhor e ciência operacional. Da mesma forma, pode-se mencionar também que as leis de a nidade são aplicáveis em situações nas quais se quer determinar a modi cação de parâmetros quando há mudança no diâmetro do impelidor da bomba. Para a variação na vazão pode-se a rmar que esta é diretamente proporcional à variação da velocidade, conforme apresentado pela equação a seguir:
Q2 = Q1
N2
N1
(3.11) Para o head e a potência, as mudanças ocorrem proporcionalmente ao quadrado e o cubo da variação da rotação da bomba, respectivamente, quais sejam:
H2 = H1 N2 N1 2 (3.12) P ot2 = P ot1 N2 N1 3 (3.13)
3.5. APLICAÇÕES DE VARIADORES DE FREQUÊNCIA NO ACIONAMENTO DE BCS31