Implementação de sistema de transmissão de dados através da linha de potência dos poços com o método de elevação bombeio centrífugo submerso

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UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE

UNIVERSIDADEFEDERAL DORIOGRANDE DO NORTE

CENTRO DETECNOLOGIA

PROGRAMA DEPÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIAELÉTRICA E

COMPUTAÇÃO

Implementação de Sistema de Transmissão de

Dados Através da Linha de Potência dos Poços

com o Método de Elevação Bombeio Centrífugo

Submerso

Diego Antonio de Moura Fonsêca

Orientador: Prof. Dr. Andres Ortiz Salazar

Tese de Doutorado apresentada ao Pro-grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Automação e Sistemas) Dou-tor em Ciências.

Número de ordem PPgEE: D224

Natal, RN, 31 de Agosto de 2018

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Fonseca, Diego Antonio de Moura.

Implementação de sistema de transmissão de dados através da linha de potência dos poços com o método de elevação bombeio centrífugo submerso / Diego Antonio de Moura Fonseca. - 2018. 91 f.: il.

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. Natal, RN, 2018. Orientador: Prof. Dr. Andres Ortiz Salazar.

1. Bombeio Centrífugo Submerso - Tese. 2. Power line communication - Tese. 3. Interface de acoplamento - Tese. 4. Comunicação Industrial - Tese. I. Salazar, Andres Ortiz. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 621.67(043)

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

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Aos meus avós, vovô Gilberto (in

memorian) e vovó Chiquinha (in

memorian), pelos inspiradores

exemplos de dedicação e coragem.

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Agradecimentos

A Deus pelo dom da vida e por me permitir chegar até aqui tanto na vida pessoal quanto profissional.

Aos meus pais Peres e Gilena, minhas irmãs Dally e Dany que me deram carinho, apoio e compreenderam pelas vezes que pude estar presente, e não foram poucas.

Aos meus sobrinhos Bianca e Davi pela pureza no sorriso, brincadeiras e momentos de alegrias.

À minha esposa Raline, pelo carinho, companheirismo, paciência, compreensão e por sempre caminhar ao meu lado nos momentos de dificuldade.

À minha filha Lorena, meu bem mais precioso e fonte inesgotável de ânimo e alegria. Um agradecimento especial ao professor Ortiz, que foi mais que um orientador, um amigo. Agradeço pela oportunidade de me orientar nesta jornada, pelos conselhos e en-sinamentos a mim passados, pelo zelo que tem por seus orientandos, por sempre estar abrindo uma porta para o meu crescimento profissional....e como bem disse Jefferson Do-olan a respeito de Ortiz: "Onde se trabalham 100, tabalham 101, 102... Ortiz sempre arranja lugar para quem quer trabalhar". Não poderia ter tido orientador melhor. Aos professores da banca, Maitelli, Alexandre, Filipe e João Teixeira pelas considerações e contribuições para o aprimoramento do trabalho.

Aos companheiros do LAMP, Werbet, Glauco, Fabrício, Gustavo, Alan, Carlos, Xian, Rafael, Coxinha, João Paulo, Felipe, Heitor e Tomaz pelas contribuições e apoio neste trabalho e momentos de descontração.

Ao pessoal da limpeza, Seu Raimundo e Maria (autoridade) pelo cuidado com a limpeza do laboratório e o cafezinho da tarde que ela preparava com amor.

A Stênio por disponibilizar a estrutura BCS para realizar os testes em campo. A todos que de alguma forma constribuíram para a conclusão deste trabalho.

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Resumo

O Power Line Communication(PLC) é uma tecnologia de transferência de dados bas-tante difundida no meio industrial. Na área do petróleo essa tecnologia é aplicada no método de elevação artificial por Bombeio Centrífugo Submerso (BCS) na transferência de dados do fundo do poço à superfície pelo mesmo cabo que alimenta o motor. Na primeira parte do trabalho características elétricas, como indutâncias distribuídas, capaci-tâncias, impedâncias, etc., de um cabo BCS de 2.236 metros são medidas e, a partir dessas medições, é elaborado um modelo elétrico que reproduz o comportamento de impedância para uma faixa de frequência de 20 Hz a 10 MHz. Na sequência, o protótipo de um sis-tema de transferência de dados é desenvolvido para o envio de informações das variáveis mensuradas no fundo do poço à superfíce, proporcionando aos operadores e especialistas uma visão geral do comportamento da bomba e motor. A transferência dos dados acon-tece de forma serial, por sinal de corrente CC, com o cabo trifásico visto com condutor único e o terra como caminho de retorno. Um protocolo de comunicação foi desenvol-vido, garantindo a interação entre os módulos. Os protótipos são avaliados, inicialmente, em laboratório com um arranjo de equipamentos que propicia um cenário simplificado do sistema BCS. Em uma situação mais realista, os módulos foram submetidos a condições reais de operação através de testes em um poço de testes com 30 metros de profundidade equipado com elementos BCS. De uma forma geral, os resultados finais alcançados com os protótipos transmissor e receptor, principalmente considerando o poço com instalação BCS, comprovaram sua eficiência diante da baixa perda de pacotes.

Palavras-chave: Power line communication, Interface de acoplamento, Bombeio Cen-trífugo Submerso, Comunicação Industrial.

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Abstract

Power Line Communication (PLC) is a widely used data transfer technology in the industrial world. In the petroleum industry, this technology has been applied to the artifi-cial lift method using the Electrical Submersible Pump (ESP) to transfer the data from the bottom of the well to the surface through the same cable that feeds the motor. In the first part of this project, electrical characteristics of a 2,236 meters long ESP cable were mea-sured, such as distributed inductances, capacitances, and impedances. An electric model elaborated from these measurements proposes to reproduce the impedance behavior for a range of frequency from 20 Hz to 10 MHz. The prototype of a data transfer system was developed to send up information about measured variables to the bottom of the well, providing operators and experts an overview about the behavior of the pump and motor. The data transfer took place serially, by DC current signal, with the three-phase cable as a single conductor and the ground connection/wire as a return path. A communication protocol has been developed, ensuring interaction between the modules. The prototypes were initially evaluated in the laboratory with an equipment arrangement that provides a simplified scenario of the ESP system. In a more realistic situation, the modules have been undergone to actual operating conditions through testing in a 30-meter-deep test with ESP equipment. In general, the final results achieved with the transmitter and recei-ver prototypes, especially considering the ESP installation, have proved their efficiency in the face of low packet loss.

Keywords: Power Line Communication, Coupling Interface, Electrical Submersible Pump, Industrial Communication.

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Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas vi

Lista de Símbolos e Abreviaturas vii

1 Introdução 1 1.1 Tema e Justificativa . . . 3 1.2 Objetivos do trabalho . . . 6 1.2.1 Objetivo Geral . . . 6 1.2.2 Objetivos Específicos . . . 6 1.2.3 Contribuições . . . 6 1.3 Apresentação e Organização . . . 7 2 Referencial Teórico 8 2.1 Bombeio Centrífugo Submerso - BCS . . . 8

2.1.1 Equipamentos do BCS . . . 9

2.1.2 Fatores que comprometem o desempenho do BCS . . . 16

2.2 PLC sobre o cabo de potência do motor . . . 20

2.2.1 Modelo elétrico do cabo trifásico . . . 20

2.2.2 Inversor de frequência em canais PLC . . . 24

2.2.3 Loopde corrente . . . 25

2.2.4 Fonte e tipos de ruído . . . 26

2.2.5 Interface de acoplamento de superfície . . . 29

2.3 Conclusão . . . 32

3 Metodologia e Viabilidade 33 3.1 Sistema emulador do BCS . . . 33

3.2 Hardware . . . 35 i

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3.2.1 Fonte de subsuperfície . . . 35 3.2.2 Circuito transmissor . . . 37 3.2.3 Acoplamento subsuperfície . . . 44 3.2.4 Acoplamento superfície . . . 46 3.2.5 Circuito receptor . . . 49 3.3 Conclusão . . . 53 4 Resultados e Discussão 54 4.1 Resultados de simulação . . . 54

4.2 Teste de transferência de dados em laboratório com o sistema emulador BCS . . . 56

4.3 Teste de transferência de dados em campo com o sistema BCS em operação 59 4.4 Conclusão . . . 67

5 Conclusões Gerais e Trabalhos Futuros 68

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Lista de Figuras

1.1 Comparativo entre manutenção preditiva e corretiva. . . 5

2.1 Equipamentos integrantes do método de elevação por BCS. Fonte: [Fla-tern 2015], adaptado . . . 9

2.2 Tensões de saída de um inversor 6 pulsos. Fonte: [Takacs 2009] . . . 11

2.3 Formas de onda de um inversor 6 pulsos. Fonte: [Takacs 2009] . . . 11

2.4 Bancada de testes BCS em laboratório. Fonte: [Franchi 2009] . . . 12

2.5 Frequências de chaveamento. Fonte: [Franchi 2009] . . . 12

2.6 Bomba BCS e seus estágios. . . 15

2.7 Sensor de fundo (na horizontal). Fonte: autoria própria . . . 15

2.8 Impedância e fase do cabo BCS em função da frequência. Fonte: [Gon-çalves 2018] . . . 21

2.9 Resposta em frequência do capacitor. Fonte: [Keysight 2016] . . . 22

2.10 Resposta em frequência do indutor. Fonte: [Keysigth 2016] . . . 22

2.11 Indutâncias negativas. Fonte: [Gonçalves 2018]. . . 24

2.12 Princípio do loop de corrente. Fonte: autoria própria . . . 27

2.13 Diagrama esquemático de energização da eletrônica de fundo. Fonte: au-toria própria. . . 29

2.14 Loop de corrente por onde trafegam os sinais do sensor de fundo. Fonte: autoria própria . . . 30

3.1 Visão geral da estrutura do sistema de comunicação instalado no poço. . . 34

3.2 Motor de indução de 5 cv representando o motor BCS. Fonte: autoria própria . . . 34

3.3 Diagrama de blocos do sistema proposto. Fonte: autoria própria. . . 36

3.4 Diagrama do circuito da fonte de subsuperfície. Fonte: autoria própria. . . 37

3.5 Fonte de subsuperfície. Fonte: autoria própria. . . 37

3.6 Codificação Manchester. Fonte: [Forouzan 2018]. . . 39

3.7 Estrutura do quadro para variáveis pressão, temperatura e contaminação. Fonte: autoria própria. . . 39

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3.8 Organização do campo de dados para sensores regulares. Fonte: autoria própria. . . 40 3.9 Estrutura do quadro para variáveis de vibração. Fonte: autoria própria . . 40 3.10 Organização do campo de dados para envio de valores de vibração. Fonte:

autoria própria . . . 41 3.11 Etapas de montagem do quadro de dados. Fonte: autoria própria . . . 43 3.12 Protótipo do circuito transmissor. Fonte: autoria própria . . . 45 3.13 Esquema elétrico do conversor tensão para corrente. Fonte: autoria própria 45 3.14 Placa eletrônica do conversor tensão para corrente. Fonte: autoria própria 46 3.15 Filtro de superfície. Fonte: autoria própria . . . 47 3.16 Esquema elétrico do conversor corrente para tensão. Fonte: autoria própria 48 3.17 Placa de circuito impresso do conversor corrente para tensão. Fonte:

au-toria própria . . . 48 3.18 Placa de circuito impresso do circuito de condicionamento do sinal de

tensão gerado pelo sensor hall. Fonte: autoria própria . . . 48 3.19 Compartilhamento da memória entre a etapa de escrita e leitura. Fonte:

autoria própria . . . 49 3.20 Mapa de memória Modbus. Fonte: autoria própria . . . 50 3.21 Exemplo de requisição Modbus para sensores regulares. Fonte: autoria

própria . . . 51 3.22 Exemplo de requisição Modbus para sensores especiais. Fonte: autoria

própria . . . 51 3.23 Organização da memória. Fonte: autoria própria . . . 52 3.24 Protótipo do circuito receptor. Fonte: autoria própria . . . 53 4.1 Modelo eletrônico do cabo BCS. Em vermelho o circuito que representa

o primeiro pico de impedância e em azul, o segundo pico. Fonte: autoria própria . . . 55 4.2 Simulação do cabo BCS a partir do modelo proposto. . . 56 4.3 Bancada de testes BCS em laboratório. Fonte: autoria própria . . . 57 4.4 Transmissão e recepção dos dados para o sistema desenergizado. Fonte:

autoria própria . . . 57 4.5 Transmissão e recepção dos dados e tensão no neutro para o sistema

ener-gizado. Fonte: autoria própria . . . 58 4.6 Monitoramento dos dados recebidos pelo receptor. Fonte: autoria própria 58

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4.7 Avaliação da comunicação Modbus entre o módulo receptor e o CLP. Fonte: autoria própria . . . 59 4.8 Conjunto motor-bomba instalado na horizontal. Fonte: autoria própria . . 61 4.9 Visão panorâmica da estrutura BCS utilizada nos ensaios. Fonte: autoria

própria . . . 61 4.10 Comportamento dos sinais enviado e recebido, a tensão no neutro do

mo-tor para o inversor desenergizado. Fonte: aumo-toria própria . . . 62 4.11 Comportamento dos sinais enviado e recebido, a tensão no neutro do

mo-tor para o inversor energizado, mas não operando. Fonte: aumo-toria própria . 62 4.12 Forma de onda com o inversor 6 pulsos da Baker Hughes R_{. Fonte:}

auto-ria própauto-ria . . . 64 4.13 Forma de onda obtida com o inversor PWM Schneider R

. Fonte: autoria própria . . . 65 4.14 Pico de tensão no neutro após o desligamento do inversor PWM. Fonte:

autoria própria . . . 65 4.15 Comportamento dos sinais enviados e recebidos, e tensão no neutro em

baixas frequência durante a partida do BCS com filtro ativo Accusine. Fonte: autoria própria . . . 66

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Lista de Tabelas

1.1 Percentual de falhas dos equipamentos do BCS. . . 5 3.1 Parâmetros do motor. . . 34 4.1 Valor dos indutores e capacitores para as frequências e ressonância. . . . 54 4.2 Comparativo entre os dados de impedância reais e simulado para o cabo

BCS. . . 56 4.3 Equipamentos utilizados nos ensaios práticos em campo. . . 60 4.4 Resultado do primeiro teste de transferência de dados, com sistema

dese-nergizado . . . 62 4.5 Resultado do segundo teste de transferência de dados, com sistema

ener-gizado, mas não operando . . . 63 4.6 Resultado teste de transferência de dados com o inversor de 6 pulsos

va-riando a frequência de forma dinâmica . . . 64

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Lista de Símbolos e Abreviaturas

µF microfarad, capacitância Ω ohm, resistência elétrica π pi, constante matemática

◦_C _{grau Celsius, temperatura}

C capacitância Cm capacitância média Cp capacitância parasita CO₂ dióxido de carbono f_r frequência de ressonância H₂S sulfeto de hidrogênio

i_a, i_b, i_c correntes que fluem pelo enrolamento trifásico do motor (A) L indutância

L1,L2 condutores do cabo trifásico

L_m indutância média L_s indutância parasita série m3/dia metros cúbicos por dia, vazão q ângulo de fase

va, vb, vc tensões da fonte de alimentação trifásica - inversor de frequência (V)

vm tensão no ponto neutro do motor, volts

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Z_a, Zb, Zc impedância referente ao enrolamento trifásico do motor (Ω)

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line (Linha Digital Assimétrica para Assinante) AmpOp Amplificador Operacional

AWG american wire gauge - escala americana de seções transversais de fios BCP Bombeio por Cavidades Progressivas

BCS Bombeio Centrífugo Submerso BHJ Bombeio Hidráulico a Jato BM Bombeio Mecânico

CA corrente alternada CC corrente contínua

CLP controlador lógico programável

CTS clear to send, controle de fluxo comunicação serial ddp diferença de potencial

EMI electromagnetic interference(interferência eletromagnética) HP Horse-power(cavalos de força), potência

Hz Hertz, frequência

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Porta Isolada) IHM Interface Homem Máquina

kbit/s quilobit por segundo kV quilovolt, potência

kVA quilovolt-ampere, potência kW quilowatt, potência

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m metro, comprimento mH milihenry, indutância MHz mega-hertz, frequência mm milímetros, comprimento mm2 milímetros quadrado, área

NRZ non-return-to-zero (sem retorno ao zero)

PLC Power Line Comunnication(Comunicação via rede elétrica) PSI pound force per square inch(libra por polegada quadrada), pressão PVC Polyvinyl chloride(Policloreto de polivinila)

PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) RGL razão gás-líquido

RGO razão gás-óleo

rpm rotações por minuto, velocidade angular

RTS request to send, controle de fluxo comunicação serial RTU remote terminal unit(unidade terminal remota) RZ return-to-zero(retorno a zero)

SRF self-resonant frequency (frequência de auto-ressonância) UFRN Universidade Federal do Rio Grande no Norte

V volts, tensão

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Capítulo 1

Introdução

Não é de hoje que a humanidade vive na era da informação. Com a democratização da informação, o comportamento de uma sociedade cada vez mais globalizada é refle-tido na crescente utilização dos serviços proporcionados pelos sistemas de comunicação. Essa crescente utilização tem exigido cada vez mais das organizações investimentos em busca de novas tecnologias e recursos para, além de atingir faixas cada vez maiores da população, prover serviços de qualidade e com velocidade cada vez maiores.

Considerando que os custos diretos envolvendo o projeto, a instalação e a manutenção das redes de acesso são bastante altos e geralmente representam mais de 50% dos recursos econômicos necessários para a instalação de um sistema de comunicação em uma deter-minada região [de Moura Vital 2005], uma das alternativas encontradas para reduzir os investimentos destes recursos é utilização de uma infraestrutura já existente. As redes cu-jas infraestuturas poderiam ser utilizadas para atender às demandas existentes são: redes telefônicas tradicionais, redes de TV a cabo e redes de fornecimento de energia elétrica [Hrasnica et al. 2004a]. Ainda de acordo com Hrasnica et al. (2004a) as redes telefônicas e as de TV a cabo apresentam razões técnicas que não viabilizam o seu uso como uma possível solução frente ao problema exposto. Deste modo, considerando que os sistemas de transmissão e de distribuição de energia elétrica formam atualmente a maior estrutura, na forma de rede, instalada no planeta [de Moura Vital 2005] e que Power Line Com-municationé considerada uma das técnicas de comunicação mais baratas e fáceis de se implantar [James et al. 2013], então as redes de fornecimento de energia elétrica, através da tecnologia PLC aparecem como uma solução economicamente eficiente e oferecem uma gama de serviços de telecomunicações com uma certa qualidade competitiva com outras tecnologias de acesso [Hrasnica et al. 2004a].

Seguindo essa linha, a técnica PLC tem sido aplicada como método de transferência de dados, tanto nas redes de distribuição de energia quanto nas redes elétricas de instalações residenciais, ou redes indoor [Ahola 2003]. Os equipamentos desenvolvidos para uso

(18)

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2

em residências são projetados principalmente para controle de dispositivos domésticos, como por exemplo, controle de iluminação, sistema de alarme de incêndio, controle de aquecimento, etc. Por outro lado, os sistemas e dispositivos utilizados pelas empresas de distribuição de energia destinaram-se principalmente a aplicações de leitura automática de medidores, mudança tarifária, monitoramento do consumo de energia, gerenciamento de carga, etc. [Ahola 2003].

Nos últimos anos, as linhas de transmissão de energia estão sendo utilizadas para fornecer acesso a dados através de serviços de internet banda larga em residências, através das redes de baixa tensão [Liu et al. 2014], em alternativa a outras soluções como ADSL1 , modems por cabo e sistemas de acesso sem fio (wireless) [Zattar et al. 2011].

O desenvolvimento da tecnologia PLC aconteceu de forma acentuada com os avan-ços das técnicas de transmissão e modulação [da Rocha Farias 2017]. Graças a essas evoluções, a utilização da técnica PLC está ganhando popularidade em várias aplicações como em residências e escritórios, redes de acesso, em navios, aeronaves, trens, veículos em controle de sistemas indutriais e em infraestrutura avançada de medições. Essa po-pularidade também está caminhando para implementações de redes inteligentes [Anatory et al. 2013].

De acordo com Berger et al. (2013), uma das formas de classificação da tecnologia PLC é com relação à largura de banda. Assim, este autor divide a tecnologia PLC em duas categorias: PLC de banda estreita (ou narrow-band PLC, NB-PLC), operando geralmente em uma faixa de frequência que vai de 3 kHz a 500 kHz, e PLC de banda larga (ou broad-band PLC, BB-PLC), que opera normalmente em frequências acima de 1,8 MHz. A categoria PLC de banda estreita pode ser subdividida em outras duas: alta taxa de dados (do inglês high data rate, HDR) e baixa taxa de dados (do inglês low data rate, LDR) [Galli et al. 2011]. Ainda de acordo com o referido autor, os sistemas LDR têm uma taxa de transferência de alguns kbit/s e geralmente são baseados na tecnologia de portatora única. Além disso, sua principal área de atuação tem sido a automação industrial e predial. Essa alternativa tem se mostrado atraente na área industrial, principalmente em apli-cações em sistemas de acionamento em que são necessárias malhas de realimentação para o controle e monitoramento on-line das condições das variáveis mensuradas em motores, bombas, etc. [Kosonen et al. 2006]. De acordo com Tiainen et al. (2005) os requisi-tos para se transmitir dados de vibração e temperatura de um motor de indução para um monitoramento on-line das suas condições não requer uma grande largura de banda, 1_{ADSL, ou “Asymmetric Digital Subscriber Line” (Linha Digital Assimétrica para Assinante), é um tipo}

de tecnologia que, usando uma linha telefônica comum, permite ao usuário transferir digitalmente dados em alta velocidade.

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quando comparada com todo o potencial de transferência de dados da técnica PLC [Ahola et al. 2005]. Portanto, é possível utilizar essa capacidade de transferência de dados adici-onal para enviar na malha de realimentação informações de controle e de variáveis para monitorar as condições de funcionamento do motor.

Na indústria petrolífera, aplicações da técnica PLC estão presentes. Poços de petró-leo que utilizam métodos de elevação artificial que fazem uso de bombas submersas para elevar o fluido à superfície, permitindo a produção, estão sujeitos ao emprego da técnica PLC. Dentre esses métodos estão o Bombeio Centrífugo Submerso (BCS), Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP) e Bombeio Hidráulico a Jato (BHJ) [Maitelli 2010]. Para assegurar um ótimo desempenho dessas bombas de fundo, sensores podem ser instalados em sua estrutura, coletando continuamente informações de pressão, temperatura, vibra-ção e fuga de corrente, por exemplo [Flatern 2015]. O monitoramento dessas variáveis fornece à equipe de operação informações valiosas, alertando-os, por exemplo, de mau funcionamento da bomba ou o levantamento das melhores práticas operacionais que au-mentam a produtividade e vida útil do sistema de bombeio [Bates et al. 2004]. Por estar localizado a centenas e até milhares de metros de profundidade, se torna inviável a instala-ção de um cabo dedicado para coletar esses dados. De acordo com Brooks (2001) o custo dos cabos utilizados em ambientes industriais pode variar de U$ 60,00 a U$ 6.000,00 por metro. A solução mais plausível nesse caso é a utilização do próprio cabo de alimentação do motor como canal para transmissão dessas informações por meio da técnica PLC.

1.1 Tema e Justificativa

Bombeio Centrífugo Submerso é um método de elevação artificial utilizado em grande parte dos campos produtores de petróleo do mundo. Estima-se que 95% do número to-tal de poços de petróleo em todo o mundo utilizam algum método de elevação artificial, sendo o mais comum, o Bombeio Mecânico (BM) com 74% do número total dessas ins-talações, seguido pelo BCS [M. Hackworth 2015] [Spagnolo et al. 2013]. Apesar da segunda posição em termos de instalações, o BCS é o sistema com as maiores vendas, 54% do mercado de elevação artificial e em 2014 representou 43% do gasto global anual nesse mercado [M. Hackworth 2015]. Considerada a melhor escolha quando são neces-sários altos volumes de produção, o BCS é tipicamente usado em poços que produzem de 200 a 120.000 barris de petróleo por dia, embora seja um método que apresente um alto custo [M. Hackworth 2015] [Liang e Fleming 2013].

Em fases em que o petróleo está com preços baixos, é incontestável que os poços produtores sejam operados eficientemente para produzir a um custo mais baixo por barril.

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Essa eficiência, decorrente da otimização na produção e redução de custos operacionais, é obtida através do monitoramento das variáveis essenciais na produção por BCS. Para observar as condições de operação dos equipamentos do fundo do poço, como motor e bomba, é essencial a instalação de um conjunto de sensores próximos a esses equipamen-tos. Deste modo, parâmetros como pressão de admissão e descarga da bomba, tempera-tura do motor, temperatempera-tura do óleo produzido, vibração, contaminação do óleo isolante do motor2e fuga de corrente são coletados pelo conjunto de sensores no fundo do poço e transmitidos à superfície através de um sistema de comunicação para serem processados. Considerando que os poços BCS em terra (onshore) podem alcançar uma profundi-dade de 4.000 m [Liang et al. 2017] [Liang et al. 2015] torna-se inviável a instalação de cabeamento dedicado à transmissão dos dados coletados no fundo do poço, em virtude de custos com materiais extra, mão-de-obra, além de aumentar as chances de falha de algum componente [Ghoreishi et al. 2016] [Liang et al. 2017]. A alternativa mais usual nessa situação é utilizar o próprio cabo trifásico que alimenta o motor BCS como o meio físico para transmitir os dados à superfície [Ghoreishi et al. 2016][Liang et al. 2017]. O conjunto de dados oriundo da leitura dos sensores no fundo do poço permitirá avaliar as tendências de desempenho do sistema BCS, inclusive do campo produtor. Essas tendên-cias alertam especialistas sobre a ocorrência de possíveis problemas em equipamentos de superfície e de subsuperfície de forma antecipada, a tempo de tomar medidas corretivas [Bremner et al. 2006], evitando a parada não programada do poço produtor. A título de exemplo, uma parada forçada decorrente de uma falha que exige a substituição de um dos componentes constituintes do sistema BCS pode custar de U$15.000 a U$40.000 [Brinner et al. 2004]. Além disso, a paralização na produção resulta em uma perda de receita, que é frequentemente mais dispendiosa do que a quantia gasta com o equipamento e os serviços associados à sua substituição [Brinner e Durham 2010]. Uma análise mais detalhada rea-lizada pelo mercado de elevação artificial apontou os principais pontos de falha do BCS, listados na Tabela 1.1 [Spagnolo et al. 2013].

Essa grande incidência de falhas nos motores do BCS, associado ao seu elevado custo revela a necessidade de se fazer alguma manutenção para evitar a perda ou parada deste equipamento. Segundo Quintaes (2010), atualmente os profissionais responsáveis pela produção utilizam a manutenção preventiva nos sistemas BCS, baseado em históricos de dados de falhas. No entanto, os valores envolvidos com a parada do sistema, e con-sequente paralisação da produção, para a execução da manutenção preventiva a tornam 2_{A contaminação do óleo do motor, e consequente perda da sua propriedade isolante, decorre}

normal-mente do desgaste do selo protetor em função do tempo de uso. Então, em sua tese, Quintaes (2010) propôs um sistema de detecta a contaminação a partir da rigidez dielétrica do óleo isolante e gera um pulso em caso positivo.

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Tabela 1.1: Percentual de falhas dos equipamentos do BCS.

Elemento Percentual de falha (%)

Motor 32 Bomba 30 Cabo 21 Selo 10 Separador de gás (intake) 5 Sensor 1 Não especificado 1

inviável na prática, de forma que muitas empresas preferem realizar alguma manutenção no sistema somente quando da sua parada forçada. Quando se chega a esse ponto é si-nal de que ocorreu algum dano que compromete o funcionamento do sistema, restando somente a possibilidade de efetuar a manutenção corretiva. Em aplicações na indústria do petróleo a manutenção corretiva é bastante onerosa em virtude do elevado tempo de parada de produção e devido ao elevado custo de operação da sonda. A Figura 1.1 ilustra o comparativo entre as manutenções preditiva e corretiva [Inc 2015].

Figura 1.1: Comparativo entre manutenção preditiva e corretiva. Fonte:[Inc 2015]

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1.2 Objetivos do trabalho

1.2.1 Objetivo Geral

Diante do cenário apresentado na seção 1.1, este trabalho tem como objetivo desenvol-ver um sistema de telemetria que possibilite o monitoramento do conjunto motor-bomba do BCS a partir da leitura dos sensores instalados no fundo do poço. E, baseado na análise dessas variáveis físicas poder otimizar a produção de óleo, considerando os limites opera-cionais do BCS, prever possíveis falhas em equipamentos de subsuperfície, possibilitando a manutenção preditiva e assim, garantir um aumento da vida útil do sistema de bombeio.

1.2.2 Objetivos Específicos

Outros objetivos necessários à implementação do sistema de telemetria proposto são elencados abaixo:

• Montar uma estrutura experimental de um sistema de comunicação via PLC para baixas tensões através do cabo que conecta o motor ao inversor de frequência para testes em bancada;

• Projetar e desenvolver os circuitos para transmissão e recepção dos dados coletados dos sensores instalados na unidade de subsuperície;

• Implementar a interface de acoplamento utilizada do sistema citado no ponto ante-rior;

• Analisar a taxa de transferência e do atraso do sinal no método a ser proposto; • Desenvolver novas técnicas de comunicação (novo protocolo) que permitam o

trá-fego de dados a uma taxa mais elevada do que as atuais para canais longos utilizando tecnologia PLC;

• Analisar em bancada e validar em campo a propagação dos sinais de corrente no cabo de alimentação do motor no sistema de acionamento por inversor.

1.2.3 Contribuições

• Implementação de um sistema de telemetria tendo como meio físico o cabo de alimentação do motor BCS alimentados por inversores de frequência;

• Desenvolvimento de um protocolo de comunicação para a transmissão das infor-mações coletadas dos sensores instalados no fundo do poço;

• Análise dos parâmetros elétricos e modelagem elétrica do cabo utilizado na bancada e do cabo utilizado em poços BCS.

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1.3 Apresentação e Organização

Este trabalho é composto de cinco capítulos com a seguinte estrutura: No capítulo 2, discorre-se sobre o referencial teórico abordado na pesquisa, onde é apresentado o método de elevação artificial por bombeio centrífugo submerso e os equipamentos que o compõe, e demonstrada a teoria por trás da proposta de se aplicar a técnica PLC a esse método. Ainda neste capítulo, é proposto um modelo elétrico tanto para o cabo elétrico que alimenta o motor em bancada, quanto para um cabo trifásico usado em poços BCS.

No capítulo 3, é apresentada a metodologia e a viabilidade para o desenvolvimento da pesquisa. Discorre-se brevemente sobre a estrutura utilizada para testes em bancada no laboratório LAMP (Laboratório de Avaliação e Medição em Petróleo) da UFRN, que viabilizará testes práticos a cerca do tema estudado.

Resultados de simulação de impedância do cabo BCS são apresentados e discutidos no capítulo 4. Ainda no capítulo 4, são mostrados os resultados dos ensaios práticos adotados no laboratório, na UFRN, e em campo, em um poço com sistema BCS utilizado para testes.

As conclusões gerais do trabalho resultante de pesquisa, simulações e experimentos, além das sugestões e orientações para trabalhos futuros são apresentadas no capítulo 5. As referências bibliográficas consultadas completam o texto.

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Capítulo 2

Referencial Teórico

Neste capítulo serão abordados aspectos teóricos referentes à elevação artificial de petróleo, em especial ao bombeio centrífugo submerso (BCS). Serão descritos conceitos e variáveis relacionados a esse método de elevação, as partes que o compõe e os fatores que influenciam a sua vida útil. No tocante à comunicação PLC serão tratados pontos sobre o canal de comunicação, como os tipos e fontes de ruído, o loop de corrente formado para constituir esse canal e, um modelo elétrico representando o cabo BCS utilizado na pesquisa será apresentado.

2.1 Bombeio Centrífugo Submerso - BCS

O Bombeio Centrífugo Submerso é um método de elevação artificial de petróleo que utiliza uma bomba centrífuga abaixo do nível dos fluidos do reservatório. A bomba do BCS é constituída por múltiplos estágios montados em séries e está acoplada a um mo-tor elétrico submersível. O conjunto momo-tor-bomba está instalado na parte inferior da sequência da tubulação, no fundo do poço e, um cabo elétrico blindado percorre todo o comprimento do poço, conectando o motor a uma fonte de eletricidade na superfície.

De início, o bombeio centrífugo submerso era considerado um método de elevação artificial empregado em poços que produziam a altas vazões, sob a influência de influxo de água, e poços que produziam com alto teor de água e baixa razão gás óleo (RGO). Nos dias atuais, o uso do BCS tem sido estendido para poços com fluidos de alta viscosi-dade e poços com altas temperaturas, apresentando bons resultados frente ao investimento [Thomas 2001].

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CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 9

2.1.1 Equipamentos do BCS

Uma instalação convencional em terra de um poço operando por bombeio centrífugo submerso é constituída por equipamentos de superfície e subsuperfície. Dentre os prin-cipais componentes instalados estão: a bomba centrífuga submersa multiestágios, uma admissão simples ou um separador de gás, um sistema de selagem de proteção para o motor elétrico, um cabo de potência para transmissão de energia da superfície até o mo-tor, motor elétrico de indução trifásico, sensor eletrônico para medição de variáveis de fundo do poço e os sistemas de acionamento e monitoramento de superfície. A Figura 2.1 apresenta uma configuração terrestre típica de poços BCS.

Figura 2.1: Equipamentos integrantes do método de elevação por BCS. Fonte: [Flatern 2015], adaptado

Transformador

Dependendo da topologia utilizada para o sistema BCS são empregados transformado-res de potência. Os tipos utilizados normalmente são, abaixador e elevador [Morais 2014].

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O primeiro é utilizado para reduzir a tensão de um ramal alimentador para valores próxi-mos dos valores nominais de placa dos motores BCS ou para níveis de tensões industriais (380 a 480 Vac). O transformador elevador, por sua vez, ajusta a tensão de superfície

visando fornecer ao motor uma tensão elétrica mais próxima possível da tensão nominal de placa, e assim garantir que o motor opere com eficiência, fornecendo a potência e o torque requerido pela bomba [Morais 2014].

Inversor de frequência

Segundo Morais (2014), os conversores de frequência são amplamente aceitos e va-lidados como um recurso estratégico para garantia da flexibilidade operacional e susten-tabilidade dos sistemas de elevação de petróleo. O referido autor afirma que os VSDs se tornaram comuns em aplicações onde as condições de fundo de poço estão sujeitas a alterações que se processam rápida ou lentamente. Por exemplo, em poços que utilizam inversores de frequência, os operadores podem alterar a frequência de operação do motor em incrementos de um hertz para reduzir a vibração da bomba [Bremner et al. 2006]. Outra abordagem dos VSDs que está em crescimento é sua utilização para controle auto-matizado de poços [Costa 2012].

O princípio de funcionamento do VSD baseia-se na conversão de uma tensão contínua produzida pela seção de controle em uma tensão CA na frequência selecionada.

No que tange à topologia, o inversor de frequência pode ser encontrado basicamente em três tipos [Takács 2009]: o inversor de 6 pulsos (ou em inglês, "six-step" VSD), o inversor PWM (Pulse Width Modulation) e os geradores de ondas senoidais (Sine Wave Generators), sendo os dois primeiros bastante empregado na industria.

Os primeiros inversores de frequência fabricados, os de 6 pulsos, usavam transistores Darlington para gerar o sinal AC, no entanto, essa onda formada apresentava uma aproxi-mação grosseira do que seria um sinal senoidal. Além disso, esses inversores controlam apenas a frequência de saída, sendo a tensão necessária para o motor BCS atingida a par-tir de transformadores elevadores. A forma de onda de saída depende da configuração do transformador, ∆ − ∆ ou ∆ − Y (Figura 2.2). A forma de onda gerada por essa última configuração, 6 pulsos, caracteriza o tipo do inversor. As principais vantagens do inversor de 6 pulsos se resumem a duas: baixo custo de investimento e manuteção. E a sua maior desvantagem fica por conta representação grosseira da forma de onda da tensão de saída (Figura 2.3). A corrente de saída, apesar de ter uma aparência senoidal, apresenta uma quantidade significativa de harmônicos.

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Figura 2.2: Tensões de saída de um inversor 6 pulsos. Fonte: [Takacs 2009]

Figura 2.3: Formas de onda de um inversor 6 pulsos. Fonte: [Takacs 2009]

[Franchi 2009], principalmente devido a seus menores custos, já que utilizam retificadores com diodos e inversores com IGBTs [Takács 2009]. Diferentemente do inversor 6 pulsos, a tensão de saída desses inversores assumem a forma de uma série de pulsos de tensão com a mesma magnitude, porém uma largura diferente e controlada. Ou seja, a tensão e a frequência são controladas eletronicamente pelo circuito de controle, sendo a frequência definida pelo número de pulsos por ciclo e a tensão controlada pela largura desses pulsos (Figuras 2.4(a) e 2.4(b)). A frequência, também referida como frequência de chaveamento tem uma influência direta na "qualidade"da onda de saída, de forma que quanto maior essa frequência, mais senoidal será a forma de onda, no entanto tem-se uma maior incidência de ruído. O comportamento da frequência de chaveamento pode ser visto nas Figuras 2.5(a), 2.5(b) e 2.5(c).

Caixa de junção

Localizada entre o poço e o quadro de comandos, a caixa de junção é ventilada e a prova d’água, utilizada para fazer a conexão do cabo elético de superfície com o cabo BCS [Costa 2012]. Outra função atribuída à caixa de junção é a de ventilar o cabo trifásico, expulsando para a atmosfera o gás que por alguma razão tenha migrado do poço para o

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(a) Dispositivos de chaveamento ligado por longo período de tempo - tensão alta.

(b) Dispositivos de chaveamento ligado por curto período de tempo - tensão baixa.

Figura 2.4: Bancada de testes BCS em laboratório. Fonte: [Franchi 2009]

(a) Frequência de chaveamento baixa. (b) Frequência de chaveamento média.

(c) Frequência de chaveamento alta.

Figura 2.5: Frequências de chaveamento. Fonte: [Franchi 2009] interior do cabo [Centrilift 2008].

Selo protetor

Uma seção de vedação entre a entrada da bomba e o motor possui um rolamento axial que absorve as impulsos (cargas axiais) desenvolvido pela bomba. A vedação também isola e protege o motor de contaminação pelos fluidos do poço e equaliza a pressão no poço com a pressão interna do motor [Flatern 2015].

Motor

O motor de BCS é tipicamente um motor elétrico de indução trifásico, de dois po-los e rotor em gaiola de esquilo, disponível em uma variedade de tensões de operação, correntes e potências que variam de 7,5 kW a mais de 750 kW. O tamanho do motor a

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ser utilizado é determinado pela quantidade de energia necessária para acionar a bomba para elevar o volume estimado de fluido produzido para fora do poço [Flatern 2015]. A refrigeração desses motores é decorrente da convecção provocada pelo arraste causado pelo próprio fluido produzido que passa em volta da carcaça do motor. De acordo com Morais (2014), em razão dos líquidos possuírem uma melhor capacidade de tolerar o aquecimento e o consequente poder de resfriamento, os motores BCS pode suportar até 10 vezes a temperatura suportada por motores de superfície.

Esses motores possuem internamente um óleo mineral altamente refinado que for-nece alta resistência dielétrica, lubrificação dos mancais e condutividade térmica [Powers 1987]. Estruturalmente, o motor é alinhado ao protetor, admissão da bomba e impelidor da bomba, formando um único eixo e são projetados para atuarem em altas pressões e al-tas temperaturas, e imersos nos fluidos que são elevados [Quintaes 2010]. Nesse arranjo, o motor fica abaixo da sucção da bomba para que o fluido admitido sirva de fluido de refrigeração do motor [Assmann 2008].

O acionamento dos motores BCS fica a cargo dos paineis de acionamento na super-fície, que podem acionar um motor BCS com partida direta, partida suave ou no modo velocidade ajustável. Na primeira delas, utiliza-se um transformador abaixador que reduz o valor de tensão de um ramal alimentador para valores próximos aos nominais de placa dos motores BCS. Na partida suave, os transformadores abaixadores reduzem as tensões para níveis industrias, que são valores próximos ao da tensão nominal de placa do motor. Por fim, no modo de velocidade ajustável, proporcionado pelos inversores de frequência, com ou sem o uso de transformador elevador.

Bomba BCS

A bomba centrífuga submersa utilizada em BCS é o coração do sistema e é a res-ponsável pela elevação dos fluidos [Maitelli 2010]. Essas bombas são constituídas por múltiplos estágios montados em série [Costa 2012], sendo a quantidade de estágios de-finida pelo requisito operacional e pelo projeto de completação do poço [Flatern 2015]. Cada estágio é formado por um impelidor rotativo (rotor) e um difusor estacionário (esta-tor), tipicamente fundidos a partir de ferro com alto teor de níquel, para minimizar danos por abrasão ou corrosão [Flatern 2015]. As Figuras 2.6(a), 2.6(b) e 2.6(c) retratam como o impelidor e difusor estão instalados na bomba. A forma e o tamanho do impelidor e do difusor determinam a vazão a ser bombeada, enquanto o número de estágios determina a sua capacidade de elevação. Existem bombas cujas vazões estão entre 20 m3/dia e 10.000 m3/dia, com capacidade de elevação de até 5.000 metros [Thomas 2001].

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Quando o fluido produzido entra no primeiro estágio da bomba, passa pelo impelidor, que gira em alta velocidade centrifugando radialmente o fluido para fora, ganhando ener-gia na forma de velocidade. Esse fluido, então, escoa entre as pás através dos canais e é forçado a penetrar no difusor. Enquanto se desloca através dessa seção, o fluido é direci-onado para a descarga do estágio e sua velocidade convertida em pressão. O fluido, que agora possui uma pressão ligeiramente maior do que quando entrou no primeiro estágio, se desloca para o próximo estágio (difusor e impelidor) e o processo se repete. O fluido passa por todos os estágios da bomba, incrementando aos poucos a sua pressão até atingir uma altura de elevação (head), ou uma pressão de descarga estabelecida, e ter energia suficiente para se deslocar até a superfície. A bomba BCS é acionada por um motor de indução que pode atingir velocidades de operação superiores a 5.000 rpm quando usando um inversor de frequência [Flatern 2015].

Dependendo das características do poço e se este estiver em terra ou no mar outros equipamentos podem ou não serem instalados em poços produzindo por BCS: admissão da bomba, válvula de retenção, válvula de drenagem e sensor de fundo.

Também conhecida como intake, a admissão da bomba está localizada na parte infe-rior da bomba e é o caminho do fluido para o abastecimento do primeiro estágio [Thomas 2001]. Pode ser encontrada na forma simples ou na forma de separador de gás. A escolha da forma é feita em função da série da bomba, da vazão de líquido e da sua RGL. A forma simples é utilizada quando o volume de gás na entrada da bomba é pequeno, de forma que não afete o desempenho do bombeio [Thomas 2001]. Para baixos valores de gás livre, o separador de gás utilizado é o estacionário, enquanto que para altos valores é utilizado o modelo centrífugo [Quintaes 2010].

A válvula de retenção é utilizada para manter a coluna de produção cheia de fluido quando, por qualquer motivo, o conjunto de fundo é desligado. Se esta válvula não estiver sendo usada, haverá retorno de fluido para o espaço anular, ocasionando uma rotação contrária no eixo da bomba. Qualquer tentativa de ligar o conjunto de fundo neste período provocará um torque excessivo no eixo, podendo provocar a sua ruptura [Quintaes 2010]. Já a válvula de drenagem é utilizada sempre que é descida a válvula de retenção. Ela serve para evitar a retirada da coluna cheia de fluido, provocando um derramanento de óleo toda vez que um tubo é desconectado. Assim, quando acionada, permite a drenagem do fluido da coluna para o espaço anular [Quintaes 2010].

O sensor de fundo (Figura 2.7) é o nome dado ao equipamento que possui em sua es-trutura sensores para medição de variáveis envolvidas no processo, sendo os mais usuais, os de pressão e temperatura. Esse sensor, instalado abaixo do motor, tem a finalidade de avaliar o comportamento do poço por meio de informações de temperatura do óleo e dos

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(a) Estágio da bomba. Fonte: Costa (2012) (b) Estágios conectados. Fonte: Mesa (2012)

(c) Posicionamento dos estágios na bomba BCS. Fonte: Xuele (2012)

Figura 2.6: Bomba BCS e seus estágios.

enrolamentos do motor, pressão de admissão e descarga da bomba e, porventura, vibração e contaminação, que são transmitidas do fundo do poço até a superfície pelo mesmo cabo que leva energia ao motor.

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2.1.2 Fatores que comprometem o desempenho do BCS

Para obter uma vida útil ‘prolongada’ da bomba elétrica submersa, é necessário pri-meiro entender os principais fatores que afetam a vida útil do sistema e, então, gerenciar esses fatores com eficácia. Segundo Costa (2012), alguns fatores críticos afetam a vida útil do sistema BCS: dimensionamento adequado, temperatura de operação do motor, presença de fluidos corrosivos e materiais estranhos, ocorrência de problemas elétricos, práticas operacionais inadequadas, produção de fluidos gaseificados e alta viscosidade do fluido, dentre outros. Os tópicos a seguir caracterizam tais condições.

Dimensionamento adequado

O projeto adequado do sistema BCS é o fator mais crítico para se obter o melhor desempenho e maior vida útil [Costa 2012]. Esses sistemas devem ser dimensionados para atuar dentro de uma faixa de operação, definido a partir dos limites máximo e mínimo assinalados na curva de desempenho da bomba, estabelecido pelos fabricantes de bomba BCS. Quando dimensionados de forma inadequada, seja para mais ou para menos, as consequências podem ser danosas. Conforme Bates et al. (2004), quando o BCS está sobredimensionado, o fluido no poço pode atingir a condição de "pump off "1, fazendo com que o sistema BCS se desligue automaticamente e permaneça desligado por um período de tempo para permitir que o fluido do reservatório entre novamente no poço. A repetição desse chaveamento on-off submete o BCS a uma elevada pressão, o que pode levar ao desgaste prematuro e acelerado, reduzindo a vida útil e, eventualmente levando à falha.

Nesse seguimento, a utilização de inversores ou variadores de frequência (em inglês, variable-speed drive- VSD) proporciona ao operador controlar a velocidade e o desem-penho do motor BCS através do ajuste da frequência, que por sua vez ajusta a tensão fornecida ao motor. O inversor de frequência fornece um torque constante em toda a faixa de velocidade, possibilitando ao BCS a produção de uma faixa mais ampla de volume de fluido, a qual não seria possível no caso de velocidade fixa do motor. Quando as condições de produção do poço se alteram, a possibilidade de se fazer ajustes finos na velocidade e no torque do motor pode evitar a necessidade de redimensionamento da bomba, reduzindo o tempo de parada e os custos de operação [Bremner et al. 2006].

1_{situação em que a bomba trabalha em vazio, uma vez que a capacidade de sucção da bomba excede a}

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Temperatura de operação do motor

À medida que a profundidade dos poços de petróleo aumenta, os desafios associados às operações de BCS também crescem. As elevadas temperaturas, que de acordo com Bremner et al. (2006) podem podem passar dos 280◦C, associadas a poços mais profun-dos degradam o sistema de isolamento e selagem do BCS, levando eventualmente à falha do motor. Segundo Takács (2009), a cada 10◦C de aumento na temperatura de operação corresponde a uma redução de 50% na vida útil do material de isolamento.

Além de suportar a temperatura geotérmica, os motores BCS criam seu próprio ca-lor relacionado à carga da bomba e à temperatura interna do seu enrolamento [Bates et al. 2004]. Nesse sentido, o desenvolvimento de novos inversores de frequência para sistemas BCS oferecem aos operadores a flexibilidade de variar a velocidade dos moto-res para bombear a taxas ótimas em frequências variáveis, gerenciando melhor a energia e, consequentemente, o calor gerado. Além disso, a velocidade do fluido produzido que passa ao redor do motor deve ser considerada para o seu resfriamento. De acordo com Costa (2012), na maioria das instalações, a bomba é posicionada acima dos canhoneados para permitir que o fluido produzido passe ao redor do motor.

Presença de fluidos corrosivos

Os fluidos produzidos pelo poço afetam os equipamentos dos sitema BCS de diversas formas. Ainda decorrente dos ambientes operacionais de alta tempertura está a aceleração da corrosão por parte dos fluidos do fundo do poço. De acordo com [Bates et al. 2004], em elevadas temperatuas o sulfeto de hidrogênio (H2S), dióxido de carbono (CO2) e

cer-tos producer-tos químicos de tratamento de poços podem danificar as vedações, permitindo a entrada de fluidos prejudiciais que atacam os componentes críticos do motor. Outro com-ponente afetado pela corrosão é o cabo de alimentação do motor, que se torna vulnerável nesses ambientes. A queima de motores atribuída à entrada de água é uma das causas mais comuns de falhas relacionadas a equipamentos em sistemas BCS [Bates et al. 2004]. Problemas elétricos

Takács (2009) elenca basicamente dois fatores críticos que podem causar a parada do sistema decorrente de falha elétrica: fonte de alimentação e controladores do motor. No primeiro, desbalanceamento de fases, picos de tensão, quedas de raio e presença de harmônicos podem levar o cabo e/ou o motor BCS ao superaquecimento, comprometendo sua operação. Sobrecargas no inversor de frequência ou transformador decorrentes de

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mudança nas condições de fundo, como temperatura e umidade, podem também levar a falhas elétricas [Costa 2012].

Práticas operacionais inadequadas

Costa (2012) destaca algumas atividades que deve ser evitadas durante a operação do BCS. Segue:

• Operação do poço com a válvula de superfície fechada, pois a inexistência de esco-amento ao redor do motor elevará a sua temperatura podendo ocasionar danos à sua estrutura e consequente parada da produção;

• Operação do conjunto de fundo na ausência de escoamento ou com baixas vazões, pode ocasionar a queima do motor pela falta de refrigeração;

• Rápida redução na pressão de fundo pode causar dano por descompressão no cabo de potênca e conexões;

• Aumento acentuado da produção do conjunto de fundo pode causar admissão de areia ou material estranho.

Produção de fluidos gaseificados

As bombas centrífugas são eficientes em movimentação de líquidos, mas podem ra-pidamente sofrer um bloqueio por gás devido à presença de pequenas quantidades de gás livre [Baillie 2002]. No início da vida produtiva de um poço, normalmente, a pressão do reservatório permanece no ponto de bolha2 ou acima dele, sem que haja gás livre pre-sente, de forma que a operação tenha poucos problemas. À medida que o reservatório amadurece e as pressões caem abaixo do ponto de bolha, uma quantidade crescente de gás sai da solução, e parte desse gás livre deve ser produzido pelo BCS [Vandevier 2010]. Os efeitos de altos níveis de gás nos elastômeros usados nos sistemas BCS são uma preocupação especial. Isto é, a presença de gás livre podem fazer com que as peças elastoméricas contidas em vedações críticas e isolamentos de cabos absorvam esse gás. Como o BCS diminui a pressão do fundo abaixo do ponto de bolha, o gás começa a sair da solução e pode destruir a integridade do elastômero por meio da descompressão [Takács 2009] [Vandevier 2010]. Isso resulta em falha elétrica do motor ou cabo. Além disso, as bolhas de gás maiores que o tamanho da palheta do impelidor resultam em cavitação da bomba e o bloqueio de gás [Baillie 2002].

2_{Condição de temperatura e pressão (mais conhecida como pressão de bolha) na qual as frações mais}

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Alta viscosidade do fluido

Um dos problemas da utilização de bombas centrífugas para elevar óleos crus está relacionado com a degradação do desempenho em relação à operação regular, devido ao efeito da viscosidade do fluido. Uma vez que as perdas por fricção podem aumentar signi-ficativamente dependendo da viscosidade [Takács 2009], sua influência na degradação do desempenho é dupla, visto que uma entrada de energia mais alta é requerida pela bomba, enquanto a cabeça da bomba e a taxa de fluxo diminuem [Ofuchi et al. 2017].

Produção de sólidos

Muitos poços de petróleo produzem uma pequena quantidade de sólidos, como par-tículas de areia, incrustações ou precipitantes. Os componentes da bomba BCS podem suportar uma ampla gama de concentrações de sólidos com base nas condições do poço. A produção de areia ou abrasivo é o que mais prejudica a bomba BCS, pois as partícu-las transportadas pelo líquido bombeado causam abrasão e erosão nas partes onde a alta velocidade do líquido está presente. Estes problemas não afetam apenas os estágios da bomba, mas rolamentos radiais e axiais. Esses danos quando associados podem levar a falha total do sistema [Takács 2009].

Vibração

Os rotores para as bombas submersíveis são geralmente dispostos em uma posição em virtude de sua colocação em poços, que normalmente são eixos verticais. Além disso, os rolamentos que circundam o eixo do rotor são geralmente da variedade de filmes fluidos. No entanto, quando a bomba está em operação, os rolamentos de filme fluido requerem uma carga lateral para fornecer uma estabilidade dinâmica ideal. Como o eixo do rotor está girando em uma posição vertical, há pouca ou nenhuma carga lateral sendo aplicada ao rolamento durante a operação. Isso causa instabilidade nos rolamentos, o que resulta em vibração excessiva do motor. Vibração excessiva nos mancais pode fazer com que os suportes desses mancais quebrem através do filme de óleo resultando em contato metal-metal que pode levar a desgaste prematuro e falha do motor [Parmeter e Knox 2003]. Ademais, durante a operação prolongada, os componentes da bomba BCS podem estar sujeitos à degradação ou quebra, o que pode levar a atividades indesejadas de intervenção do poço. [Fielder 2011].

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2.2 PLC sobre o cabo de potência do motor

Na indústria, o número de motores elétricos é enorme. Por exemplo, uma fábrica de produtos florestais pode conter milhares de motores elétricos [Ahola et al. 2005]. Os mo-tores são usados principalmente para produzir torque que gira alguma unidade de regula-gem, como uma bomba, soprador, compressor ou algo semelhante. Todas essas unidades, incluindo motores, podem quebrar e levar a uma interrupção na produção. Estas ocasiões podem ser evitadas monitorando a condição do equipamento e fazendo o reparo antecipa-damente antes da ocorrência de algum dano. No entanto, o monitoramento de condições requer a instalação de vários sensores nos motores [Ahola et al. 2003], geradores ou apa-relhos, que normalmente estão localizados próximos ao processo.

A comunicação por linha de energia (PLC) tem sido aplicada com sucesso em cabos de energia entre um motor elétrico e um inversor. É uma alternativa viável em vez de cabeamento de instrumentação separado, porque o PLC utiliza um cabo de energia já disponível para sinalização.

2.2.1 Modelo elétrico do cabo trifásico

Um conjunto de medições de valores de impedância característica e fase em função da frequência foram realizadas nos cabos de alimentação trifásica do motor com objetivo de se obter um modelo elétrico que os representassem. O cabo selecionado para ser carac-terizado foi o cabo trifásico para aplicações em BCS com 2.036 metros de comprimento, isolante em polipropileno e proteção em aço galvanizado, perfil chato, 2 AWG (33,630 mm2), dielétrico 580, fabricante Prysmian.

As medidas foram realizadas com o analisador de impedância E4990A da Keysight Tecnologies R _{para uma faixa de frequência de 20 Hz a 10 MHz com varredura de}

frequên-cia linear e sinal de corrente com amplitude de 20 mA. Para cada medição foram armaze-nados 500 pontos de dados de frequência, impedância e fase.

O acoplamento entre os condutores para análise do comportamento da impedância foram as seguintes: cabo BCS, L1-L2, sendo o sinal injetado em L1 e retornado por L2,

com L1e L2curto-circuitados na extremidade oposta. Os resultados das medições para o

cabo estão ilustrados na Figura 2.8.

Observa-se nas curvas de impedância da figura a frequente repetição de picos e de-clives. No pico da onda, o cabo se comporta como um circuito ressonante paralelo, en-quanto que, no declive o cabo apresenta o comportamento de um circuito ressonante sé-rie. Percebe-se que os picos de impedância apresentam uma menor intensidade com o

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Figura 2.8: Impedância e fase do cabo BCS em função da frequência. Fonte: [Gonçalves 2018]

aumento da frequência. Esse fato deve-se às perdas existentes no cabo. Caso essas perdas não existissem, a impedância do cabo teria um valor infinito quando no valor de resso-nância paralela, de forma que a corrente flua para os componentes capacitivos e indutivos sem perda de energia por componentes resistivos. Por outro lado, no sistema ressonante em série, para se ter uma ressonância ideal o valor da impedância de entrada deveria ser nula, de maneira que permita a corrente fluir para os componentes ressonantes sem perdas de energia. Portanto, se não ocorressem perdas nos ciclos de carga e descarga do capaci-tor e inducapaci-tor, o processo de ressonância aconteceria por tempo infinito, gerando um sinal senoidal cuja frequência dependeria dos valores de indutância e capacitância dos com-ponentes. Quanto à fase, essa apresenta valor nulo nas frequências de ressonância para ambos os casos.

De acordo com Gonçalves (2018), todos os componentes reais têm seus valores de-pendentes da frequência devido à existência de elementos parasitas, sendo que apenas os mais relevantes influenciam diretamente na resposta em frequência do componente. Es-ses elementos parasitas, também chamados de proeminentes, serão dominantes quando o valor de impedância do elemento primário não for mais o mesmo. Considere as Figuras 2.9 e 2.10.

Na primeira delas, constata-se que para os capacitores a indutância parasita série (Ls)

é o principal fator da resposta em frequência. Para baixos valores de frequência, o ângulo de fase (q) da impedância é de aproximadamente 90◦. Ainda de acordo com a Figura 2.9, observa-se que o capacitor possui um ponto de impedância mínimo em uma frequência

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Figura 2.9: Resposta em frequência do capacitor. Fonte: [Keysight 2016]

Figura 2.10: Resposta em frequência do indutor. Fonte: [Keysigth 2016]

de auto-ressonância (SRF, do inglês Self-resonant frequency), determinada a partir da capacitância e indutância parasita de um modelo de circuito equivalente em série para o capacitor. Na frequência de auto-ressonância, os valores de reatância capacitiva e indutiva são iguais [1/(ω ∗ C) = ω ∗ L]. Portanto, neste momento o ângulo de fase de 0◦ e o dispositivo é resistivo. Para valores de frequência acima da ressonância, o ângulo de fase muda para um valor positivo em torno de 90◦ e, nesse momento, a reatância passa a ser indutiva, uma vez que a indutância parasita passa a ser dominante. Assim sendo, os capacitores não podem ser usados como tal para frequências acima da frequência de auto-ressonância.

(39)

Fi-CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 23

gura 2.10, em que a capacitância parasita (Cp) determina a resposta em frequência para

valores acima da frequência de auto-ressonância. O indutor vai ter um ponto de impe-dância máximo na frequência de auto-ressonância devido à capacitância parasita. Neste instante, tem-se que [ω ∗ L = 1/(ω ∗ C)]. Quanto à reatância, ela é indutiva para valores de frequência abaixo da frequência de auto-ressonância, e passa a ser capacitiva quando se tem valores frequência superiores, uma vez que a capacitância parasita se torna domi-nante.

Ao analisar os arquivos gerados pelo analisador de impedância, verificou-se para de-terminadas faixas de frequência a presença de valores negativos, tanto de indutância, quanto de capacitância. Isso acontece, pois quando a frequência se encontra acima da frequência de auto-ressonância, o valor de indutância negativo é exibido porque o valor de indutância medido (Lm) é calculado a partir de um vetor de reatância capacitiva, que

é contrário ao vetor indutivo. Da mesma forma, os valores de capacitância medida (Cm)

quando nas frequências acima da frequência de auto-ressonância, passam a ser calculados a partir de um vetor de reatância indutiva. A Figura 2.11 ilustra valores de indutância ne-gativos na frequência de ressonância, comprovando que a capacitância parasita predomina frente à indutância.

Modelo elétrico do cabo BCS

A metodologia utilizada para se levantar os valores dos componentes que geram os picos de impedância foi adotar um dos valores de indutância, medido pelo analisador, que caracterize o cabo BCS para em seguida, calcular o valor da capacitância parasita. Assim, ao analisar os dados de indutância (Ls) gerados pelo analisador de impedância,

observou-se que a indutância reduziu observou-seu valor significativamente com o aumento da frequência. Esse fenômeno acontece, pois, quanto maior a frequência e quanto mais perto da frequên-cia de ressonânfrequên-cia (paralela) estiver, menor se torna a influênfrequên-cia do indutor e maior passa a ser a influência dos componentes parasitas, neste caso o Cp. Portanto, para encontrar um

valor fixo de indutância que representa a primeira onda de impedância, foi feita a média de todos os valores de Ls até o momento exato antes da primeira ressonância, que é de

16, 52 kHz.

O valor de indutância encontrado, com base nos dados obtidos, para a frequência de 16, 52 kHz foi de 1 mH. A partir desse dado foi possível calcular a capacitância parasita a partir de:

f_r =√ 1

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(a) Indutância negativa para o primeiro pico de indutância.

(b) Indutância negativa para o segundo pico de indutância.

Figura 2.11: Indutâncias negativas. Fonte: [Gonçalves 2018]. Chegando a Cp= 0, 092µF.

Da mesma forma, fez-se para o segundo pico de impedância, ou seja, calculou-se a média dos valores positivos de Lsaté o momento exato antes da segunda ressonância, em

56, 52kHz, e chegou-se ao valor de Ls = 0, 44µH. Aplicando a equação 2.1, agora para o

f_r= 56, 52 kHz, encontra um valor de Cp= 0, 1803 µF.

2.2.2 Inversor de frequência em canais PLC

O uso de inversores de frequência em poços que operam por BCS oferecem várias vantagens sobre o uso de partida direta para acionamento do motor. Entretanto, esses equipamentos geram novos problemas, principalmente no que tange a comunicação pelo

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cabo de alimentação do motor BCS. Quando em operação, os inversores de frequência geram ruídos de alta frequência com um amplo espectro de frequência e elevada energia que se espalham pela rede elétrica [Konaté et al. 2010]. Ruídos do tipo síncrono e assín-crono com a frequência da rede elétrica são gerado por esse dispositivo, que também pode ser considerando tanto uma fonte de ruído impulsivo quanto uma fonte de harmônicos de corrente ou tensão na rede [Ahola 2003]. De acordo com Ahola (2003), os distúrbios eletromagnéticos gerados pelo variador de frequência, quando em operação, se originam principalmente na etapa de retificação da onda e na etapa de inversão da onda contínua em um sinal alternado decorrente do chaveamento dos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor- Transistor Bipolar de Porta Isolada)

O ruído gerado na etapa de inversão da tensão proveniente do link CC em um sinal al-ternado é impulsivo e assíncrono com a frequência da rede elétrica [Ahola et al. 2006]. A alta frequência de chaveamento dos semicondutores de potência (IGBTs), e os acentuados tempos de subida de tensão produzem esse ruído de alta frequência [Mannah et al. 2009]. Os ruídos gerados pela unidade retificadora, por sua vez, são componentes harmônicos de corrente e ocorrem sempre que o capacitor do link CC é carregado através da ponte retificadora [Silventoinen 2001]. Essas correntes harmônicas possuem frequências múl-tiplas inteiras da frequência da fundamental, que é a frequência em que opera o sistema. Estas harmônicas quando somadas à fundamental, causam uma distorção harmônica na corrente, que ao interagir com a impedância da linha, resulta em uma distorção harmô-nica também na tensão [Callegaro et al. 2007]. Conforme afirma Ahola (2003), além do ruído harmônico, o chaveamento da unidade retificadora gera picos de ruído impulsivo com amplo espectro de frequência.

Os ruídos gerados pelo inversor reduzem a taxa de transferência de dados realizável e elevam o número de erros de transferência de dados [Ahola et al. 2006]. Portanto, quando operando na mesma rede de alimentação, o inversor de frequência pode ser considerado um dispositivo prejudicial para o sistema de transferência de dados pelo cabo de alimen-tação do motor.

2.2.3 Loop de corrente

Os dados coletados do sensor de fundo são transmitidos à superfície em forma de corrente, ou seja, sinais de tensão produzidos pelo microcontrolador são convertidos para corrente contínua e injetados no ponto neutro do motor. Os sinais correspondentes são obtidos pela detecção da corrente do ponto neutro do filtro de superfície, que está aterrado, na unidade de superfície.

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Certamente, a maior vantagem de se utilizar um loop de corrente para a transmissão de sinal é a sua baixa sensibilidade ao ruído elétrico. Tal propriedade é de fundamental importância quando se trata de transmissão de longa distância e em ambientes industri-ais. Outra vantagem associada ao sinal de corrente para transmissão de dados é que ele é essencialmente sem perdas em relação ao meio de transmissão (cabo trifásico) e às in-terconexões existentes. Isto é, a precisão do sinal não é afetada pela queda de tensão ao longo do canal, permitindo portanto, que a transmissão do sinal ocorra a longas distâncias e condutores variados. Diferentemente, o sinal de tensão sempre terá uma perda de po-tência associada ao comprimento do cabo, não sendo portanto, viável para aplicação em BCS.

A Figura 2.12 descreve o caminho percorrido pelo sinal de corrente com as informa-ções do sensor de fundo. Na estrutura apresentada na Figura 2.12, a fonte de tensão CC da unidade de superfície injeta no neutro do indutor trifásico (choke) de superfície uma tensão CC. A corrente contínua se sobrepõe à corrente alternada trifásica, que parte do inversor de frequência, fluindo pelo cabo trifásico, até o motor no fundo do poço. No ponto neutro do motor a soma das correntes AC trifásica é zero, refletindo, portanto, so-mente o valor de tensão CC. A unidade de subsuperfície, conectada ao neutro do motor, recupera a tensão CC, que é regulada para alimentar o circuito transmissor e o conversor tensão-corrente. Essa tensão CC estabelece uma corrente CC, que é codificada com os valores coletados dos sensores, e requer uma referência de terra para caminho de retorno. Tipicamente, esse retorno fica a cargo da coluna de produção e do revestimento do poço, fechando o loop de corrente. A corrente com o sinal codificado retorna à superfície, onde passa por um conversor corrente-tensão, recuperando desta maneira o sinal de tensão ori-ginal fornecido pelos sensores no fundo do poço.

2.2.4 Fonte e tipos de ruído

Ao se propor um sistema de comunicação deve-se levar em consideração não somente as características de transmissão do canal, mas o cenário ocasionado pelas interferências são também importantes. Na aplicação de PLC em BCS essa afirmação se torna óbvia, uma vez que utilizam variadores de frequência.

O sinal transmitido em uma linha de energia elétrica está sujeito a perturbarções de diferentes tipos de ruídos, sendo o mais crítico o ruído impulsivo assíncrono gerado na saída do inversor de frequência [Kilani et al. 2011]. No inversor, o circuito de comando dos IGBTs é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle desses tran-sistores, que atuando sobre a taxa de variação do chaveamento das bases dos IGBTs,

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