Universidade Federal de Santa Catarina
Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia
Mecânica
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RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 2/3 (segundo de três)
Período: de 16/11/2009 a 27/12/2009
Schlumberger Serviços de Petróleo LTDA
Nome do aluno: Daniel Nalin
Nome do supervisor: Alexander R. Sandoval Nome do orientador: Dylton do Vale Pereira Filho
Sumário
1. Atividades Realizadas no Período ... 3
1.1 Introdução ... 3
1.2 Preparação para o trabalho ... 4
1.3 Atividades Realizadas ... 5
1.3.1 Bombeio Centrífugo Submerso ... 5
1. Atividades Realizadas no Período
1.1. Introdução
Após adquiridos os conceitos gerais sobre os diversos métodos e princípios de elevação, o segundo período do estágio tem como objetivo o estudo abrangente do bombeio centrífugo submerso, um dos métodos principais de elevação artificial da Schlumberger, amplamente utilizado no Brasil e no mundo.
Como mencionado previamente no primeiro relatório, este estudo visa dar embasamento teórico suficiente ao aluno para que o mesmo, no próximo período de atividades, esteja apto a analisar e dimensionar os equipamentos necessários para poços que utilizam o bombeio centrífugo submerso.
1.2. Preparação para o Trabalho
Seguindo a mesma linha do primeiro período, o aluno continuou com o desenvolvimento de atividades em conjunto com a equipe técnica, agora com o intuito de aprofundar seus conhecimentos em relação às instalações de equipamentos de bombeio centrífugo submerso. Dentre essas atividades estão o planejamento e logística dos embarques, separação e testes de equipamentos, reuniões pré-trabalho e pós-trabalho, análises de falhas, dentre outras atividades relacionadas.
1.3. Atividades Realizadas
1.3.1.
Bombeio Centrífugo Submerso
Da mesma forma que os outros métodos de elevação artificial, o objetivo do BCS é fornecer a energia adicional requerida ao poço para elevar a produção desejada até a superfície.
O sistema de bombeio centrífugo submerso utiliza uma bomba que toma o fluido do poço, fornece-lhe a energia requerida e descarrega o mesmo através da coluna de produção com uma pressão suficiente para que o fluido chegue a superfície, vencendo a pressão de cabeça do poço. A potência necessária para realizar esse trabalho é fornecida pelos motores elétricos.
Como em qualquer um dos métodos de elevação artificial, o projeto do equipamento deve corresponder às condições de operação do poço sendo assim de vital importância a informação fornecida pelo cliente juntamente com os estudos realizados.
O sistema de bombeio eletro submersível possui um amplo leque de aplicações operando em faixas de vazão de 100 à 10000 BPD e podendo ser utilizado com óleos crus leves, médios, pesados e extra-pesados. Outra grande vantagem do sistema de BCS é a operabilidade tanto em poços rasos como em poços com grande profundidade.
Imagem 1: Ilustração dos componentes de um sistema BCS
Com o objetivo de, posteriormente, entender-se o sistema como um todo, cada parte do conjunto terá suas características, pontos críticos e funcionamento descritos e comentados individualmente nos próximos itens deste relatório.
1.3.1.1.
Equipamento de Superfície
Em sua configuração completa, o equipamento de superfície geralmente tem como seus principais componentes: dois transformadores, variador de freqüência e uma caixa de junção.
A função do VSD é variar a freqüência das fases, e, em conseqüência, permitir a variação da velocidade do motor visando manter o torque sempre constante através do controle da corrente. Este fato permite a implementação de diversas funções como o controle suave da partida e desligamento suave da BCS, controle do drawdown do poço (redução do nível da coluna de fluído), regulagem da freqüência para faixa de melhor operação da bomba, etc.
habilitar o controle e automação remotas (dependendo do equipamento utilizado em conjunto com o mesmo).
Devido ao fato do VSD operar em tensões baixas (460V) se comparadas com as geradas nas plataformas, é necessário um transformador primário que reduz a tensão ao nível da tensão cujo o VSD opera. O VSD então controla a freqüência e corrente da linha de acordo com configurações pré-estabelecidas ou com instruções de automação, proteção e controle pré-estabelecidas.
A tensão de operação do motor é maior que a utilizada pelo variador de freqüência. Um segundo transformador é utilizado então para aumentar a tensão com a finalidade de alimentar o motor.
Por fim, tem-se a caixa de junção, ou Junction Box, que efetua três funções: fornece um ponto para conectar o cabo de energia proveniente do sistema de controle ao cabo de energia que desse no poço, fornece uma vedação à gases que podem migrar através do cabo submersível e permite acesso fácil a pontos de teste para checagens elétricas do equipamento de fundo.
Em casos aonde não é viável a aplicação de um VSD, são utilizadas chaves de partidas (switchboards) que trabalham com a freqüência da rede.
1.3.1.2.
Motor
O objetivo principal de um motor é converter energia elétrica em movimento para girar o eixo. O eixo é conectado através do protetor, separador de gás e admissão (intake) e gira os impelidores da bomba.
Os motores elétricos submersíveis são usualmente de indução, com
dois pólos, trifásicos do tipo gaiola de esquilo
. São constituídos basicamente
por um indutor (estator) e um induzido (rotor).
O estator possui um bobinado, entre o housing (carcaça) e o rotor que
quando alimentado gera um campo eletromagnético induzindo a rotação do
rotor, que gira junto com o eixo.
Imagem 2: Desenho em corte do motor
A capa carcaça (housing), os bobinados e as lâminas são definidos
como o estator. Dentro do estator estão os rotores. O rotor é também feito de
diversas lâminas de aço.
Há um espaço entre o diâmetro externo do rotor e o diâmetro interno do
estator. Este espaço é requerido para prevenir atrito entre os dois
componentes e é preenchido de óleo para lubrificar os rolamentos e refrigerar
o motor.
Imagem 3: Mancal Radial que une os rotores do motor
A ligação na base e na cabeça do motor é feita em estrela gerando assim dois pontos neutros, que são utilizados para alimentar o sensor (caso haja um).
Outra parte importante do motor é o mancal de trabalho, que tem a função de suportar o peso do equipamento, ou seja, o conjunto inteiro de rotores. Este mancal é fixo e fica na base do motor, como pode ser visto na figura abaixo.
Imagem 4: Mancal de trabalho do motor
1.3.1.3.
Protetor
O protetor é o componente do sistema que se instala acima do motor. Mesmo acopla o motor à bomba e transmite o torque gerado pelo motor através do eixo.
temperatura do motor irão contrair e expandir o óleo dielétrico. Essa expansão e contração devem ser contidas através do protetor.
Outra função do protetor é equalizar a pressão do case com a pressão interna do mesmo. Essa equalização ajuda a evitar que o fluido do poço entre no motor pois podem causar falha dielétrica precoce no mesmo.
Os selos do protetor isolam o fluido do poço do fluido dielétrico do motor. Como já dito, a contaminação do óleo do motor pode levar a falha. O protetor contem vários selos mecânicos os quais bloqueiam a passagem do fluido do poço.
O protetor também absorve o empuxo produzido pela bomba. Um mancal de trabalho contido no protetor que faz a proteção.
A Schlumberger utiliza dois tipos de protetores: os protetores labirinto e os protetores de selo positivo ou bolsa, sendo que os mesmos podem ser mesclados em série ou paralelamente para formar diferentes configurações de protetores.
Imagem 5: Protetor Labirinto Imagem 6: Protetor de Selo Positivo
Imagem 7: Ilustração de um protetor labirinto
Há casos em que o protetor labirinto simplesmente não será funcional. Em casos aonde o fluido do poço é mais leve que o óleo do motor, o óleo do motor ira para baixo da câmara substituindo o óleo do motor rapidamente. Se o fluido do poço tiver a mesma densidade do óleo dielétrico o mesmo também não deve ser utilizado. O protetor labirinto também não é funcional em certos poços inclinados devido a sua forma de construção. Se o mesmo trabalhar na horizontal, o fluido do poço pode contaminar o óleo do motor.
Para as aplicações descritas acima, um protetor de selo positivo ou bolsa que separa fisicamente os dois fluidos. A bolsa é feita de um elastômero de altas performances tolerante à altas temperaturas que absorve a contração e dilatação do óleo dielétrico do motor, como pode ser visto na figura abaixo.
Imagem 8: Protetor de selo positivo
O protetor é uma peça importante do conjunto BCS pois, geralmente, as falhas de equipamento de fundo do sistema estão ligadas ao motor. Um dimensionamento eficiente deve ser considerado na hora do desenvolvimento do sistema a fim de prolongar a vida do equipamento.
1.3.1.4. Intake e Separador de Gás
O intake tem como função permitir a entrada do fluido do poço na bomba. Com a finalidade de reduzir a entrada de sólidos na bomba, o intake possui uma malha externa como pode ser observado na figura seguinte.
Imagem 9: Admissão da bomba - Intake
Caso o impelidor da bomba se preencha completamente de gás, ocorre o chamado “bloqueio por gás” (gas lock) e a bomba deixa de fluido e conseqüentemente para de produzir.
Imagem 10: Efeitos do fluxo de gás através da bomba
Há então, a necessidade de instalar um dispositivo manuseador de gás na admissão da bomba para ajudar a reduzir a quantidade de gás livre nos fluidos que entram na bomba.
O separador de gás é também uma admissão como o intake mas o projeto do mesmo é voltado para reduzir a entrada de gases, evitando assim a obstrução da bomba por bloqueio gasoso. Um esboço do mesmo e das suas linhas de fluxo pode ser visto na figura abaixo.
Imagem 11: Separador de Gás Imagem 12: Funcionamento do separador
O AGH foi desenhado para aumentar a eficiência volumétrica do sistema BCS, mantendo uma relação gás – líquido maior. Este incremento de eficiência reduz a potência requerida para elevar o fluido.
O AGH pode ser utilizado junto a um separador de gás ou diretamente na admissão, tudo depende das condições do poço para que o sistema está sendo dimensionado.
1.3.1.5.
Bomba Centrífuga
A BCS é uma bomba centrífuga multi-estágios, que possui uma quantidade de impelidores que, dependendo da aplicação, possuem um determinado número de pás. Os impelidores estão dentro dos difusores, localizados em série ao longo de um eixo axial que é movido pelo motor elétrico.
Uma bomba centrífuga aumenta a pressão através da rotação das pás no impelidor. O movimento do impelidor forma um vácuo parcial no final da sucção do mesmo. O trabalho do impelidor é transferir energia ao fluido que passa por ele através do movimento rotacional, aumentando assim a energia cinética do fluido. Cabe então ao difusor converter a energia cinética do fluido em energia potencial (head).
Imagem 13: Diagrama de fluxo em um estágio Imagem 14: Componentes de um estágio
Um estágio é formado por um impelidor e um difusor. Cada estágio tem a função de elevar o fluido para o próximo estágio, incrementando a sua energia, até alcançar uma pressão de descarga que permita que o fluido chegue a superfície.
Os impelidores de fluxo misto possuem maior ângulo vertical nas pás e, por causa disso, são usualmente encontrados em bombas de grande vazão. A capacidade de retenção de gás desses impelidores é baixa.
Os impelidores de fluxo radial possuem ângulos de pás próximos a 90 graus e são utilizados em aplicações para bombas de baixa vazão. Nestes impelidores há maior probabilidade de ocorrer bloqueio por gás, dado o caminho mais difícil que o fluido deve percorrer.
Imagem 15: Diferenças entre tipos de estágios e porcentagem de gás
Imagem 16: Curva de performance de uma BCS
A BCS, como toda bomba, possui uma faixa de operação ao longo da curva. Essa faixa representa quando a bomba está operando em equilíbrio com seu peso, ou seja, a força do fluido está em equilíbrio com as forças da bomba.
Quando a bomba opera à esquerda da curva, a energia do fluido não vence o peso da bomba, havendo assim um esforço no sentido inferior, condição esta conhecida como downthrust. No caso contrário, quando a bomba opera à direita da faixa de operação, a bomba está em uma condição de upthrust, ou seja, a vazão é muito alta causando uma força resultante para cima. As condições de downthrust e upthrust são indesejadas devido ao desgaste que as mesmas causam ao equipamento.
Outra classificação das BCS é referente ao tipo de construção dos estágios que podem ser flutuantes ou de compressão.
As bombas de compressão são caracterizadas por terem seus impelidores presos verticalmente ao eixo. Os efeitos de downthrust e upthrust são então absorvidos diretamente pelos mancais do protetor e motor. A principal vantagem dessa concepção é a possibilidade de se ter um ganho de pressão maior devido à possibilidade de ser utilizada uma maior quantidade de impelidores.
Existem também configurações utilizadas com a finalidade de melhorar a resistência da bomba perante as condições de operação. Materiais cerâmicos são utilizados a fim de aumentar a resistência à abrasão.
1.3.1.6.
Sensor
Para realizar o monitoramento das condições de fundo e da operação do equipamento BCS se utilizam sensores de fundo que possibilitam o registro de certas variáveis relevantes como: temperatura do fluido, temperatura do motor, pressão do intake, pressão de descarga e vibrações. Variáveis estas importantes na realização de avaliações e diagnósticos.
O uso de sensores de fundo contribui para o aumento da vida útil do conjunto, otimização na produção, maior entendimento da performance do reservatório, oferecem maiores opções de proteção ao reservatório e equipamento através da automação do conjunto, tomada de decisões em tempo real, dentre outros.
1.3.1.7.
Cabo Elétrico
O cabo de potência alimenta eletricamente o motor de fundo conectando-o com a potência gerada na superfície.
Existem diversos tipos de cabo, a seleção dos mesmos é feita levando em conta propriedades elétricas, dimensões físicas, resistência ao meio de operação, resistência mecânica, temperatura e espaço disponível.
Uma diferente gama de condutores está disponível para atender as especificações. Quanto a disposição dos fios os cabos podem ser Flat (finos) ou Round (Redondos).
2. Conclusões
Como visto, o segundo período de estágio bem como o seu relatório,
cumpriram com seus objetivos. O método de bombeio centrífugo submerso foi
aprofundado e cada um de seus componentes foi cautelosamente analisado e
estudado.
Cabe salientar que outras atividades foram desenvolvidas a fim de
expor a parte prática relacionada aos conhecimentos adquiridos ao aluno.
Mesmo com alguns conhecimentos relacionados à outros campos, mais
uma vez fica claro que a formação acadêmica do aluno perante as atividades
de trabalho é de grande valia.
3. Referências
• Apostila: Schlumberger Well Completions & Productivity – SELC / WCP1S. • Field Service Manual: Artificial Lift Submersible Systems
• DONNELY, Richard W. Artificial Lift. 1a. Edição. 1985.
• Schlumberger Oilfield Glossary: http://www.glossary.oilfield.slb.com • Schlumberger HUB: http://hub.slb.com
• Folhetos Petrobrás: www2.petrobras.com.br/EspacoConhecer/
4. Anexos
Imagem 17: Impelidor da bomba Imagem 18: Corte de difusor e impelidor
Imagem 19: Impelidor
Imagem 20: Exemplos de cabos elétricos
