UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO ENGENHARIA DE PETRÓLEO
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE PARA
UM PROTÓTIPO DE UNIDADE DE BOMBEIO MECÂNICO (UB).
WENDSON YURE FERNANDES DE FREITAS
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE PARA
UM PROTÓTIPO DE UNIDADE DE BOMBEIO MECÂNICO (UB).
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia de Petróleo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro de Petróleo.
Orientadora: Dra. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
Junho/2017 NATAL, RN
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais, Marcos e Dejane, à minha irmã, Yasmim, e à minha orientadora, Carla Maitelli.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, pelo dom da vida, por me dar forças nos momentos de maior dificuldade e as várias graças alcançadas no decorrer da caminhada.
A toda minha família, em especial meu pai, minha mãe e minha irmã pelo incentivo, apoio e carinho.
À minha orientadora, Prof. Dra. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli, por aceitar guiar meus passos nos momentos mais difíceis da caminhada, por seus ensinamentos, pela confiança depositada em mim e seus conselhos.
Aos meus companheiros de pesquisa, Gabriel Bessa, Hannah Lícia e Raphael Eliedson por toda parceria e empenho, sempre atuando para que pudéssemos entregar os nossos melhores resultados.
Aos professores do Departamento de Engenharia de Petróleo, pelos valiosos ensinamentos e conhecimento compartilhado.
Aos meus amigos, que contribuíram de forma direta e indiretamente para meu crescimento nessa árdua caminhada.
Ao Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT/UFRN), pela parceria para o desenvolvimento da pesquisa.
FREITAS, Wendson Yure Fernandes. Desenvolvimento de um sistema de controle para um protótipo de unidade de bombeio mecânico. 2017. 46 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2017.
Palavras-Chaves: Bombeio Mecânico, protótipo, controle, instrumentação.
Orientadora: Profª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli
RESUMO
___________________________________________________________________________ Este trabalho descreve e apresenta a desenvolvimento de um controle aplicado a um protótipo de uma unidade de Bombeio Mecânico com o objetivo automatizá-la, de maneira que seu funcionamento garanta uma maior eficiência e com o menor desgaste para seus equipamentos. O sistema de controle desenvolvido visa simular o mecanismo de controle do tipo Pum-off, onde o principal parâmetro a ser analisado foi a altura do nível dinâmico, onde, caso o nível dinâmico estiver no ponto especificado, determinar o acionamento do motor para o funcionamento do protótipo, assim, evitando o enchimento parcial da bomba, que acarreta em diversos problemas, como, perda de eficiência de produção, maior consumo de energia, maior desgaste dos equipamentos, etc. O protótipo foi desenvolvido no Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT), consiste em um sistema completo e transportável, capaz de mostrar o funcionamento de uma unidade de Bombeio Mecânico de maneira didática, além de proporcionar diversos estudos, como o desta pesquisa, que visa mostrar de uma maneira de fácil compreensão a importância e algumas utilidades dos controladores aplicado no método de elevação artificial do Bombeio Mecânico.
FREITAS, Wendson Yure Fernandes. Desenvolvimento de um sistema de controle para um protótipo de unidade de bombeio mecânico. 2017. 46 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2017.
Keywords: Mechanical pump, prototype, control, instrumentation.
Tutor: Profª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli ABSTRACT
__________________________________________________________________________
This work describes and presents the development of a control applied to a prototype of a Mechanical Pump unit with the objective of automating it, so that its operation guarantees a greater efficiency and with the least wear and tear for its equipment. The control system developed aims to simulate the Pum-off control mechanism, where the main parameter to be analyzed was the height of the dynamic level, where, if the dynamic level is at the specified point, determine the motor drive for operation Of the prototype, thus avoiding the partial filling of the pump, which causes several problems, such as loss of production efficiency, greater energy consumption, greater wear of equipment, etc. The prototype was developed in the Laboratory of Automation in Petroleum (Laboratório de Automação em Petróleo),
consists of a complete and transportable system, able to show the operation of a Mechanical Pump unit in a didactic way, besides providing several studies, such as since work that aims to show In a way of easy understanding the importance and some utilities of the controllers applied in the method of artificial elevation of the Mechanical Pump.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 OBJETIVOS GERAIS ... 2 1.1.1 Objetivo específicos ... 2 2. ASPECTOS TEÓRICOS ... 4 2.1 ELEVAÇÃO NATURAL ... 4 2.2 ELEVAÇÃO ARTIFICIAL ... 4 2.2.1 Bombeio mecânico ... 52.2.1.1 Cabeça da Unidade de Bombeio ... 7
2.2.1.2 Contrapesos ... 7 2.2.1.3 Motor ... 7 2.2.1.4 Haste polida ... 7 2.2.1.5 Coluna de Hastes ... 8 2.2.1.6 Bomba de Fundo ... 8 2.3 AUTOMAÇÃO DE POÇOS ... 9 2.3.1 Pancada de fluido ... 10 2.3.2 Carta dinamométricas ... 11
2.3.3 Aplicação de controle para o bombeio mecânico ... 13
2.3.4 Controle Pump-off ... 14
2.3.4.1 Controle Pump-Off utilizando a Carta Dinamométrica de Fundo ... 15
2.3.5 Controle Variable speed drive (VSD) ... 16
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 18
3.1 CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO ... 18
3.2.1 Placa de desenvolvimento Arduino ... 19
3.2.2 Resistor ... 20
3.2.3 Relé ... 20
3.2.4 Protoboard ... 21
3.2.5 Chave de nível de líquidos ... 22
3.3 ALGORITIMO DO CONTROLE ... 23 3.4 INVERSOR DE FREQUÊNCIA ... 24 3.5 INSTRUMENTAÇÃO DO PROTÓTIPO ... 26 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 28 4.1 ESTUDO DE CASO ... 28 4.2 INSTALAÇÃO DO CONTROLADOR ... 29
4.3 DEMONSTRAÇÃO GRÁFICA DA ATUAÇÃO DO CONTROLADOR ... 30
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Equipamentos de uma unidade de Bombeio Mecânico. ... 6
Figura 2 – Ciclo de Bombeio. ... 8
Figura 3 – Fenômeno da pancada de fluido. ... 10
Figura 4 – Exemplo de uma carta dinamométrica de superfície ideal. ... 11
Figura 5 – Exemplos de padrões de cartas dinamométricas de fundo... 12
Figura 6 – Demonstração do ponto de Pump-off. ... 15
Figura 7 – Protótipo da unidade de bombeio mecânico ... 18
Figura 8 - Arduino UNO R3 ... 19
Figura 9 - Resistor. ... 20
Figura 10 - Relé ... 21
Figura 11 - Protoboard ... 21
Figura 12 – Chave de nível de líquido ... 22
Figura 13 – Fluxograma do algoritmo de controle ... 23
Figura 14 – Inversor de frequência modelo CFW100 ... 24
Figura 15 – Entradas digitais do inversor de frequência modelo CFW100 ... 25
Figura 16 – Localização das Entradas digitais no inversor de frequência. ... 25
Figura 17 – Esquemático das ligações do Arduino com inversor ... 26
Figura 18 – Controlador instalado. ... 29
Figura 19 – Localização da chave de nível de líquido. ... 29
Figura 20 – Gráfico da submergência da bomba do protótipo sem controlador. ... 30
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
BCP Bombeio por Cavidades Progressivas BCS Bombeio Centrífugo Submerso BHJ Bombeio Hidráulico a Jato BM Bombeio Mecânico
CDF Cartas dinamométricas de fundo CDS Cartas dinamométricas de superfície CPM Ciclos por minuto
GLC Gas-lift contínuo GLI Gas-lift intermitente
IP Índice de Produtividade do Poço
LAUT Laboratório de Automação em Petróleo. RGL Razão gás-líquido
UB Unidade de bombeio mecânico VSD Variable speed drive
CAPÍTULO I:
1. INTRODUÇÃO
A crescente utilização do petróleo como fonte de energia é um dos fatores que mais tem contribuído para a evolução tecnológica industrial neste setor. Nos dias atuais, a utilização dos derivados do petróleo tem se tornado cada vez mais comum. Além disso, centenas de novos compostos utilizados diariamente passaram a ser produzidos, como plásticos, tintas, corantes, adesivos, solventes, detergentes, dentre outros. Assim, o petróleo passou a ser ainda mais indispensável às comodidades da vida moderna.
A pressão natural existente no reservatório, é gerada pelo peso das camadas de rochas sobrepostas. A pressão exercida pelas camadas de rocha gera uma tendência natural do óleo, presente na jazida, se deslocar do lugar de maior pressão, que é o interior do reservatório, para lugares de menor pressão, que é o interior da coluna de produção, e se a pressão superar a hidrostática do poço o óleo vai se deslocar pela coluna de produção até a superfície, tornando-se assim um poço surgente (SOUZA, 2013).
Com o decorrer da produção, a pressão natural do reservatório tende a diminuir, não sendo mais suficiente para vencer as perdas de carga para chegar até a superfície. Quando isso acontece é necessária a utilização de métodos que forneçam energia para a elevação dos fluidos, são os chamados métodos de elevação artificial. Os métodos de elevação mais utilizados atualmente são:
Bombeio Mecânico (BM);
Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP);
Bombeio Centrífugo Submerso (BCS);
Bombeio Hidráulico a Jato (BHJ);
Gas-lift contínuo e intermitente (GLC e GLI), e
Dentre os métodos de elevação artificial, o mais usado no mundo é o bombeio mecânico. Estima-se que 71% da elevação artificial de hidrocarbonetos líquidos no mundo utilize o sistema de bombeio mecânico (EuAlf, 2006). Na Petrobras, cerca de 70 % dos poços produtores são equipados com bombeio mecânico. (COSTA, 2008).
Com o avanço das tecnologias e formas de exploração de petróleo eficientes e automatizadas, são necessárias algumas mudanças e implementações no Bombeio Mecânico que sejam adequadas às necessidades do mercado, visando aumentar a eficiência do método e evitar futuros custos.
Na indústria petrolífera existem duas principais estratégias de controle utilizado no bombeio mecânico, são elas: os controles pump-off e variable speed drive (VSD). A primeira delas apresenta as limitações de um controle liga/desliga, e a segunda, permite alterar a característica do bombeio através da variação da velocidade de bombeio, definida em ciclos por minuto (CPM), com a utilização de um inversor de frequência (ORDOÑES, 2008). Os controladores são utilizados fundamentalmente para reduzir custos de produção.
Visto a importância da automação na indústria petrolífera, foi desenvolvido um controlador, semelhante ao controlador do tipo pump-off, para ser implantando em um protótipo de uma unidade de bombeio mecânico, principalmente para enfatizar de maneira mais didática a relevância dos controladores.
1.1 OBJETIVOS GERAIS
Desenvolver um controlador de Pump-off para um protótipo de uma unidade de bombeio mecânico (UB).
1.1.1 Objetivo específicos
Avaliar técnicas de controle para unidades de bombeio;
Desenvolver algoritmo de controle;
Instrumentar o protótipo da UB para permitir o controle;
Implementar ferramenta computacional de controle;
Avaliação o algoritmo desenvolvido no protótipo.
CAPÍTULO II:
2. ASPECTOS TEÓRICOS
Neste capítulo serão abordados os tópicos teóricos fundamentais para o entendimento e desenvolvimento deste trabalho.
2.1 ELEVAÇÃO NATURAL
Na elevação natural de petróleo, o fluxo de fluidos (óleo, água e gás) desde o reservatório até a superfície é devido unicamente à energia do reservatório. Normalmente ocorre no início da vida produtiva das jazidas. Porém, com o passar do tempo e o aumento da produção acumulada, a pressão do reservatório declina, tornando-se insuficiente para deslocar os fluidos até a superfície numa vazão econômica ou conveniente (THOMAS, 2004).
O principal fator que auxilia a elevação natural é a própria pressão do poço, sendo que outros fatores, também, são importantes, como: as propriedades dos fluidos, o índice de produtividade do poço, o mecanismo de produção, ou seja, gás em solução, capa de gás ou influxo de água, o dano causado à produção elaboradora durante a perfuração e/ou completação do poço, a aplicação de técnicas de estimulação e adequado isolamento das zonas de água e gás adjacentes à zona de óleo (OLIVEIRA, 2010).
2.2 ELEVAÇÃO ARTIFICIAL
Como já citado anteriormente, com o decorrer da produção, a pressão existente nos poços tende a diminuir, sendo assim necessário a implantação de um método de elevação artificial. Porém, em alguns poços, também pode ocorrer do reservatório já apresentar pressão insuficiente desde o início da sua vida produtiva, assim, sendo indispensável o auxílio na elevação do fluido para iniciar a produção.
A elevação artificial consiste em mecanismos, equipamentos e técnicas que transmitem a energia da superfície para o fundo do poço, a fim de elevar os fluidos contidos no reservatório para a superfície, tornando a produção viável economicamente.
A seleção do método de elevação artificial é de suma importância para a vida produtiva de um poço, pois está atrelada ao estudo da capacidade atual e futura do reservatório, além disso, a escolha incorreta do método e seu dimensionamento inadequado podem levar a uma perda de produção e inúmeros problemas operacionais (ESTEVAM, 1993).
Com isso, para escolha do método mais adequado para determinado poço, faz-se necessário o conhecimento de alguns parâmetros operacionais, dentre eles temos:
• Índice de Produtividade do Poço (IP); • Vazões de produção;
• Profundidade de elevação;
• Características dos fluidos produzidos: • Viscosidade; • Densidade; • Razão gás-líquido (RGL); • Produção de areia; • Onshore ou Offshore; • Disponibilidade de Energia e Gás; 2.2.1 Bombeio mecânico
Neste método de elevação artificial, a unidade de bombeio que está localizada na superfície transforma o movimento rotativo de um motor elétrico ou de combustão interna, em movimento alternativo de uma coluna de hastes. Esta por sua vez, transmite o movimento para o fundo do poço, acionando uma bomba de fundo que eleva os fluidos produzidos pelo reservatório para a superfície.
O Bombeio Mecânico é um método bastante utilizado por ser de simples operação e de fácil diagnóstico. Seu projeto é de instalação simples e pode estar em locais onde não há a presença de energia elétrica, pois o método apresenta como solução para este caso, o uso de motor de combustão interna.
Algumas vantagens da aplicação do bombeio mecânico (TAKÁCS, 2003).
Projeto de instalação relativamente simples;
Sob certas condições, pode ser utilizado até o fim da vida de um poço, isto é, até o abandono;
Sua capacidade de bombeio, dentro dos limites, pode ser facilmente alterada de acordo com as mudanças na produção do poço;
Apesenta facilidade na reposição dos componentes do sistema e acessórios.
A unidade de Bombeio Mecânico contempla equipamentos de superfície e subsuperficie. Os equipamentos de superfície são: cabeça da unidade de bombeio, bielas, manivelas, tripé, balancim, contrapesos, caixa de redução e motor. Já a bomba de fundo, as colunas de hastes e de produção, são equipamentos de subsuperficie. A Figura 1 mostra alguns dos equipamentos da Unidade de Bombeio.
Figura 1 – Equipamentos de uma unidade de Bombeio Mecânico.
2.2.1.1 Cabeça da Unidade de Bombeio
Localizada em uma das extremidades da viga, suporta a carga da haste polida por meio de dois cabos de aço e uma barra carreadora. A geometria da cabeça da UB faz com que a haste polida se mova verticalmente no poço (ESTEVAM, 1993).
2.2.1.2 Contrapesos
Quando o fluido é elevado o motor fornece energia no curso ascendente e descendente. Para elevar os fluidos o motor sofre uma grande exigência de força. Na intenção de minimizar essa exigência de força são utilizados contrapesos que são colocados na manivela ou na viga da unidade. Sendo assim no curso ascendente os contrapesos descem o que diminui a potência requerida do motor, já no curso descendente o motor fornece energia e eleva os contrapesos. Sendo assim ocorre uma distribuição mais uniforme das cargas fazendo com que o motor seja exigido de forma mais contínua e aumentando sua vida útil (ESTEVAM, 1993).
2.2.1.3 Motor
Os motores podem ser elétricos ou de combustão interna. Nos locais onde existe energia elétrica disponível são utilizados motores elétricos, pois apresentam maior eficiência, menor custo operacional e menor ruído. Em locais isolados, onde a construção de uma rede para distribuição de energia elétrica não é viável economicamente, são utilizados motores de combustão interna.
2.2.1.4 Haste polida
A haste polida tem a principal função de conectar a viga principal com a coluna de hastes, além a promover a selagem da cabeça do poço, assim, o escoamento do fluído ocorrendo apenas pela linha de produção. Também sofre a maior tração por sustentar o peso das hastes, força de empuxo, força de aceleração, força de fricção e peso do fluido (LIMA, 2014).
2.2.1.5 Coluna de Hastes
A coluna de hastes é um elemento bastante importante no sistema, pois é ela quem conecta os equipamentos de superfície aos equipamentos de subsuperfície, além de ser o responsável por transmitir energia da superfície para a bomba de fundo. Trabalhando em ambientes abrasivos e corrosivos e sujeitas a cargas cíclicas, a coluna de hastes é considerada a parte vital e crítica do sistema, respondendo pelo maior número de falhas no bombeio mecânico (LIMA, 2014).
2.2.1.6 Bomba de Fundo
As bombas de fundo utilizadas no bombeio mecânico trabalham sobre o princípio do deslocamento positivo e são do tipo cilindro-e-pistão. Seus principais componentes são a camisa, o pistão e as duas válvulas esferas. A válvula fixada na camisa atua como uma válvula de sucção, chamada válvula de pé. A outra, contida no pistão, atua como válvula de descarga, e é denominada válvula de passeio. Elas operam como check valves, a abertura e o fechamento de ambas durante o movimento alternativo do pistão, provêm uma maneira de deslocar o fluido até a superfície (TAKÁCS, 2003). A Figura 2 ilustra o movimento das válvulas de passeio e de pé, durante o deslocamento ascendente e o descendente do bombeamento.
2.3 AUTOMAÇÃO DE POÇOS
O fato dos poços serem distribuídos geograficamente em grandes extensões e da sua produção exigir uma máxima continuidade operacional torna a automação uma ferramenta fundamental, pois todas as empresas modernas têm na automação o suporte necessário para melhorar a utilização da matéria-prima, reduzir os custos de produção, melhorar a qualidade dos produtos, criarem planos de manutenção que minimizem o número de paradas no processo e tenham respostas mais rápidas a uma variação na demanda.
É de grande importância, um sistema local de controle do processo de elevação do petróleo capaz de mantê-lo no ponto ótimo de operação, identificar descontinuidade operacionais, retornar rapidamente ao ponto de operação após uma perturbação recuperando a produção da forma mais rápida possível, bem como diagnosticar a causa de algum problema, transmitindo a um sistema de supervisão avisos de providências a serem tomadas, tais como intervenção de limpeza, manutenção em equipamentos, dentre outros (ASSMANN, 2008).
O método de elevação artificial por bombeio mecânico é amplamente empregado na produção terrestre de petróleo, devido a simplicidade dos aspectos operacionais e de instalação. Os componentes mecânicos do sistema têm desenvolvimento avançado na indústria, porém, as estratégias de controle e sensores de fundo utilizados neste processo carecem ainda de melhorias com o intuito de incrementar a produção de óleo juntamente com a minimização dos custos devido a sempre necessária manutenção dos equipamentos.
Um problema operacional, relacionado ao objetivo citado acima, é o enchimento incompleto da bomba, este que é causado quando a capacidade da bomba excede a produção do reservatório, ou também quando o nível do anular se encontra baixo, o que ocasiona uma diminuição no deslocamento útil do pistão, e, por conseguinte, perda de produção. E o que é pior, este enchimento incompleto causa a elevação dos custos operacionais, já que reparos constantes nas hastes e equipamentos da bomba de fundo são necessários devido ao fenômeno da pancada de fluido (BOMMER E SHRAUNER, 2006).
2.3.1 Pancada de fluido
Um fenômeno do processo com incidência sobre a produção e os custos com manutenção é a pancada de fluido. Este tipo de ocorrência ou falha acontece quando o nível no anular é insuficiente para o enchimento total da câmara do pistão durante o ciclo de subida, como é apresentado em A, na Figura 3. Em uma situação normal, no início do ciclo descendente, a válvula de passeio abre-se ao encontrar a câmara cheia de fluido, cuja pressão permite um descarregamento suave da bomba. Porém, dado que a câmara não foi completamente preenchida, o pistão depara-se com uma coluna de gás, em B, cuja baixa pressão não é suficiente para a abertura da válvula de passeio. Conforme o avanço do pistão, em algum momento, o mesmo encontrará a coluna de fluido no interior da câmara repentinamente, em C, o que causará uma brusca transferência da carga, e, por conseguinte, um forte golpe mecânico sobre os componentes da bomba de fundo (ORDOÑES, 2008).
Figura 3 – Fenômeno da pancada de fluido.
Fonte: Adaptado de Ordoñes (2008).
A pancada acelera o processo de desgaste mecânico sobre os equipamentos do sistema, uma situação limite seria a parada do poço para intervenção com sonda para reparo e/ou troca dos equipamentos danificados. Além da perda de produção associada ao
2.3.2 Carta dinamométricas
A carta dinamométrica, é a ferramenta mais importante para análise de um sistema de bombeio mecânico. Comumente medida na haste polida, trata-se do registro da carga em função da posição da haste. A Figura 4 apresenta um exemplo de carta dinamométrica. A interpretação do formato da carta dinamométrica permite a avaliação do desempenho dos equipamentos de superfície e subsuperfície (ARAÚJO JUNIOR, 2014).
Figura 4 – Exemplo de uma carta dinamométrica de superfície ideal.
Fonte: Adaptado de Gomes (2009)
Existem dois tipos de cartas dinamométricas, a de superfície (CDS) e de fundo (CDF). A de superfície é medida na haste polida, através de um dinamômetro, mostrando a carga atuante nessa haste em função da sua posição durante um ciclo de bombeio. (BARRETO FILHO, 1993).
Devido às muitas interações entre os parâmetros que influenciem no formato e ao grande número de problemas possíveis no sistema de bombeio, infinitos padrões de cartas dinamométrica de superfície podem existir, tornando a análise delas bastante difícil. (TAKÁCS, 2003).
As cartas dinamométricas de fundo são aquelas tomadas imediatamente acima da bomba. A sua medição direta não é economicamente viável, sendo assim pouco desejável. Em substituição, uma filtragem matemática permite que uma carta de fundo seja gerada a partir de uma de superfície. Como já citado, dificilmente uma carta de superfície indica as mudanças de carga na bomba sem que informações sejam perdidas. (ARAUJO JÚNIOR, 2014). A Figura 5 mostra alguns dos principais padrões de formatos para a carta de fundo, tanto para coluna de produção ancorada como a não ancorada.
2.3.3 Aplicação de controle para o bombeio mecânico
Sistemas operando por bombeio mecânico são utilizados em instalações terrestres, e data como umas das primeiras técnicas de elevação utilizadas na indústria do petróleo. Dado este motivo histórico, o sistema de bombeio apresenta um caráter de desenvolvimento mecânico dos seus componentes bastante consolidado, porém, quando se atenta sobre as estratégias de controle e novas tecnologias, existem alguns aspectos passíveis de melhorias com o intuito de incrementar a produção e também diminuir os custos relacionados à manutenção do processo (ORDOÑES, 2008).
A operação do sistema de bombeio mecânico requer o monitoramento ininterrupto do comportamento da bomba de fundo, já que grande parte dos problemas relacionados ao desempenho da UB ocorre sobre os elementos que constituem a bomba de fundo. Para este monitoramento do sistema as cartas dinamométricas de fundo constituem uma ferramenta bastante conhecida na indústria e representam o comportamento da carga atuante na bomba de fundo por deslocamento do pistão refletidos na superfície através da coluna de hastes (ORDOÑES, 2008).
A automatização de poços está caracterizada pela utilização de instrumentos e sensores que têm o objetivo de monitorar algumas variáveis de interesse referentes ao processo. No bombeio mecânico, basicamente duas medições estão disponíveis mediante o uso de sensores de carga e posição, são elas: posição e carga referidas à haste polida. Estas duas variáveis correspondem aos dados fornecidos para a geração da carta de superfície e são medidas na superfície. A carta de fundo é calculada a partir desses dados fornecidos na superfície utilizando modelos matemáticos (GIBBS, 1963).
Como já citado anteriormente, existem duas principais estratégias de controle, pump-off e VSD, que são aplicados ao bombeio mecânico. Os controladores são utilizados fundamentalmente para assegurar o enchimento completo da bomba visando um máximo de produção, evitando assim, problemas causados pelo enchimento parcial da bomba. Estes problemas podem ser a pancada de fluido e desgastes nos componentes da bomba.
O desempenho da bomba está associado ao balanço volumétrico de entrada (vazão da formação do reservatório) e saída de fluido (vazão da produção da unidade de bombeio), e também a problemas no funcionamento mecânico da bomba de fundo. Outro fator importante no desempenho da bomba que reflete sobre o controlador, está associado ao ponto de operação relacionado ao nível de fluido no anular. Este ponto de operação é caracterizado pelo enchimento completo da bomba com a menor pressão de fundo possível, o que proporciona uma menor contrapressão sobre os canhoneados do reservatório, e incrementa a vazão de formação. O nível associado a este ponto é próximo à sucção da bomba (ORDOÑES, 2008).
2.3.4 Controle Pump-off
A ideia de controle intermitente baseia-se em garantir a menor pressão de fundo possível ocasionando uma maior produção de fluido, já que a contrapressão sobre os canhoneados é menor. O objetivo principal é levar o nível do fluido até a sucção da bomba no período final de operação. Basicamente, analisar o nível dinâmico no anular, com isso determinar ou não o desligamento dos equipamentos, já que um nível insuficiente de fluido no anular do poço ocasionará um enchimento parcial da bomba, o que certamente levará aos diversos problemas já citados.
Um controle on-off, que possibilitaria controlar o nível em uma determinada referência exigiria um chaveamento infinito do sinal de controle, o que em termos práticos não é possível. Porém, na prática a estratégia de controle pump-off se trabalha com o controle do nível sobre uma faixa próxima ao nível de referência, em que, um dos principais parâmetros que deve ser ajustado conforme projeto e necessidade de controle é o Nível de religamento da unidade de bombeio, ou tempo de espera, também conhecido como tempo de Pump-off (ORDOÑES, 2008).
A utilização do pump-off na indústria expandiu-se rapidamente dado seu caráter de simplicidade e eficiência. Como um dos primeiros métodos de controle, o pump-off propiciou uma economia de energia, já que a UB era desligada por períodos durante o dia, e evitava ao máximo o fenômeno de pancada de fluido.
2.3.4.1 Controle Pump-Off utilizando a Carta Dinamométrica de Fundo
O uso de controle para o pump-off determina um ponto de parada pré-estabelecido de acordo com características individuais de cada poço. Isto pode ser visto na Figura 6, onde é definido um valor relativo ao curso do pistão e carga atuante, que podem ser relacionados ao enchimento da bomba. Ou seja, determina-se um ponto para o desligamento da UB, em que o enchimento parcial da bomba não é mais vantajoso economicamente.
Figura 6 – Demonstração do ponto de Pump-off.
Fonte: Adaptado de Ordoñes (2008).
Assim, avalia-se a carta gerada no poço de produção se é semelhante ao padrão da pancada de fluido, caso afirmativo, desliga-se automaticamente a UB e espera-se pelo tempo pré-determinado segundo condições locais e individuais do histórico do poço de produção. Caso o sistema não identifique a pancada, a UB continua operando admitindo que o enchimento parcial da bomba de fundo ainda proporciona condições satisfatórias de produção.
2.3.5 Controle Variable speed drive (VSD)
O controle VSD está baseado em uma velocidade variável de bombeio propiciada utilizando um inversor de frequência instalado na superfície junto a UB, este dispositivo permite uma maior flexibilidade ao projeto, uma vez que, para manter o nível desejado no anular do poço de produção, pode-se ajustar a velocidade de bombeio, e consequentemente a vazão de óleo, conforme a necessidade de controle. Portanto, uma grande diferença em relação ao controle pump-off é que antes o bombeamento era total ou nulo, e agora, com o VSD, a variação da vazão de saída dá-se de forma contínua e suave. Esta estratégia é bem empregada quando existe informação sobre a pressão de fundo e permite configurar a capacidade de bombeamento conforme o nível dinâmico do anular (DIVINE, 1980).
Dado este caráter de produção contínua, quando no controle pump-off a carta acusa que o nível de fluido no anular está próximo ao da sucção da bomba, desliga-se a UB para que o nível no anular aumente assegurando a operação da UB sem a pancada de fluido, agora, com o controle VSD, pode-se diminuir a velocidade de bombeio até a desligar a UB, e, portanto, existe uma possibilidade de controlar o nível no anular sobre uma pequena faixa próxima a sucção da bomba. Além de trabalhar em um ponto de operação ótimo para a produção de fluido, elimina-se o custo operacional envolvido em desligar e ligar a UB, mas existe um custo fixo de instalação do inversor de frequência.
CAPÍTULO III:
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO
O protótipo da unidade de bombeio mecânico foi desenvolvido no Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT) e sua confecção e funcionamento está descrito no trabalho de conclusão de curso da aluna Ana Rafaelly Amaral Bezerra, cujo título é “Protótipo de uma unidade de bombeio mecânico”. O protótipo foi desenvolvido para auxiliar nas atividades acadêmicas relacionadas à Elevação Artificial e tem com o objetivo de simular o funcionamento de uma unidade de bombeio real, incluindo a operação de bombeamento, como ilustrado na Figura 7.
O presente trabalho também foi uma continuação de um trabalho de conclusão de curso, já iniciado anteriormente pela aluna Edja Landeyara Freitas Moura, com o título “Sistema de supervisionamento para o protótipo de uma unidade de bombeio mecânico”. O referido trabalho trata de um sistema de controle do tipo malha aberta. Já no presente trabalho, um dos principais objetivos foi transformar o controle em malhar fechada.
A construção do controlador foi realizada na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, LAUT. Os testes no equipamento também foram realizados no mesmo local, já que o mesmo oferece todos os requisitos necessários, além de oferecer a orientação e supervisão de técnicos e professores.
3.2 MATERIAIS UTLIZADOS
Placa de desenvolvimento Arduino;
Resistores de 220 Ohms;
Chave de nível de líquidos;
Relé;
Protoboard.
3.2.1 Placa de desenvolvimento Arduino
O Arduino é uma plataforma open-hardware, ou seja, é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, conforme a Figura 8. Essa plataforma possui seu próprio ambiente de desenvolvimento baseado na linguagem C. Esta placa é capaz de receber informações de entrada, através da sua grande quantidade de portas de entrada, e transformá-la em um comando de saída como ligar um led, um motor ou escrever algo.
A escolha por a utilização do Arduino deve-se ao seu baixo custo, facilidade de programação, montagem, e por atender as atuais necessidades de controle do protótipo da unidade de bombeio mecânico, além de possibilitar futuras melhorias no projeto por novos alunos que demonstrem o interesse na área.
Figura 8 - Arduino UNO R3
3.2.2 Resistor
Os resistores são componentes de circuitos elétricos que possuem a função de limitar os valores da corrente elétrica de acordo com necessidades específicas (Latosinski,2011). A Figura 9 ilustra uma resistência de 220 Ohms, similar ao usado no projeto.
Figura 9 - Resistor.
Fonte: http://www.tecnotend.com.br. Acesso em abril/2017.
3.2.3 Relé
O relé é basicamente um interruptor eletromecânico, onde uma corrente baixa aplicada a uma bobina faz com que o contato do interruptor se desloque, abrindo ou fechando um circuito elétrico. A Figura 10 ilustra o relé utilizado no projeto, o qual foi projetado especificamente para Arduino.
O relé foi o responsável pela ligação do Arduino com o inversor de frequência do protótipo, já que era possível programar o inversor para um módulo de acionamento liga/desliga por botões de pulso, onde os botões foram substituídos pelo relé que faz a mesma função, mas atendendo aos comandos do Arduino.
Figura 10 - Relé
Fonte: http://www.tecnotend.com.br. Acesso em abril/2017.
3.2.4 Protoboard
A função principal do protoboard é fazer a união entre os componentes do circuito de maneira simplificada. É constituído por uma base plástica, contendo inúmeros orifícios destinados à inserção de terminais de componentes eletrônicos, como demonstrado na Figura 11. Internamente existem ligações determinadas que interconectam os orifícios, permitindo a montagem de circuitos eletrônicos sem a utilização de solda.
Figura 11 - Protoboard
3.2.5 Chave de nível de líquidos
A chave de nível funciona como uma chave liga-desliga que pode acionar chaves, bombas, lâmpadas ou enviar um sinal para o micro controlador como o Arduino, Pic ou Raspberry Pi. Esse componente possui uma parte móvel que com a alteração do nível de liquido, faz com que um imã localizado no meio da haste acione um sensor magnético, que por sua vez fecha o contato entre os dois fios que saem da chave, como apresentado na Figura 12.
Figura 12 – Chave de nível de líquido
Fonte: http://www.tecnotend.com.br. Acesso em maio/2017.
Como não foi possível a instalação da chave no poço do protótipo, devido ao grande risco de danificá-lo, e também pelo fato do poço apresentar um diâmetro pequeno para sua instalação. Assim, a chave de nível de liquido foi introduzido no reservatório localizado ao lado do poço, onde é formado um ciclo fechado poço com o reservatório. O ciclo ocorre de maneira que o líquido entra no canhoneado do poço, simulando um reservatório, e é produzido pela coluna de produção, como ocorre em poços reais, e, no final, essa produção volta para o reservatório. Ou seja, o volume de liquido é constante, assim, possibilitando a criação de uma relação entre o volume do reservatório com a altura de nível dinâmico do poço.
3.3 ALGORITIMO DO CONTROLE
No algoritmo para determinação da altura do nível de líquido, em que a medição ocorre no tanque, inicialmente foi criado uma variável de segurança, que tem a função de impedir que o motor seja acionado quando o mesmo já se encontra ligado, o mesmo princípio também serve para o desligamento, a fim de evitar problemas no inversor de frequência. A variável Estado foi criada para receber a informação sobre o posicionamento da chave de nível de liquido, e por estar conectada a uma porta digital do Arduino possui apenas dois valores possíveis de leitura, um ou zero, sendo um para o quando a chave estiver ativada e zero para a chave desativada. Assim, com a combinação dessas duas variáveis é possível controlar o acionamento do inversor de frequência, como demonstrado no fluxograma da Figura 13.
Figura 13 – Fluxograma do algoritmo de controle
3.4 INVERSOR DE FREQUÊNCIA
O modelo do inversor de frequência utilizado no protótipo é o CFW100, mostrado na Figura 14, que é um acionamento de velocidade variável utilizado para motores de indução trifásicos, os seus valores de frequência podem atingir de 0,0 a 300 Hz, com isso permitindo o controle de partida e parada de motores elétricos.
Figura 14 – Inversor de frequência modelo CFW100
Fonte: http://old.weg.net/br. Acesso em maio/2017.
O modelo CFW100 além de possuir diversas funções, proporciona algumas opções de conexões de controle, como suas quatro entradas digitais, como mostrado nas Figuras 15 e 16, que permitiram a ligação com o Arduino e possibilitou o controle de acordo com o que foi programado. Esse tipo de inversor de frequência possui uma gama de parâmetros que precisam ser ajustados para seu funcionamento, como por exemplo os parâmetros de frequência, sentido de rotação do motor, alarmes de segurança, dentre outros. No presente trabalho foram alterados alguns parâmetros da sua configuração utilizada anteriormente, demonstrado na Tabela 1, com o objetivo de trocar o acionamento local pelo o acionamento remoto.
Figura 15 – Entradas digitais do inversor de frequência modelo CFW100
Fonte: http://old.weg.net/br. Acesso em maio/2017.
Figura 16 – Localização das Entradas digitais no inversor de frequência.
Fonte: http://old.weg.net/br. Acesso em maio/2017.
Tabela 1– Parâmetros para serem alterados no inversor de frequência.
Parâmetro utilizado modificado
P220 – Seleção fonte 0 – Sempre local 4 - Dlx
P221 – Seleção Referência 0 – Sempre local 1 – AI1
P263 – Função da entrada digital 1 0 – Sem função 6 – Liga P264 – Função da entrada digital 2 0 – Sem função 7 - Desliga
Fonte: Autor
3.5 INSTRUMENTAÇÃO DO PROTÓTIPO
A Figura 17 ilustra as ligações necessárias para que ocorra o controle, onde é possível visualizar, a ligação da chave de nível de liquido com uma porta digital do Arduino, sendo esse o responsável pelo valor gerado para a variável Estado, que acarretará no acionamento ou não dos relés, que por sua vez estão conectados as portas digitais do inversor de frequência.
Na Figura 17 também é possível verificar a aplicação do resistor de 220Ohms, que tem a função de manter o sinal que vem chave em nível baixo, ou seja, valor zero para quando a chave estiver aberta. Pois, caso o pino do Arduino não seja ligado em nenhuma tensão de referência, alguns ruídos gerados podem afetar a interpretação do valor gerado.
Em relação as portas digitais do Inversor de frequência, nota-se as ligações com os relés, a primeira porta com o primeiro relé, sendo esse o responsável pelo acionamento do motor, já a segunda porta, responsável pelo desligamento. A última porta do inversor de frequência representa o ground do inversor, que está conectado ao ground do Arduino, assim fechando o circuito.
Figura 17 – Esquemático das ligações do Arduino com inversor
CAPÍTULO IV:
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Esse capítulo apresenta o comparativo entre o protótipo sem o controle e o depois com o protótipo instrumentado, com o objetivo de mostrar o seu funcionamento e os resultados atingidos.
Após a implementação do algoritmo e instrumentação do protótipo, o resultado foi a obtenção de um controlador que segue as instruções teóricas apresentadas pela bibliografia. A fim de demonstrar de maneira simples e didática o controle do tipo on/off aplicado ao protótipo de uma unidade de bombeio mecânico.
O sistema de controle do protótipo da unidade de bombeio mecânico funcionou adequadamente, segundo os parâmetros propostos pelo projeto, sua aplicabilidade se encaixa na proposta de controle de pump-off como citado anteriormente, e expostas como objetivos no presente trabalho.
4.1 ESTUDO DE CASO
A Tabela 2 apresenta os dados comparativos entre os custos anuais do protótipo com o controlador e sem o controlador, os dados de consumo energético foram retirados do manual do fabricando do motor. O estudo de caso simulou que o poço só apresentou nível dinâmico adequado para produzir 12 horas por dia. Além da representativa economia de energia, os equipamentos apresentarão um menor desgaste, visto que, só estarão em funcionamento com o nível dinâmico adequado, quando estiver com aplicação do controlador.
Tabela 2– Dados do consumo energético do motor WEG.
Indicadores Com controlador Sem controlador
Custo unitário (R$/KWh) 0,197 0,197
Horas de operação ano 4.380 8.760
KWh médio consumido 33 33
Consumo anual (KWh) 144.540 289.080
4.2 INSTALAÇÃO DO CONTROLADOR
Na Figura 18 pode-se visualizar a instrumentação do controle aplicado no protótipo, além de indicar a ligação do relé com o inversor de frequência.
Figura 18 – Controlador instalado.
A Figura 19 demonstra a localização da chave de nível de liquido, pois, como citado anteriormente não foi possível sua instalação no interior do poço.
4.3 DEMONSTRAÇÃO GRÁFICA DA ATUAÇÃO DO CONTROLADOR
Foram realizadas duas simulações, em que, a bomba que fornece energia para o liquido sair do reservatório para o poço foi desligado, com isso a submergência da bomba foi diminuindo com o passar do tempo, como demonstrado na Figura 19. A simulação durou 60 segundos, e nota-se que a partir do tempo de 40 segundos a submergência da bomba chega a zero, ou seja nível dinâmico inadequado para continuação do bombeamento, mas como ilustrado no gráfico, após o tempo de 40 segundos até fim da simulação o protótipo da unidade de bombeio segue bombeando, assim, gerando todo problemas já citados anteriormente no escopo do trabalho.
Figura 20 – Gráfico da submergência da bomba do protótipo sem controlador.
Fonte: Autor 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Su b m ergê n cia d e b o m b a (c m ) Tempo (s)
Sem atuação do controlador
Na segunda simulação foi adicionado o controle ao protótipo da unidade de bombeio mecânico, o comportamento da submergência da bomba foi semelhante à primeira simulação, porém apresentou uma importante diferença quanto ao acionamento no motor, diferentemente do que ocorreu na primeira simulação, nota-se que com a atuação do controlador a partir do tempo de 40 segundos fez com o motor do protótipo fosse desligado, como demonstrado na Figura 20, com isso evitando que ocorra o bombeamento com o nível dinâmico inadequado.
Figura 21 – Gráfico da submergência da bomba do protótipo com controlador.
Fonte: Autor 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Su b m ergê n cia d e b o m b a (c m ) Tempo (s)
Com atuação do controlador
CAPÍTULO V:
5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Neste capítulo serão informadas as principais conclusões a respeito do trabalho desenvolvido, assim como recomendações para futuros trabalhos.
5.1 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi apresentada uma ferramenta de controle aplicado ao protótipo de bombeio mecânico do Laboratório de Automação em Petróleo. Com ele é possível realizar o controle do nível dinâmico através do acionamento do motor responsável pelo funcionamento do protótipo. O estudo foi voltado para uma abordagem da importância dos controladores na indústria petrolífera, seja no controle ou monitoramento de máquinas, mais especificamente para uma unidade de bombeio mecânico, com isso, conclui-se que os controladores podem proporcionam uma certa economia no decorrer da produção, seja por evitar a necessidade de intervenção de operadores ou por evitar o surgimento de grandes problemas.
O controlador de nível dinâmico desenvolvido apresenta um desempenho satisfatório, e atende as atuais necessidades do protótipo e do objetivo deste trabalho. Atende também ao intuito de utilizações para fins acadêmicos, como demonstrar conceitos de controle de pump-off, pancada de fluido, dentre outros.
5.2 RECOMENDAÇÕES
A ferramenta de controle desenvolvida pode receber novas implementações de forma a torná-la mais completa e mais parecida com o utilizado na prática. Recomendam-se, para trabalhos futuros, as seguintes melhorias no projeto:
A implementação de novas chaves, de forma que seja o responsável especificamente pelo acionamento do motor, de modo a garantir uma maior precisão ao ponto de acionamento do motor;
Adaptar a chave de nível de liquido ao poço do protótipo;
Desenvolver um algoritmo e programar o inversor de frequência, de forma que seja possível controlar a velocidade de rotação do motor.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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