Simulador Computacional para Poços de Petróleo com Método de Elevação Artificial por Bombeio Mecânico

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1 Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note Cento de Tecnologia Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética Simulado Computacional paa Poços de Petóleo com Método de Elevação Atificial po Bombeio Mecânico João Maia Aaújo do Nascimento Oientado: Pof. D. Sc. Pablo Javie Alsina Co-oientado: Pof. D. Sc. Andé Lauindo Maitelli Dissetação de Mestado apesentada ao Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética da UFRN (áea de concentação: Automação e Sistemas) como pate dos equisitos paa obtenção do título de Meste em Ciências. Natal, RN, maço de 005.

2 Divisão de Seviços Técnicos Catalogação da publicação na fonte. UFRN / Biblioteca Cental Zila Mamede Nascimento, João Maia Aaújo do. Simulado Computacional paa Poços de Petóleo com Método de Elevação Atificial po Bombeio Mecânico / João Maia Aaújo do Nascimento. - Natal, p. Oientado: Pablo Javie Alsina Co-Oientado: Andé Lauindo Maitelli Dissetação (Mestado) - Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note. Cento de Tecnologia. Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética.. Simulado - Dissetação.. Petóleo - Dissetação. 3. Bombeio mecânico - Dissetação. 4. Simulação computacional - Dissetação. 5. Elevação atificial - Dissetação. I. Alsina, Pablo Javie. II. Maitelli, Andé Lauindo. III. Título. RN/UF/BCZM CDU

3 Voltei-me, e vi debaixo do sol que não é dos ligeios a caeia, nem dos fotes a batalha, nem tampouco dos sábios o pão, nem tampouco dos pudentes as iquezas, nem tampouco dos entendidos o favo, mas que o tempo e a opotunidade ocoem a todos. Eclesiastes 9:. 4

4 Agadecimentos Ao meu maavilhoso Deus, pelo pivilégio de conclui este tabalho mesmo com lutas e dificuldades. A Ele toda glóia e louvo. Ao meu oientado Pof. D. Pablo Javie Alsina, pelas muitas sugestões e colaboação neste tabalho. Ao meu co-oientado e amigo Pof. D. Andé Lauindo Maitelli pela confiança, a- poio e entusiasmo. Ao Eng. Rutácio de Oliveia Costa, em especial, po suas inestimáveis contibuições e pelos muitos momentos de incentivo. Aos engenheios e colegas, gandes pofissionais, da ST-ELV da UN-RNCE da Petobas que contibuíam com infomações e feedbacks. Aos pofessoes Adelado Medeios, Andés Otiz, Fábio Meneghetti e Affonso. Aos colegas da Base de Pesquisa BPCAS. Aos colegas do Pojeto Automação de Poços, pela foça e estímulo. À Petobas, pela confiança e apoio financeio. A minha família, pela atenção, amo e compeensão em todos os momentos. A minha mãe, em especial, que nunca mediu esfoços paa a ealização deste sonho. A todos aqueles, enfim, que contibuíam e apimoaam o conteúdo deste tabalho. Que Deus abençoe a todos! 5

5 Resumo Este tabalho popõe um simulado computacional paa poços de petóleo com tajetóia vetical, equipados com elevação atificial po bombeio mecânico (BM). O simulado é capaz de epesenta o compotamento dinâmico de sistemas de BM e avalia numeicamente divesos paâmetos elevantes ao mesmo, pemitindo a fácil visualização de divesos fenômenos petinentes ao pocesso, tudo isso, de foma conveniente e a custos e tempos menoes, do que expeimentos com poços eais. A simulação utiliza um modelo baseado no compotamento dinâmico da coluna de hastes, o qual pode se epesentado po uma equação difeencial pacial de segunda odem. A pati deste modelo, pode-se veifica a ocoência de divesas situações comumente vivenciadas em campo. A simulação conta ainda com animações em 3D, facilitando o entendimento físico do pocesso, devido a uma melho intepetação visual dos fenômenos. Outa caacteística impotante é a emulação dos pincipais sensoes utilizados na automação de BM. A emulação dos sensoes é feita atavés de uma inteface micocontolada ente o simulado e contoladoes industiais, de maneia que os contoladoes intepetem o simulado como um poço eal. No simulado foi desenvolvido um módulo de falhas onde são implementadas seis difeentes condições de falhas. Estas petencem ao gupo dos pincipais poblemas encontados em sistemas de BM. Assim, a análise e veificação destes poblemas, atavés do simulado, dá ao usuáio a opotunidade de identifica tais situações que só podeiam se obsevadas em campo. A implementação destas condições ecebe um tatamento difeenciado em vitude das difeentes condições de contono impostas à solução numéica do poblema. Divesas aplicações são encontadas paa o simulado, dente elas: a paametização e análise de poços, a aplicação em cusos de capacitação técnica paa técnicos e engenheios, a ealização de testes em contoladoes, sistemas supevisóios e a validação de algoitmos de contole. Palavas-chave: Simulado, elevação atifial, bombeio mecânico e petóleo. 6

6 Abstact This wok poposes a compute simulato fo sucke od pumped vetical wells. The simulato is able to epesent the dynamic behavio of the systems and the computation of seveal impotant paametes, allowing the easy visualization of seveal petinent phenomena. The use of the simulato allows the execution of seveal tests at lowe costs and shote times, than eal wells expeiments. The simulation uses a model based on the dynamic behavio of the od sting. This dynamic model is epesented by a second ode patial diffeencial equation. Though this model, seveal common field situations can be veified. Moeove, the simulation includes 3D animations, facilitating the physical undestanding of the pocess, due to a bette visual intepetation of the phenomena. Anothe impotant chaacteistic is the emulation of the main sensos used in sucke od pumping automation. The emulation of the sensos is implemented though a micocontolled inteface between the simulato and the industial contolles. By means of this inteface, the contolles intepet the simulato as a eal well. A "fault module" was included in the simulato. This module incopoates the six moe impotant faults found in sucke od pumping. Theefoe, the analysis and veification of these poblems though the simulato, allows the use to identify such situations that othewise could be obseved only in the field. The simulation of these faults eceives a diffeent teatment due to the diffeent bounday conditions imposed to the numeic solution of the poblem. Possible applications of the simulato ae: the design and analysis of wells, taining of technicians and enginees, execution of tests in contolles and supevisoy systems, and validation of contol algoithms. Keywods: Simulato, atificial lift, sucke od pumping and oil. 7

7 CONTEÚDO Intodução Poposta de Simulação... 9 Métodos de Elevação.... Elevação Natual.... Etapas de Fluxo..... Fluxo no Meio Pooso Fluxo na Coluna de Podução Fluxo na Supefície Elevação Atificial Gas-Lift Plunge Lift Bombeio po Cavidades Pogessivas BCP Bombeio Mecânico (BM) Componentes do BM Descição do Ciclo de Bombeio Bomba de Fundo ou Subsupefície Coluna de Hastes Cata Dinamomética Unidade de Bombeio Caixa de Redução Moto Modelagem do Sistema Método Convencional Método API Modelagem Dinâmica Método de Lea Simulado de Bombeio Mecânico Pincípio de Funcionamento Animação em Opengl Módulo de Falhas Haste Patida Pistão Peso Eficiência da Bomba de Fundo Bloqueio de Gás Pancada de Fluido (Fluid Pound) Paafinação Contole po Pump-off

8 5.5 Inteface Micocontolada Validação do Simulado Conclusão...07 Anexo Fómula de Mills...0 Anexo Compotamento da Coluna de Hastes... Anexo 3 Esquema Elético da Inteface Micocontolada...4 9

9 LISTA DE FIGURAS Figua. Tela do simulado de BM Figua. Tipos de fluxo de um poço sugente... 3 Figua. Cuva de IPR paa o modelo linea... 4 Figua.3 Cuva de IPR paa o modelo de Vogel... 4 Figua.4 Combinação da cuva de IPR vesus a cuva de TPR Figua.5 Poço equipado com gas-lift Figua.6 Poço equipado com o método plunge lift... 9 Figua.7 Poço equipado com BCP Figua 3. Métodos de elevação atificial... 3 Figua 3. Pincipais pates de um sistema de BM Figua 3.3 Pates da bomba de fundo Figua 3.4 Cuso ascendente e descendente Figua 3.5 Bomba tubula e bomba insetável Figua 3.6 Designação API paa bombas Figua 3.7 Válvula esfea com sede Figua 3.8 Foma de extensão da coluna de hastes Figua 3.9 Coluna de hastes combinada... 4 Figua 3.0 Cata dinamomética ideal e com efeito do alongamento das hastes Figua 3. Cata dinamomética Figua 3. Unidade de bombeio Figua 3.3 Geometia da unidade de bombeio convencional Figua 3.4 Movimento da haste polida Figua 3.5 Velocidade e aceleação da haste polida Figua 3.6 Cuvas de fato de toque... 5 Figua 3.7 Cuvas de toque... 5 Figua 3.8 Caixa de edução Figua 4. Definição da vaiável deslocamento... 6 Figua 4. Deslocamento na bomba de fundo Figua 4.3 Seções de uma coluna de hastes combinada Figua 5. Fluxogama de funcionamento do simulado Figua 5. Distibuição de classes no simulado de BM Figua 5.3 Janela esevatóio Figua 5.4 Poço com pontos de pessão e nível no anula Figua 5.5 Gáfico paa cuva de IPR linea Figua 5.6 Gáfico paa cuva de IPR Vogel Figua 5.7 Janela esquema mecânico Figua 5.8 Janela de seções de hastes Figua 5.9 Janela poço Figua 5.0 Janela de unidade de bombeio... 8 Figua 5. Gáficos da cinemática da unidade de bombeio... 8 Figua 5. Gáfico do fato de toque Figua 5.3 Gáfico dos toques da unidade de bombeio Figua 5.4 Campo posição dos contapesos Figua 5.5 Botão liga simulação Figua 5.6 Botões desliga simulação e paa moto Figua 5.7 Janela de discetização de catas Figua 5.8 Baa de taefas do simulado

10 Figua 5.9 Botão de visualização do gid de vaiáveis dinâmicas Figua 5.0 Vaiáveis dinâmicas do simulado Figua 5. Unidade de bombeio em opengl Figua 5. Coluna de podução em opengl Figua 5.3 Enchimento pacial da bomba Figua 5.4 Animação da bomba de fundo em sinconismo com as catas dinamométicas. 9 Figua 5.5 Módulo de falhas do simulado de BM Figua 5.6 Modelo de cata dinamomética paa falha de haste patida Figua 5.7 Catas dinamométicas medida x simulada (CAM -954) Figua 5.8 Catas dinamométicas com haste patida (CAM-954) Figua 5.9 Cata dinamomética de haste patida com meno CPM Figua 5.30 Cata dinamomética paa a falha de pistão peso Figua 5.3 Cata de fundo na situação de pistão peso Figua 5.3 Cata dinamomética com intefeência de gás Figua 5.33 Botão do contole de pump-off Figua 5.34 Cata dinamomética com o ponto de pump-off...0 Figua 5.35 Tempo de espea paa simulação de pump-off...0 Figua 5.36 Ponto de pump-off foa da áea da cata...0 Figua 5.37 Inteface micocontolada...03 Figua 5.38 Esquema de intefaceamento simulado, placa e contolado...04 Figua 5.39 Avaliação de catas dinamométicas do poco MO Figua 5.40 Avaliação de catas dinamométicas do poco MO

11 LISTA DE TABELAS Tabela 3- Popiedades mecânicas das hastes Tabela 3- Coeficientes de Fouie paa uma geometia de unidade de bombeio convencional Tabela 3-3 Valoes paa o fato de caga cíclica... 54

12 LISTA DE SÍMBOLOS A Distância do mancal de sela ao cento da cabeça da UB, mm (in); A i Coeficientes de Fouie; a max Aceleação máxima das hastes no método convencional, m/s (ft/s ); AOFP Absolute Open Flow Potential, m 3 /dia; A P Áea da seção tansvesal do pistão, m (in ); API Gau API do óleo; A Áea da seção tansvesal da haste, m (in ); A Áea da seção tansvesal da haste mais póxima à bomba, m (in ); A p Áea da seção tansvesal da haste polida, m (in ); A t Áea da seção tansvesal da coluna de podução, m (in ); B Desbalanceio estutual da unidade, kgf; B gs Fato de volume de fomação do gás; B i Coeficientes de Fouie; B LS Fato de volume de fomação da fase líquida; B o Fato de volume de fomação do óleo; BSW Pecentual de água e sedimentos do fluido poduzido; c Fato de amotecimento, s - ; C Distância do mancal de sela ao cento da baa equalizadoa, mm (in); C Númeo de Couant; c D Coeficiente de amotecimento adimensional; CLF Fato de caga cíclica; CPM Ciclos po minuto; d densidade; D b Pofundidade da bomba, m (ft); d p Diâmeto do pistão, m (pol); E f Empuxo na coluna de hastes devido ao fluido, N (lbf); e P Elongação devido à aceleação (ovetavel), m (pol); e Elongação das hastes, m (pol); E Módulo de elasticidade do mateial das hastes, Pa (psi); E s Eficiência de sepaação de gás no fundo; e t Elongação da coluna de podução, m (pol); E t Módulo de elasticidade do mateial da coluna de podução, Pa (psi); E v Eficiência volumética; F ac Foça de aceleação, N (lbf); F D Esfoço dinâmico, N (lbf); F f Foça de ficção, N (lbf); F o Caga no pistão devido ao fluido, N (lbf); F s Caga nas hastes, N (lbf); F SV Caga estática sobe a válvula de pé, N (lbf); f T Fato de toque, m (ft); F TV Caga estática sobe a válvula de passeio, N (lbf); g Aceleação da gavidade, m/s (ft/s ); gad Gadiente de pessão; H Nível de fluido no anula (H=L se o nível de fluido no anula está na bomba); I Distância hoizontal do eixo da manivela ao cento do mancal de sela, mm (in); i anc Ancoagem da coluna de podução (0 ancoada e quando não); IP Índice de podutividade; 3

13 IPR Inflow Pefomance Relationship; I ms Coente eficaz no moto (A); I med Coente média no moto (A); J Distância do cento do mancal cankpin ao mancal de sela, mm (in); K Distância do eixo da manivela ao mancal de sela, mm (in); K Fato geomético utilizado no modelo de Lea; K Fato geomético utilizado no modelo de Lea; K 3 Fato geomético utilizado no modelo de Lea; K 4 Fato geomético utilizado no modelo de Lea; L Pofundidade da coluna de hastes, m (ft); L k Compimento da seção k das hastes, m (ft); M Momento máximo dos contapesos, (in. lbs); m cp Massa dos contapesos, kgf; M m Toque da manivela sem contapesos, (lbf.in); MPRL Caga mínima na haste polida, N (lbf); N Feqüência de bombeio (CPM ciclos po minuto); ND Nível Dinâmico, m (in); P Compimento da biela, mm (in); P d Pessão na descaga da bomba, Pa (psi); PD Pump displacement, m 3 /dia; P e Pessão estática do esevatóio, Pa (psi); P g Pessão da coluna de gás, Pa (psi); PPRL Caga máxima na haste polida, N (lbf); PRHP Potência na haste polida, (hp); P s Pessão na sucção da bomba, Pa (psi); P seg Fação de Potência; PT Toque máximo, N.m (lbf.in); P tf Pessão na cabeça, Pa (psi); P wf Pessões de fluxo no fundo do poço, Pa (psi); p wh Pessão na coluna de podução medida na cabeça do poço, Pa (psi); q Vazão do esevatóio (m 3 /dia); qb deslocamento volumético da bomba (m 3 /dia); Q b Vazão da bomba, m 3 /dia; q L Vazão de líquido, m 3 /dia; q max Vazão máxima do esevatóio, m 3 /dia; q sup Vazão na supefície, m 3 /dia; R Raio da manivela, mm (in); R Razão gás/óleo de podução, m 3 /m 3 (ft 3 /bbl); Diâmeto da coluna de haste, m (in); R s Razão de solubilidade do gás no óleo, m 3 /m 3 (ft 3 /bbl); t Diâmeto da coluna de podução, m (in); s Compimento medido à pati da bomba, ao longo das hastes, m (ft); S Cuso da haste polida, m (in); S adm Tensão máxima admissível nas hastes, Pa (psi); SF Fato de seviço; S max Tensão mínima pesente na haste, Pa (psi); S min Tensão máxima pesente na haste, Pa (psi); S P Cuso efetivo do pistão, m (in); SpG Gavidade especifica do fluido poduzido; 4

14 T u U v v f v p v W W b W f W x cp Tensão de uptua mínima, Pa (psi); Repesenta o deslocamento de um ponto da coluna de hastes, m (ft); Peímeto da seção cicula das hastes, m (ft); Velocidade do som nas hastes, m/s (ft/s); Velocidade do fluido, m/s (ft/s); Velocidade do pistão, m/s (ft/s); Velocidade das hastes, m/s (ft/s); caga na haste polida, N (lbf); Peso do fluido deslocado pelas hastes, N (lbf); Peso do Fluido, N (lbf); Peso das hastes no a, N (lbf); Distância dos contapesos, m (in); Fato de aceleação ou impulso; Tensão de cisalhamento, Pa (psi); Gavidade específica do fluido; f Massa específica do fluido, kg/m 3 (lb/ft 3 ); k Massa específica do mateial das hastes, kg/m 3 (lb/ft 3 ); Velocidade angula, ad/s; Ângulo da manivela, ad; Viscosidade do fluido, Pa.s (cp); Coeficiente do atito de Coulomb; Ângulo ente C e P, gaus; Ângulo ente C e K, gaus; t Ângulo ente C e K, no top stoke, gaus; b Ângulo ente C e K, no bottom stoke, gaus; Ângulo ente a posição hoas e K, gaus; Subscitos e Sobescitos A b b d D f g i j k L max min N oleo p s sup Cuso ascendente; Bottom Stoke; No inteio da bomba de pessão e tempeatua de descaga; Cuso descendente; fluido; gás; Índice de posição no esquema de difeenças finitas; Índice de tempo no esquema de difeenças finitas; Índice da seção da coluna de hastes combinada; Líquido; Máximo; Mínimo; Net (Líquido); Óleo; Pistão; e tempeatua de sucção; Supefície; 5

15 t teste w Top Stoke; Teste; Água. 6

16 Capítulo Intodução A simulação computacional é um pocesso de expeimentos em sistemas ou fenômenos físicos, ealizados atavés de modelos matematicamente computadoizados, os quais epesentam caacteísticas obsevadas em sistemas eais []. A pati da simulação computacional é possível a análise de difeentes tipos de sistemas, possibilitando: um maio domínio e conhecimento na opeação dos sistemas; melho desempenho dos sistemas; o teste de novos conceitos ou técnicas antes da implementação física, e a obtenção de infomações sem petuba o sistema eal. Atavés de simuladoes é possível a visualização das pincipais etapas de um pocesso, examinando-se as suas fomas de opeação e entendendo-se suas pincipais conexões com ambientes extenos, sem a necessidade de se paa o pocesso eal, o que podeia esulta em petubações inconvenientes ao sistema. Assim, a análise de sistemas em ambientes computacionalmente simulados pode coopea na melhoia de pocessos e no empego de novas técnicas, sem possíveis desgastes ao sistema eal. Dente as muitas vantagens dos simuladoes, podem se citadas []: a ealização de expeiências em um tempo cuto e a fácil demonstação do pocesso. Gealmente o tempo de simulação computacional de um evento é meno que o tempo do evento no mundo eal. Muitos fenômenos de pocessos eais podem dua dias, meses ou 7

17 anos paa ocoeem, poém, com o advento da simulação computacional, este tempo pode se eduzido paa fações de tempo muito pequenas. Este fenômeno pode ocoe também com os métodos de elevação atificial de petóleo, que em geal possuem uma dinâmica lenta. Com isto, situações que podeiam se impaticáveis de se analisa, devido ao tempo, podem, atavés de simulação, se estudadas de foma obusta e po epetidas vezes. Na falta de simuladoes computacionais, os engenheios e cientistas são, muitas vezes, obigados a analisa os pocessos, utilizando técnicas matemáticas e pobabilísticas. Poém, estas técnicas, na sua gande maioia, possuem apoximações e simplificações, fonecendo esultados estatísticos em um único instante de tempo, muitas vezes, impecisos. Foa dessa ealidade, encontam-se os simuladoes capazes de simula dinamicamente pocessos em tempo eal, livando os engenheios e cientistas de complicados cálculos []. Hoje, com os avanços computacionais, a áea de simulação computacional empega cada vez mais ecusos em animações gáficas, facilitando o entendimento do pocesso. A utilização de animações em simuladoes pode ajuda na compeensão do compotamento do pocesso, pois sem as animações o usuáio ficaia limitado à intepetação de um possível gupo de tabelas ou númeos em foma textual. Emboa os simuladoes possuam inúmeas vantagens, existem também algumas limitações, as quais não estão elacionadas ao modelo imposto no simulado, e sim a expectativas geadas sobe o simulado. As limitações podem se: uma simulação não pode da esultados pecisos quando os dados de entada foam impecisos; a simulação não pode da espostas fáceis a poblemas complexos, e a simulação não pode soluciona poblemas po si só. O temo utilizado na liteatua paa os esultados impecisos de uma simulação, devido a paâmetos de entada incoetos, é gabage in, gabage out (lixo entando, lixo saindo), ou seja, não adianta o modelo esta pefeitamente coeto se os dados de entada não foem confiáveis. Po isto, muitos simuladoes hoje tentam ealiza otinas de veificação e consistência de dados paa expoem possíveis eos ao usuáio. Po fim, a idéia básica de um simulado é gea soluções potenciais paa poblemas, ou mesmo auxilia o pojetista engenheio na tomada de decisões. Poém, cabe ao engenheio analisa e geencia as infomações extaídas do simulado paa pode, em seguida, geencia mudanças no pocesso. 8

18 . Poposta de Simulação O simulado poposto neste tabalho é uma das feamentas desenvolvidas dento do Pojeto Automação de Poços (AUTPOC). Este pojeto é uma paceia UFRN/Petobas, atavés do Cento de Pesquisas e Desenvolvimento da Petobas (CENPES), visando o desenvolvimento de equipamentos e sistemas computacionais paa supevisão, simulação, otimização e contole dos métodos de elevação em poços automatizados. Neste tabalho, apesenta-se o desenvolvimento do simulado de Bombeio Mecânico, cuja poposta básica é epesenta a dinâmica deste método de elevação atificial de petóleo, pemitindo que o usuáio exploe divesas situações que só são obsevadas em campo, auxiliando-o na tomada de decisões e no pojeto de novas instalações. Tudo isso, em um tempo hábil, a pati de uma simples simulação computacional. A Figua. exibe uma tela do Simulado de BM. Figua. Tela do simulado de BM. Dente as aplicações deste simulado, destacam-se: a utilização da feamenta em cusos de fomação pofissional; a análise e estimação de paâmetos impotantes no pojeto de sistemas de BM; a possibilidade de testa novas técnicas de contole (algoitmos); a epesentação de tansitóios; 9

19 a deteminação do tempo equeido paa o poço atingi o egime pemanente; a análise e detecção de condições de falhas; uma melho intepetação de catas dinamométicas. Outa caacteística inteessante deste simulado é a emulação de sensoes utilizados na automação de BM. Atavés de uma inteface micocontolada, os pincipais sensoes da automação BM são emulados e conectados a um contolado de BM, pemitindo que este compeenda os sinais ecebidos, como se povenientes de um poço eal. As aplicações de um softwae simulado de BM são inúmeas, pemitindo a ealização de váias expeiências e a obsevação de fenômenos muito específicos deste sistema. Entetanto, o usuáio deve fomula suas estatégias, adquii dados confiáveis e oganiza os esultados obtidos, a fim de uma melho análise do poblema. O capítulo contém uma beve descição sobe os mecanismos de elevação natual e atificial, destacando, esumidamente, as caacteísticas dos pincipais métodos de elevação. O Capítulo 3 tem o objetivo de apesenta os fundamentos do método de elevação bombeio mecânico, sendo descitas as pincipais pates e elementos do sistema. No capítulo 4 são a- bodados os tês pincipais métodos paa o cálculo dos paâmetos básicos de um pojeto de BM, sendo também descito o pocesso de solução numéica do modelo utilizado no simulado. O Capítulo 5 compeende o desenvolvimento, as funcionalidades e ecusos do simulado. O Capítulo 6 expõe a conclusão deste tabalho e cita algumas ecomendações paa tabalhos futuos. 0

20 Capítulo Métodos de Elevação A podução de petóleo envolve váios sistemas distintos, mas intimamente conectados: o esevatóio, que consiste de uma ocha fomada po espaços vazios (poosidade), que podem esta inteconectados (pemeabilidade) ou não, com a capacidade de amazena fluidos; e as estutuas atificiais, que incluem o poço, os equipamentos de elevação, as facilidades de podução, sepaadoes e os tanques de amazenamento []. Na engenhaia de petóleo, a áea esponsável pela maximização da podução possível de poços é a engenhaia de elevação. A aplicação das técnicas de engenhaia de elevação está elacionada dietamente com outas áeas de gande impotância da engenhaia de petóleo, tais como: pospecção de petóleo, pefuação, completação, avaliação de fomações e engenhaia de esevatóios []. A pospecção de petóleo envolve uma gande e complexa análise de dados geofísicos e geológicos das bacias sedimentaes, visando econhece as situações mais favoáveis paa o amazenamento de petóleo. Após esta avaliação, se decide a pefuação de um novo poço [3]. A pefuação é a etapa que mais exige investimentos [3], poém com os avanços tecnológicos, hoje é possível a obtenção de divesas configuações de pefuação, até mesmo poços diecionais e com longas seções hoizontais. A fase de completação tabalha juntamente com a fase de pefuação, tendo o objetivo de pepaa o poço, deixando-o em condições de opeação ao longo de toda a sua vida podutiva. Nesta fase são utilizadas divesas opeações destinadas a coloca o poço paa poduzi óleo ou gás [3]. A avaliação de fomações está ligada ao estudo das atividades que visam enconta o potencial de uma jazida petolífea, ou seja, estima a capacidade de podutividade das ese-

21 vas de óleo e gás, veificando se a podução é comecial ou não. Nesta fase são utilizadas pincipalmente técnicas de pefilagem a poço abeto e testes de podução [3]. A áea de elevação, seja natual ou atificial, compeende a extação de fluidos do esevatóio paa a supefície. Esta fase também se caacteiza pela avaliação das jazidas e das popiedades dos fluidos contidos na fomação, visando maximiza a podução de fluidos com o meno custo possível.. Elevação Natual No início da vida podutiva da maioia dos poços a pessão do esevatóio é gealmente elevada, pemitindo o fluxo live dos fluidos pesentes no esevatóio paa a supefície, este fenômeno é conhecido como Elevação Natual [3]. A elevação natual gealmente ocoe no início da vida podutiva das jazidas. Entetanto, em vitude da podução contínua, a pessão do esevatóio diminui, não sendo mais suficiente paa vence as pedas de pessão no caminho até a supefície. Os poços que poduzem po elevação natual são denominados de poços sugentes (flowing wells). Estes poços em sua gande maioia não apesentam poblemas técnicos ou opeacionais e poduzem com menoes custos [3].. Etapas de Fluxo É comum dividi o caminho pecoido pelos fluidos vindos da fomação até os vasos sepaadoes, em tês etapas bastante inteconectadas: o fluxo no meio pooso, o fluxo na coluna de podução e o fluxo na linha de podução [3]. A Figua. mosta as etapas de fluxo, tendo-se como exemplo um poço sugente.

22 Gás Fluxo na Supefície Líquido Fluxo na Coluna de Podução Fluxo no meio Pooso Resevatóio Figua. Tipos de fluxo de um poço sugente.. Fluxo no Meio Pooso O fluxo no meio pooso é a migação de fluidos do esevatóio, ou fomação, paa o poço. A capacidade de podução do esevatóio pode se avaliada po dois modelos, o modelo linea e o Vogel. Os dois modelos estão intimamente elacionados ao índice de podutividade do poço. Este índice é empegado paa estima a vazão do poço paa difeentes pessões de fluxo no fundo do poço (P wf ) [3]. Paa o modelo linea ele é deteminado po: q IP (.) P e P wf sendo q a vazão do esevatóio, P e a pessão estática do esevatóio e IP o índice de podutividade. A equação. epesenta uma cuva conhecida como IPR (Inflow Pefomance Relationship), onde a vazão vaia lineamente com a pessão de fluxo. As cuvas de IPR podem se do tipo Linea ou Vogel. A Figua. epesenta a cuva de IPR paa o modelo linea. 3

23 Pessão de Fluxo no Fundo Pwf IPR AOFP Vazão Figua. Cuva de IPR paa o modelo linea O ponto onde as cuvas de IPR intecepta o eixo de vazão é conhecido como potencial do poço ou AOFP (Absolute Open Flow Potential). Este ponto epesenta a máxima vazão do esevatóio paa pessão de fluxo zeo. Poém, esta vazão é apenas teóica, pois na pática não é possível eduzi a pessão de fluxo no fundo a zeo. O modelo linea se aplica quando a pessão de fluxo está acima do ponto de bolha [4], ou mais especificamente quando as pessões no meio pooso estão acima da pessão de satuação do óleo [3]. Nos casos onde o esevatóio poduz óleo com gás em solução, ou seja, as pessões no esevatóio estão abaixo da pessão de satuação do óleo, se faz necessáio a utilização do modelo de Vogel, que é epesentado pela seguinte equação: onde q max é a vazão máxima. q AOFP Pwf Pwf Pe Pe A Figua.3 apesenta a cuva de IPR paa o modelo Vogel. (.) Pwf/Pe IPR Qq/qmax Figua.3 Cuva de IPR paa o modelo de Vogel. 4

24 Caso a pessão estática P e seja meno que a pessão de satuação P sat, deve-se analisa o potencial do esevatóio utilizando uma cuva de Vogel. Poém, se a P e é maio que a P sat é necessáio utiliza uma cuva composta (IPR Linea + Vogel). Na análise das cuvas de IPR se obseva o difeencial de pessão necessáio paa que ocoa fluxo do esevatóio paa o poço. A difeença de pessão ente a pessão de fluxo no fundo do poço P wf e a pessão estática do esevatóio P e, denominada de dawdown (P e -P wf ), é esponsável pelo fluxo da fomação paa o poço [6]. O fluxo da fomação paa o poço ocoe, potanto, quando a pessão de fluxo no fundo é meno que a pessão estática da fomação. A escolha do melho método de elevação paa um poço está associada ao estudo da capacidade de podução atual do esevatóio, a pefomance futua de podução do mesmo e muitos outos fatoes. O bom conhecimento destes paâmetos atavés das cuvas de IPR implica na ealização de pojetos sem supedimensionamento dos equipamentos de podução e sem limitações ou estições ao fluxo [6]... Fluxo na Coluna de Podução Paa que seja possível a chegada do fluido à supefície é necessáio que a pessão de fluxo no fundo seja maio que a soma de todas as pedas de caga na coluna de podução. As pedas de pessão na coluna podem se: a pópia coluna hidostática do fluido, as pedas po ficção, as pedas nas estições (egulado de fluxo, válvulas, etc.), as pedas na linha de podução, as pedas devido a aceleação do fluido e a pessão nos equipamentos de sepaação [3]. É inteessante obseva os difeenciais de pessão esponsáveis pelos fluxos no meio pooso e na coluna de podução. No meio pooso, quanto maio a vazão equeida, meno deve se a pessão de fluxo no fundo do poço. Já na coluna de podução, quanto maio a vazão, maio deve se pessão de fluxo no fundo. Na vedade, existe uma oposição de solicitações no fundo. A habilidade de entega dos fluidos da coluna de podução paa a supefície está elacionada ao que a liteatua chama de TPR (Tubbing Pessue Requeiment), onde paa uma equeida pessão na cabeça P tf, existe uma coespondente pessão de fluxo no fundo P wf, que é função do difeencial de pessão hidostático e das pedas de ficção. Uma das pincipais fomas de analisa e soluciona os poblemas de fluxo na coluna é desceve gaficamente uma combinação das cuvas de IPR e TPR. Assim, paa uma dada pessão equeida na cabeça P tf, uma pessão de fundo P wf é calculada paa cada vazão atavés 5

25 da aplicação de um balanço de enegia. Na Figua.4 são apesentadas as cuvas etatadas acima. Figua.4 Combinação da cuva de IPR vesus a cuva de TPR. A inteseção das duas cuvas povê uma vazão e uma pessão de fluxo espeada paa o fluxo na coluna. Entetanto, este tipo de análise, na maioia das vezes, é utilizado apenas em poços sugentes. Usualmente a cuva TPR é consideada linea com uma elativa inclinação. Já paa altos valoes de GLR (azão gás líquido) ou poços de gás, a cuva de TPR não é linea...3 Fluxo na Supefície O fluxo na supefície coesponde ao tanspote de fluidos da cabeça do poço (wellhead) paa as facilidades de podução. Seu pincipal epesentante é a linha de podução. Nesta fase é inteessante obseva como os fluidos se movimentam atavés dos dutos e eguladoes. Po isso, deve-se conhece os padões de fluxo na hoizontal (bolha, golfada), sabendo que os mesmos afetam o gadiente dinâmico de pessão na tubulação, onde qualque mudança de egime implica dietamente no egime de fluxo [3]..3 Elevação Atificial Quando a pessão do esevatóio não é mais suficiente paa eleva os fluidos à supefície ou deseja-se aumenta a podução, se faz necessáio a utilização de algum tipo de mecanismo que foneça um difeencial de pessão adicional sobe o esevatóio, o que esultaá em um aumento de vazão. Os mecanismos disponíveis e específicos paa este fim, são conhecidos na indústia do petóleo como Métodos de Elevação Atificial. 6

26 Existem divesos métodos de elevação atificial e todos funcionam com o mesmo pincípio. Supem enegia da supefície paa o fundo do poço, a fim de eleva os fluidos contidos no esevatóio paa a supefície. Os mecanismos de elevação atificial podem se distinguidos atavés das seguintes caacteísticas [6]: utilização de bombas de fundo ou downhole pump paa aumenta a pessão no poço e vence as pedas de pessão da coluna; injeção contínua de gás compimido no fundo do poço, paa atavés da enegia de expansão do gás e a edução da densidade do fluido, desloca os fluidos paa as facilidades de podução, e injeção de gás a alta pessão elevando o liquido acima de um ponto de injeção. Os métodos de elevação atificial mais conhecidos são: Bombeio Mecânico (BM); Bombeio po Cavidades Pogessivas (BCP); Bombeio Centífugo Submeso (BCS); Bombeio Hidáulico a Jato (BHJ); Gas-lift contínuo e intemitente (GLC e GLI), e Plunge-lift. Cada método possui suas vantagens e desvantagens, tonando a escolha de um método de elevação atificial dependente de váios fatoes, dente os quais se destacam: a geometia do poço, quais fluidos são poduzidos no poço, a viscosidade, a pofundidade do esevatóio, a azão gás-óleo (RGO), seguança e os custos [3]. A segui seão apesentados, de foma esumida, alguns dos pincipais métodos de e- levação atificial existentes na industia do petóleo. Já no capítulo posteio o destaque é paa o método de bombeio mecânico..3. Gas-Lift O sistema de elevação atificial gas-lift é um dos mais conhecidos, ele utiliza a enegia do gás compimido paa eleva os fluidos até a supefície. Este método é muito utilizado em 7

27 poços que poduzem fluidos com alto teo de aeia e elevada azão gás-líquido [3]. Existem dois tipos de gas-lift o contínuo e o intemitente. No gas-lift contínuo o gás é injetado na coluna de podução gaseificando a coluna de fluido, eduzindo as pedas de pessão ao longo da coluna. Assim, a pessão do esevatóio tona-se suficiente paa eleva a mistua gás-líquido paa a supefície [6]. A Figua.5 mosta um poço equipado com gas-lift contínuo. Figua.5 Poço equipado com gas-lift. No gas-lift intemitente o gás é injetado peiodicamente a alta pessão, sempe que uma coluna de fluido acima do ponto de injeção esteja em um nível azoável. O gás é injetado abaixo da coluna de fluido elevando-o como uma gande golfada. Logo após, a injeção é inteompida até que uma nova coluna de fluido seja fomada novamente..3. Plunge Lift O plunge lift é um método de elevação intemitente, e o seu pincípio de funcionamento é acumula po um peíodo de tempo uma coluna de líquido na coluna de podução, logo acima do pistão, o elemento pincipal deste método. O fluido acima do pistão é elevado, como uma golfada, pela expansão de um gás pessuizado [7]. 8

28 O pistão tem uma função muito impotante no método, pemitindo que todo o fluido acima dele alcance a supefície, evitando o etono de líquido (fallback) paa o fundo. Outo gande papel do pistão é a emoção de incustações (scale) ou hidatos da paede da coluna de podução [7]. A Figua.6 apesenta um poço equipado com o método plunge lift. Contolado Lubificado Válvula pneumática Senso de Chegada Senso de Pessão Pistão Mola Amotecedoa Figua.6 Poço equipado com o método plunge lift. É inteessante obseva que o plunge lift é muito simila ao gas-lift intemitente, possuindo como gande difeencial a pesença do elemento pistão..3.3 Bombeio po Cavidades Pogessivas BCP O sistema de BCP utiliza uma bomba de cavidades pogessivas paa eleva os fluidos à supefície. A bomba de cavidades pogessivas é do tipo deslocamento positivo, sendo constituída basicamente de oto e estato. O BCP tabalha com uma coluna de hastes que tansmite o movimento de otação de um moto/cabeçote na supefície paa o oto. O oto giando no inteio do estato gea uma séie de cavidades idênticas que deslocam o fluido da sucção paa a descaga. A Figua.7 apesenta um poço com BCP. 9

29 Figua.7 Poço equipado com BCP. 30

30 Capítulo 3 Bombeio Mecânico (BM) Histoicamente, o pimeio método de elevação atificial que sugiu na indústia do petóleo foi o bombeio mecânico (Sucke-od Pumping), sugindo logo após o nascimento da indústia do petóleo. Sua impotância se eflete no númeo de instalações existentes, que coespondem a 80% dos poços podutoes mundiais, o que lhe dá a posição de método mais utilizado no mundo [8]. No Basil, esponde po ceca de 8% da podução diáia de petóleo, equipando em tono de 80% dos poços podutoes [4]. A Figua 3. mosta como o númeo de instalações de bombeio mecânico se destaca, em elação a outos métodos de elevação. Os dados são de uma das Unidades de Negócios da Petobas. Métodos de Elevação Atificial 87% BM BCP BCS GLC SURG OUTROS % % % % 6% Figua 3. Métodos de elevação atificial. 3

31 O bombeio mecânico tem sua populaidade elacionada ao baixo custo com investimentos e manutenção, flexibilidade de vazão e pofundidade, boa eficiência enegética e a possibilidade de opea com fluidos de difeentes composições e viscosidades em uma laga faixa de tempeatua [8]. As pincipais vantagens do BM são: a simplicidade de opeação, manutenção e pojeto de novas instalações; a pati de condições nomais pode se utilizado até o fim da vida podutiva de um poço e a capacidade de bombeio pode se modificada, em função das mudanças de compotamento do poço [6]. Poém, a pincipal vantagem deste método diz espeito ao meno custo/podução ao longo da vida podutiva do poço. 3. Componentes do BM Existe uma divisão básica de componentes no BM. Os componentes de supefície e os componentes de fundo [6]. Estes dois gandes gupos são listados a segui. Os componentes de supefície são: o moto (pime move), a caixa de edução (gea box), a unidade de bombeio (pumping unit) e a haste polida (polished od). Já os componentes de fundo são: a coluna de hastes (od sting) e a bomba de fundo (downhole pump). A Figua 3. exibe as pincipais pates de um sistema de bombeio mecânico. A coluna de hastes conecta os equipamentos de supefície aos equipamentos de fundo (downhole). A bomba de fundo é do tipo deslocamento positivo (positive displacement), composta basicamente de pistão, camisa e válvulas de passeio e de pé. 3

32 Figua 3. Pincipais pates de um sistema de BM. 3.. Descição do Ciclo de Bombeio É impotante que se conheça o ciclo de bombeio paa entende como funcionam as pates vitais do sistema. Paa explica-se o ciclo de bombeio é necessáio o conhecimento das pates integantes da bomba. São elas: pistão (plunge), que contém uma válvula de descaga chamada de válvula de passeio (tavelling valve); camisa da bomba (bael), e válvula de pé (standing valve), que está fixada na camisa da bomba e funciona como uma válvula de sucção. 33

33 A Figua 3.3 mosta as pates constituintes da bomba. Figua 3.3 Pates da bomba de fundo. A ação de bombeio ocoe da seguinte foma: no início do cuso ascendente (upstoke), logo após o pistão te alcançado o ponto moto infeio (bottom stoke), a válvula de passeio fecha devido à alta pessão hidostática causada pelo fluido que está na coluna de podução. No cuso ascendente, a pessão intena no copo da bomba, ente o pistão e a válvula de pé, diminui, e a pessão na entada da bomba abe a válvula de pé, pemitindo que o fluido no espaço anula (espaço ente o evestimento do poço e a coluna de podução) peencha a bomba. No cuso ascendente é impotante obseva que o peso da coluna de líquido acima do pistão é elevado e sustentado pela válvula de passeio. Este efeito causa o possível alongamento das hastes [6]. No fim do cuso ascendente, quando o pistão alcança o ponto moto supeio (top stoke), a coluna de hastes inicia o movimento descendente (downstoke); imediatamente a válvula de passeio abe e a válvula de pé fecha. Isto devido à incompessibilidade do fluido que está na camisa, ou seja, a válvula de passeio enta em contato com o fluido no início do cuso descendente. Na abetua da válvula de passeio o peso do líquido que estava acima do pistão é tansfeido paa a válvula de pé, causando um possível alongamento da coluna de podução. O pistão desce com a válvula de passeio abeta, pois a válvula ecebe a pessão do fluido que peencheu a camisa no cuso ascendente. No final do cuso descendente inicia-se um novo ciclo [6]. A Figua 3.4 epesenta o cuso ascendente e o descendente. 34

34 Figua 3.4 Cuso ascendente e descendente. É bom obseva que o cuso do pistão muitas vezes não é o mesmo cuso na supefície, justamente devido ao compotamento elástico da coluna de hastes. Isto dificulta a modelagem do sistema, pois o movimento do pistão tona-se complexo paa uma descição matemática. 3.. Bomba de Fundo ou Subsupefície A bomba de fundo é do tipo deslocamento positivo, ou seja, na teoia o fluido que enta na sucção não volta. Seu desempenho é baseado no volume de fluido deslocado. O deslocamento volumético da bomba pode se deteminado po []: PD d sendo PD o volume deslocado em (m 3 /dia), N a feqüência de bombeio (CPM ciclos po minuto), d p o diâmeto do pistão (pol) e S P cuso efetivo do pistão (pol). Gaças à eficiência volumética, a vazão na supefície gealmente é meno que o deslocamento volumético. A eficiência volumética sempe é meno que 00% devido a poblemas, como: escoegamento do fluido atavés do pistão, pesença de gás live na bomba, fato de volume de fomação (B o ) e desgastes mecânicos nas válvulas. Valoes ente 70% e 80% paa a eficiência volumética são consideados nomais. Pode-se defini a eficiência volumética E v como sendo a elação ente a vazão buta de líquido Q b e o deslocamento volumético PD, menos possíveis desgastes e/ou vazamentos no sistema. P S P N (3.) 35

35 E v Qb (3.) PD A vazão na supefície é calculada atavés do deslocamento volumético da bomba sobe o fato de volume de fomação, vide a equação 3.. q sup d B o P S P N (3.3) 3... Tipos de Bomba Existe basicamente dois tipos de bomba, sendo que a difeença ente elas está na foma como são instaladas no poço. São elas: as bombas tubulaes (tubing pump) e as bombas insetáveis (inset pump). As bombas tubulaes são instaladas no poço com a coluna de podução, sendo a camisa da bomba pate integante da coluna de podução. O pistão e a válvula de passeio são enoscados na extemidade da coluna de hastes, já a válvula de pé pode se descida junto com a coluna de podução ou descida com o pistão, desde que o pistão seja apopiado paa tal taefa. Este tipo de bomba apesenta uma maio capacidade de bombeamento paa um dado diâmeto de tubulação [8]. A sua pincipal limitação está elacionada à necessidade de se manoba toda a coluna de podução, caso haja danos na camisa da bomba. As bombas insetáveis possuem todas as suas pates conectadas junto à coluna de hastes e necessitam apenas de um mecanismo que penda a pate estacionáia da bomba (camisa) a coluna de podução. Sua pincipal vantagem é a possibilidade de se completamente substituída atavés de uma simples manoba de coluna de hastes [8]. A Figua 3.5 apesenta uma bomba do tipo tubula e uma do tipo insetável. 36

36 Figua 3.5 Bomba tubula e bomba insetável Pistões Existem dois tipos de pistão: pistão metálico, que pode te sua supefície lisa (plain) ou anhuada (gooved) e o pistão flexível, que possui copo constituído de copos ou anéis [9]. O pistão metálico é o mais utilizado, pincipalmente em gandes pofundidades. Ele possui melho esistência e é elativamente mais cao. Entetanto, o pistão flexível pode causa um meno desgaste à camisa [9]. A difeença ente o pistão anhuado e o liso não é muito conclusiva segundo a liteatua, poém, acedita-se que o pistão anhuado seja melho paa lubifica e acumula possíveis sólidos nas anhuas, evitando-se o desgaste da camisa [9]. A maioia das bombas utilizadas na indústia do petóleo está em confomidade com a especificação API. As bombas são especificadas na noma API SPEC AX [6]. Esta noma especifica as popiedades e caacteísticas dos tipos de bomba [0]. A Figua 3.6 mosta uma designação API paa deteminação dos tipos de bomba. 37

37 Figua 3.6 Designação API paa bombas Válvulas As válvulas são componentes impotantes do método de bombeio mecânico, pois a e- ficácia de bombeio depende pincipalmente da opeação das válvulas de passeio e de pé. As válvulas são do tipo ball-and-seat, ou seja, uma esfea e sede que devem cia um pefeito selo impedindo o etono de fluido [6]. Uma boa opeação de bombeio mecânico depende muito do bom funcionamento das válvulas, pois, qualque simples vazamento nas válvulas pode eduzi bastante a podução, devido à alta pessão hidostática no fundo do poço. A Figua 3.7 mosta um exemplo de válvula com um cote em sua sede. Figua 3.7 Válvula esfea com sede. 38

38 3...4 Gau de Coosão e Abasão As pincipais substâncias causadoas de coosão são: gás-cabono, gás sulfídico e salinidade. Em poços que apesentam elevadas concentações destas substâncias, os fabicantes ecomendam mateiais apopiados. Já a abasão povocada po aeia, necessita de soluções tais como: filtos de aeia, folgas no pistão e a instalação da bomba acima dos canhoneados, paa evita penetação de aeia Coluna de Hastes A coluna de hastes é consideada a pate vital e cítica do sistema de BM. Ela é a esponsável po tansmiti enegia da supefície paa a bomba de fundo. As hastes estão sujeitas a cagas cíclicas e tabalham em ambientes abasivos e coosivos [3]. O compotamento das hastes tem um impacto fundamental na eficiência de elevação dos fluidos. Assim, um bom pojeto de dimensionamento das hastes pode evita gandes pejuízos. A coluna de hastes é uma seqüência de váias hastes, inteconectadas umas as outas atavés de luvas, de maneia que possam alcança a pofundidade da bomba. As hastes são constituídas de aço, nomalmente com 5 ft de compimento. A noma API que padoniza os váios tipos de hastes e seus dimensionamentos é a noma API SPEC B []. A Figua 3.8 exibe a foma de extensão das hastes. As hastes gealmente possuem pinos em suas extemidades já com luvas (coupling), exceto se não fo especificado. Figua 3.8 Foma de extensão da coluna de hastes. As hastes de bombeio possuem uma composição de mais de 90% de feo. A adição de outos elementos pemite a fomação de divesos tipos de aço, os quais são designados pela noma API SPEC B [] em função de sua esistência mecânica. A classificação utilizada é apesentada na Tabela

39 Gau API Tensão Mínima de Ruptua psi (Mpa) Tensão Máxima de Ruptua psi (Mpa) K 90,000 (60) 5,000 (793) C 90,000 (60) 5,000 (793) D 5,000 (793) 40,000 (965) Tabela 3- Popiedades mecânicas das hastes. As hastes gau C possuem o meno peço, poém supotam um meno nível de tensão e não podem tabalha junto a H S. As hastes gau D supotam maioes tensões, mas são muito sensíveis a H S. Já as hastes gau K possuem uma esistência azoável a H S [8]. Existem, também, as hastes fabicadas com fiba de vido, que devido ao custo elevado encontam uma maio aplicação em poços que apesentam séios poblemas de coosão e cagas elevadas. A pimeia haste da coluna de hastes na supefície é chamada de haste polida, devido a sua supefície extena polida. Sua finalidade é, juntamente com um equipamento chamado stuffing box, veda a cabeça do poço conta possíveis vazamentos [3]. A haste polida é a haste que está sujeita as maioes cagas. As cagas que atuam na haste polida são: peso das hastes (W ) é o peso das hastes no a; foça de empuxo (W b ) é o peso do fluido deslocado pelas hastes; foça de aceleação (F ac ) é a foça que causa a vaiação de velocidade das hastes. A velocidade é zeo no top stoke e no bottom stoke, poém a aceleação é máxima nestes pontos; foça de ficção (F f ) Atua no sentido oposto ao movimento das hastes e ocoe devido ao atito haste/fluido. O seu valo é dietamente popocional a velocidade das hastes; peso do Fluido (W f ) é o peso da coluna de fluido que está acima do pistão. Esta foça atua somente no cuso ascendente, justamente quando a válvula de passeio está fechada. O cálculo da caga total imposta à haste polida é a soma de todas as foças descitas acima. W W W W F F (3.4) b f ac f 40

40 Usualmente a caga na haste polida é medida atavés de um dinamômeto ou atavés de células de caga (senso instalado na haste polida). A caga na haste polida vaia duante todo o ciclo de bombeio e sempe é positiva [3]. Na composição da coluna de hastes é necessáio, muitas vezes, um pojeto de coluna de hastes combinadas. Pois, toda haste deve supota o peso das hastes situadas abaixo dela. Sendo assim, uma foma de eduzi o peso e a tensão nas hastes supeioes é utiliza uma coluna de hastes combinada. Paa este tipo de poblema, deve se enconta o tamanho de cada seção da coluna de hastes. A Figua 3.9 mosta um exemplo de coluna de hastes combinadas. Figua 3.9 Coluna de hastes combinada. O poblema da composição de uma coluna de hastes combinada consiste na deteminação do compimento de cada seção da coluna de hastes. Paa tal, existem alguns métodos e simplificações disponíveis. A noma API RP-L padoniza a nomenclatua e as combinações possíveis de hastes de bombeio. Uma coluna de hastes combinada possui uma designação composta de dois algaismos, onde o pimeio coesponde ao diâmeto da maio haste e o segundo ao diâmeto da meno haste. As demais hastes da coluna possuem um diâmeto intemediáio [8] Resistência à Fadiga As hastes de bombeio sofem uma gande vaiação de caga duante os ciclos de bombeio, logo, estão sujeitas a fadiga. O diagama de Goodman é uma feamenta utilizada paa gaanti que as hastes ião dua no mínimo 0 milhões de ciclos [8]. O diagama pode se epesentado pela seguinte equação: T S adm 0,5565S SF (3.5) min 4 4

41 sendo S adm a tensão máxima admissível, de modo a gaanti duabilidade supeio a 0 milhões de ciclos, T a tensão de uptua mínima, S min a tensão mínima pesente na haste e SF coesponde ao fato de seviço. O fato de seviço vaia em função do ambiente de tabalho das hastes. Em ambientes não coosivos este valo é igual a. A tensão mínima é calculada po: S min MPRL A (3.6) sendo A a áea da pimeia haste de bombeio e MPRL a caga mínima na haste polida. A tensão máxima é dada po: S max PPRL A (3.7) sendo PPRL a caga máxima na haste polida. Assim sendo, se a tensão máxima S max fo meno que a tensão admissível S adm a coluna de hastes estaá coetamente dimensionada quanto à fadiga Cata Dinamomética Uma cata dinamomética é nada mais do que um gáfico epesentando os efeitos geados pela caga atuante na bomba, duante um ciclo de bombeio. Existem dois tipos de catas dinamométicas, a cata de supefície e a de fundo. As cagas são egistadas na supefície atavés de dinamômetos e no fundo do poço atavés de dispositivos especiais ou atavés de modelos matemáticos. As catas dinamométicas estão ente as pincipais feamentas de análise e avaliação das condições de bombeio, egistando as cagas na haste polida ou no fundo em função do cuso das hastes. É possível obseva divesas condições de bombeio atavés da cata dinamomética. As mais impotantes infomações extaídas da análise de catas dinamométicas são [6]: deteminação das cagas que atuam na unidade de bombeio e na haste polida; deteminação da potência equeida paa a unidade de bombeio; ajuste do contabalanço da unidade de bombeio; veificação das condições de bombeio da bomba e válvulas, e detecção de condições de falha. 4