Plano de Trabalho de Bolsista

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1 Programa: PRH-ANP/MCT N 0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina Plano de Trabalho de Bolsista Identificação Nome: André de Oliveira Traple CPF: Matrícula: PRH-ANP/MCT N 0 : Tipo de Bolsa: Graduação Orientador: Prof. Daniel Juan Pagano Co-orientador: Prof. Agustinho Plucenio Tema: Controle de Oscilações em Processos de Elevação Artificial de Fluídos Multifásicos Local: DAS-CTC-UFSC

2 1. Introdução As oscilações em sistemas físicos representam, em muitos casos, uma fonte de instabilidade. Fenômenos de comportamento oscilatório podem ser encontrados em diferentes áreas da engenharia, como por exemplo: em sistemas mecânicos com fricção, estruturas aeronáuticas (Ângulo et al., 2005a), sistemas de perfuração de poços de petróleo (Canudas-de-Wit et al., 2005), circuitos comutados em eletrônica de potência (Verghese e Banerjee, 2001), sistemas de elevação e transporte de fluídos multifásicos na indústria do petróleo (Storkaas e Skogestad, 2004),(Godhavn et al., 2005). O objetivo principal deste projeto é o desenvolvimento de técnicas de controle para: elevação de fluidos multifasicos em risers submarinos de forma a evitar fenômenos oscilatórios na vazão e na pressão destes dutos (Pagano et al., 2006); e para suprimir oscilações em poços de petróleo que operam por elevação artificial do tipo gás-lift contínuo (Pagano et al., 2008). Nestes dois casos pode haver uma variação brusca na produção de óleo que afeta a qualidade da separação entre a água e óleo e que também pode levar a uma parada de emergência da plataforma por nível muito alto dos separadores. As oscilações, também conhecidas como golfadas, podem ser provocadas pelo escoamento multifásico (óleo, água e gás) nas tubulações que ligam os poços à plataforma. Existem condições que levam a um fluxo intermitente com golfadas de líquido, seguidas de ondas de produção de gás. Este regime de escoamento multifasico depende das vazões, das propriedades dos fluidos e da geometria das tubulações. As causas que geram este escoamento instável podem ser de natureza hidrodinâmica (diferença entre as velocidades das fases) [Storkaas et al., 2003] ou devido à geometria do terreno. Nesse último caso a forca da gravidade é capaz de gerar este tipo

3 de escoamento nos risers, que são as tubulações ascendentes do fundo do mar até a plataforma. As conseqüências deste escoamento com golfadas são variações nas pressões e nas vazões dos líquidos e gases. Como foi comentado anteriormente, estas oscilações causam severos problemas para a operação da plataforma: (i) dificuldade de separação da água e do óleo, e (ii) possível parada de emergência por nível alto. A continuação são detalhados os dois problemas que serão abordados neste trabalho: a) Oscilações na elevação de fluidos multifasicos em risers submarinos: A formação deste escoamento com golfadas é mostrado na Figura 1. O líquido se acumula na base do riser e chega a bloquear o gás. Isto faz com que a pressão na base (P 1 ) suba, e o líquido vá se acumulando no riser (Figura 2). Quando a pressão na base do riser (P 1 ) for grande o suficiente para deslocar o líquido acumulado, todo esse volume é abruptamente enviado para a plataforma. A partir desde momento a pressão P 1 cai, e o ciclo se repete. Fig. 1. Formação de golfadas em risers submarinos. Fig. 2. Detalhe do riser submarino. b) Oscilações em poços de petróleo que operam por elevação artificial do tipo gás-lift contínuo:

4 Poços de petróleo operando por elevação artificial gás-lift apresentam frequentemente oscilações quando operam com baixa vazão de gás injetado. Este regime instável pode produzir golfadas severas no tubo de produção causando perdas de produção. As oscilações produzidas durante este regime de escoamento, tambem denominadas de gas-lift heading oscillations se apresentam para baixas taxas de gás injetado e podem reduzir a produtividade do poço afetando a eficiência do processo de separação de água, óleo e gás. Fig. 3. Poço operando por gas-lift. Estes comportamentos oscilatórios podem ser causados por dois diferentes fenômenos dinâmicos:

5 Oscilações Heading oscillations: basicamente são produzidas a baixas taxas de injeção de gás devida a interação do tubo de revestimento (casing tube) com o tubo de produção, através da válvula de orifício do tipo check valve. A vazão de gás injetado apresenta oscilações periódicas permanentes. As oscilações podem ser suprimidas trocando a válvula de injeção por uma válvula do tipo Venturi e aumentando, conseqüentemente, a pressão da linha de gás injetado para permitir operar o poço com este tipo de válvula. Oscilações por ondas de variação de densidade do fluído ( Density wave oscillations ): são ainda um problema a resolver. Apresentam-se mesmo com a vazão de gás injetado mantida constante. As oscilações são basicamente devidas à interação entre o fluído no tubo de produção com a formação do reservatório sendo produzidas pela variação da densidade do fluido no tubo de produção. A utilização de técnicas de controle para eliminar este tipo de oscilações pode trazer os seguintes benefícios: (i) manutenção do poço operando em regiões de operação instável caracterizadas por baixa injeção de gás; (ii) aumentar o numero de poços operando com restrições de gás; (iii) aumentar os níveis de segurança nas operações de partida e re-partida de poços. Vários trabalhos tem sido publicados sobre o tema de estabilização de sistemas de gas-lift (Jansen et al., 1999), (Eikrem et al., 2004),(Imsland et al., 2003), (Sinµegre, Petit e Menegatti, 2005), (Sinegre, Petit, Lemetayer, Gervaud e Menegatti, 2005) mostrando que esta é uma área ativa de pesquisa.

6 2. Objetivos Este projeto visa desenvolver técnicas de Controle de Oscilações para sistemas não-lineares baseadas na utilização de sistemas comutados e na teoria de bifurcações para sistemas dinâmicos não suaves. Aplicação destes métodos ao: controle de golfadas (slug flow) em dutos (risers) submarinos que transportam fluidos multifasicos no setor up-stream da indústria do petróleo, e em poços que operam por gas-lift contínuo com baixas taxas de vazão de gás injetado. 3. Metodologia Serão utilizadas ferramentas de simulação baseadas no software OLGA2000 da empresa Scandpower. As técnicas de controle desenvolvidas serão testadas e avaliadas utilizando este software. Dentro dos objetivos do projeto pretende-se, também, emular o fenômeno de slug-flow em um protótipo construído a escala de laboratório. Sobre este protótipo testar os algoritmos propostos. Todo o desenvolvimento e resultados do projeto serão documentados em um relatório final. 4. Justificativa Estudos preliminares mostram que com o controle das golfadas na elevação de fluídos multifasicos tem-se uma maior produção de óleo. Além de evitar que estas oscilações causem problemas severos para a operação da plataforma, dificuldade de separação da água e do óleo, e possível parada de emergência por nível alto no separador. Uma intervenção numa plataforma é muito prejudicial. Durante a parada, as plataformas não estão produzindo. Quanto mais cedo a atividade voltar ao normal, menor será a perda de receita.

7 5. Cronograma de atividades Duração do trabalho: abril/2008 março/2010 Ano Mês x x x x 2 x x x x x x x x x Etapas 3 x x x x x x x x x 4 x x x x x x 5 x x x x x x x 6 x x x Etapas: 1. Revisão bibliográfica sobre técnicas de controle de oscilações. 2. Definição de processos de slug-flow em risers e poço operando via gáslift para simulação no software OLGA. 3. Obtenção de resultados de simulação para os dois casos de estudo propostos considerando o sistema operando em modo manual (sem controle de oscilações). 4. Desenvolvimento de estratégias de controle (redução ou supressão) de oscilações para os dois casos estudados. 5. Obtenção de resultados de simulação para os dois casos de estudo propostos considerando o sistema operando em modo automático (com controle de oscilações). 6. Elaboração do Relatório final.

8 6. Bibliografia [1] Angulo, F., di Bernardo, M., Fossas, E. e Olivar, G. (2004). Controlling limit cycles in planar dynamical systems: a nonsmooth bifurcation approach, Proc. IEEE Symposium of Circuits and Systems, Vancouver. [2] Angulo, F., di Bernardo, M., Fossas, E. e Olivar, G. (2005a). Feedback control of limit cycle: a switching control strategy based on nonsmooth bifurcation theory, IEEE Transactions on Circuit and Systems-I 52(2): [3] Angulo, F., di Bernardo, M. e Olivar, G. (2005b). Control of limit cycle amplitude through non-smooth bifurcations, 44th IEEE Conference on Decision and Control, and European Control Conference 2005 pp [4] Canudas-de-Wit, C., Corchero, M., Rubio, F. e Navarro-Lopez, E. (2005). Doskil: a new mechanism for suppressing stick-slip in oil well drillstrings, 44th IEEE Conference on Decision and Control, and European Control Conference 2005 pp [5] Godhavn, J., Fard, M. P. e Fuchs, P. H. (2005). New slug control strategies, tuning rules and experiments results, Journal of Process Control 15: [6] Storkaas, E. e Skogestad, S. (2004). Cascade control of unstable systems with application to stabilization of slug flow, IFAC Symposium ADCHEM [7] Pagano, D. J., Plucenio, A. e Salvato, P. K. (2006). Controle de oscilações utilizando sistemas comutados, Proc. of XVI Brazilian Conference on Automatica CBA, Brazil, [8] Pagano, D. J., Plucenio, A., Traple, A., Gonzaga, C. A. CONTROLLING OSCILLATIONS AND RE-STARTING OPERATIONS IN GAS-LIFT WELLS. Proc. of XVI Brazilian Conference on Automatica CBA, Brazil, [8] Plucenio, A., Mafra, A. e Pagano, D. J. (2006). A control strategy for an oil well operating via gas-lift, Proc. of International Symposium on Advanced Control of Chemical Processes, IFAC ADCHEM2006, Gramado, Brazil. [9] Plucenio, A. (2002). Stabilization and optimization of an oil well network operating with continuous gas-lift, in SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas. [10] Sinegre, L., Petit, N., Lemetayer, P., Gervaud, P. e Menegatti, P. (2005). Casing heading phenomenon in gas lifted well as a limit cycle of a 2nd model with switches, Proc. of the 16th IFAC World Congress, Praha. [11] Sinegre, L., Petit, N. e Menegatti, P. (2005). Distributed delay model for density wave dynamics in gas lifted wells, Proc. of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference 2005, Seville.

9 Florianópolis, 31 de Julho de Bolsista: André de Oliveira Traple Orientador: Daniel Juan Pagano