RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 16/11/2009 a 27/12/2009

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP Florianópolis - SC - BRASIL estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 16/11/2009 a 27/12/2009 Schlumberger Serviços de Petróleo LTDA Nome do aluno: Daniel Nalin Nome do supervisor: Alexander R. Sandoval Nome do orientador: Dylton do Vale Pereira Filho Macaé-RJ, 28 de Dezembro de 2009

2 Sumário 1. Atividades Realizadas no Período Introdução Preparação para o trabalho Atividades Realizadas Bombeio Centrífugo Submerso Equipamento de Superfície Motor Protetor Intake e Separador de Gás Bomba Centrífuga Sensor de Fundo Cabo Elétrico Conclusões Referências Anexos... 20

3 1. Atividades Realizadas no Período 1.1. Introdução Após adquiridos os conceitos gerais sobre os diversos métodos e princípios de elevação, o segundo período do estágio tem como objetivo o estudo abrangente do bombeio centrífugo submerso, um dos métodos principais de elevação artificial da Schlumberger, amplamente utilizado no Brasil e no mundo. Como mencionado previamente no primeiro relatório, este estudo visa dar embasamento teórico suficiente ao aluno para que o mesmo, no próximo período de atividades, esteja apto a analisar e dimensionar os equipamentos necessários para poços que utilizam o bombeio centrífugo submerso. Essa segunda etapa também visa dar mais liberdade e, conseqüentemente, mais responsabilidades ao aluno quanto a logística e separação de equipamentos para as operações de BCS além de introduzi-lo às noções gerais dos processos burocráticos da empresa como compras, solicitações de embarque e desembarque, entrada e saída de equipamentos, dentre outros.

4 1.2. Preparação para o Trabalho Seguindo a mesma linha do primeiro período, o aluno continuou com o desenvolvimento de atividades em conjunto com a equipe técnica, agora com o intuito de aprofundar seus conhecimentos em relação às instalações de equipamentos de bombeio centrífugo submerso. Dentre essas atividades estão o planejamento e logística dos embarques, separação e testes de equipamentos, reuniões pré-trabalho e pós-trabalho, análises de falhas, dentre outras atividades relacionadas. Ao mesmo tempo o aluno ampliou sua participação perante a equipe de engenharia, contando dessa vez com aulas e discussões semanais relacionadas ao bombeio centrífugo submerso, estas ministradas pelo seu tutor e supervisor na empresa. Nesses encontros foram abordados os conceitos de todos os equipamentos do conjunto BCS juntamente com as aplicações e método de seleção para os mesmos.

5 1.3. Atividades Realizadas Bombeio Centrífugo Submerso Da mesma forma que os outros métodos de elevação artificial, o objetivo do BCS é fornecer a energia adicional requerida ao poço para elevar a produção desejada até a superfície. O sistema de bombeio centrífugo submerso utiliza uma bomba que toma o fluido do poço, fornece-lhe a energia requerida e descarrega o mesmo através da coluna de produção com uma pressão suficiente para que o fluido chegue a superfície, vencendo a pressão de cabeça do poço. A potência necessária para realizar esse trabalho é fornecida pelos motores elétricos. Como em qualquer um dos métodos de elevação artificial, o projeto do equipamento deve corresponder às condições de operação do poço sendo assim de vital importância a informação fornecida pelo cliente juntamente com os estudos realizados. O sistema de bombeio eletro submersível possui um amplo leque de aplicações operando em faixas de vazão de 100 à BPD e podendo ser utilizado com óleos crus leves, médios, pesados e extra-pesados. Outra grande vantagem do sistema de BCS é a operabilidade tanto em poços rasos como em poços com grande profundidade. O conjunto BCS é composto de equipamentos de fundo e superfície. Na imagem a seguir encontram-se listados todos os componentes do mesmo.

6 Imagem 1: Ilustração dos componentes de um sistema BCS Com o objetivo de, posteriormente, entender-se o sistema como um todo, cada parte do conjunto terá suas características, pontos críticos e funcionamento descritos e comentados individualmente nos próximos itens deste relatório Equipamento de Superfície Em sua configuração completa, o equipamento de superfície geralmente tem como seus principais componentes: dois transformadores, variador de freqüência e uma caixa de junção. A função do VSD é variar a freqüência das fases, e, em conseqüência, permitir a variação da velocidade do motor visando manter o torque sempre constante através do controle da corrente. Este fato permite a implementação de diversas funções como o controle suave da partida e desligamento suave da BCS, controle do drawdown do poço (redução do nível da coluna de fluído), regulagem da freqüência para faixa de melhor operação da bomba, etc. Através do mesmo, também é possível implementar diversas proteções de acordo com temperatura do motor e do poço, pressão do poço e de cabeça, além de

7 habilitar o controle e automação remotas (dependendo do equipamento utilizado em conjunto com o mesmo). Devido ao fato do VSD operar em tensões baixas (460V) se comparadas com as geradas nas plataformas, é necessário um transformador primário que reduz a tensão ao nível da tensão cujo o VSD opera. O VSD então controla a freqüência e corrente da linha de acordo com configurações pré-estabelecidas ou com instruções de automação, proteção e controle pré-estabelecidas. A tensão de operação do motor é maior que a utilizada pelo variador de freqüência. Um segundo transformador é utilizado então para aumentar a tensão com a finalidade de alimentar o motor. Por fim, tem-se a caixa de junção, ou Junction Box, que efetua três funções: fornece um ponto para conectar o cabo de energia proveniente do sistema de controle ao cabo de energia que desse no poço, fornece uma vedação à gases que podem migrar através do cabo submersível e permite acesso fácil a pontos de teste para checagens elétricas do equipamento de fundo. Em casos aonde não é viável a aplicação de um VSD, são utilizadas chaves de partidas (switchboards) que trabalham com a freqüência da rede Motor O objetivo principal de um motor é converter energia elétrica em movimento para girar o eixo. O eixo é conectado através do protetor, separador de gás e admissão (intake) e gira os impelidores da bomba. Os motores elétricos submersíveis são usualmente de indução, com dois pólos, trifásicos do tipo gaiola de esquilo. São constituídos basicamente por um indutor (estator) e um induzido (rotor). Esses motores giram em torno de uma velocidade levemente menor que 3600rpm em sistemas de alimentação de 60Hz. As tensões de operação dos motores dos sistemas BCS pode variar de 230V à 7000V. A potência necessária dos mesmos é alterada simplesmente aumentando o comprimento ou o diâmetro do motor.

8 O estator possui um bobinado, entre o housing (carcaça) e o rotor que quando alimentado gera um campo eletromagnético induzindo a rotação do rotor, que gira junto com o eixo. Imagem 2: Desenho em corte do motor A capa carcaça (housing), os bobinados e as lâminas são definidos como o estator. Dentro do estator estão os rotores. O rotor é também feito de diversas lâminas de aço. Há um espaço entre o diâmetro externo do rotor e o diâmetro interno do estator. Este espaço é requerido para prevenir atrito entre os dois componentes e é preenchido de óleo para lubrificar os rolamentos e refrigerar o motor. O rotor é dividido em pequenas partes, e, entre um rotor e outro há um mancal radial que possui um diâmetro maior que os rotores com a finalidade de auxiliar na indução eletromagnética. Entre o mancal radial e o eixo existe uma luva, que é fixa no eixo através de chavetas. A luva, feita de um material poroso, absorve o óleo que sobe pelo eixo com o aumento da temperatura, fazendo-o sair pelos orifícios e lubrificar os mancais radiais.

9 Imagem 3: Mancal Radial que une os rotores do motor A ligação na base e na cabeça do motor é feita em estrela gerando assim dois pontos neutros, que são utilizados para alimentar o sensor (caso haja um). Outra parte importante do motor é o mancal de trabalho, que tem a função de suportar o peso do equipamento, ou seja, o conjunto inteiro de rotores. Este mancal é fixo e fica na base do motor, como pode ser visto na figura abaixo. Imagem 4: Mancal de trabalho do motor Protetor O protetor é o componente do sistema que se instala acima do motor. Mesmo acopla o motor à bomba e transmite o torque gerado pelo motor através do eixo. O protetor permite a expansão e contração do óleo dielétrico contido no motor. Os gradientes de temperatura causados devido ao ambiente e também da

10 temperatura do motor irão contrair e expandir o óleo dielétrico. Essa expansão e contração devem ser contidas através do protetor. Outra função do protetor é equalizar a pressão do case com a pressão interna do mesmo. Essa equalização ajuda a evitar que o fluido do poço entre no motor pois podem causar falha dielétrica precoce no mesmo. Os selos do protetor isolam o fluido do poço do fluido dielétrico do motor. Como já dito, a contaminação do óleo do motor pode levar a falha. O protetor contem vários selos mecânicos os quais bloqueiam a passagem do fluido do poço. O protetor também absorve o empuxo produzido pela bomba. Um mancal de trabalho contido no protetor que faz a proteção. A Schlumberger utiliza dois tipos de protetores: os protetores labirinto e os protetores de selo positivo ou bolsa, sendo que os mesmos podem ser mesclados em série ou paralelamente para formar diferentes configurações de protetores. Imagem 5: Protetor Labirinto Imagem 6: Protetor de Selo Positivo O princípio de funcionamento do protetor labirinto se baseia na diferença de densidades entre o fluido do poço e o óleo dielétrico do motor.

11 Imagem 7: Ilustração de um protetor labirinto Há casos em que o protetor labirinto simplesmente não será funcional. Em casos aonde o fluido do poço é mais leve que o óleo do motor, o óleo do motor ira para baixo da câmara substituindo o óleo do motor rapidamente. Se o fluido do poço tiver a mesma densidade do óleo dielétrico o mesmo também não deve ser utilizado. O protetor labirinto também não é funcional em certos poços inclinados devido a sua forma de construção. Se o mesmo trabalhar na horizontal, o fluido do poço pode contaminar o óleo do motor. Para as aplicações descritas acima, um protetor de selo positivo ou bolsa que separa fisicamente os dois fluidos. A bolsa é feita de um elastômero de altas performances tolerante à altas temperaturas que absorve a contração e dilatação do óleo dielétrico do motor, como pode ser visto na figura abaixo. Para as aplicações descritas acima, um protetor de selo positivo ou bolsa que separa fisicamente os dois fluidos. A bolsa é feita de um elastômero de altas performances tolerante à altas temperaturas que absorve a contração e dilatação do óleo dielétrico do motor, como pode ser visto na figura abaixo.

12 Imagem 8: Protetor de selo positivo O protetor é uma peça importante do conjunto BCS pois, geralmente, as falhas de equipamento de fundo do sistema estão ligadas ao motor. Um dimensionamento eficiente deve ser considerado na hora do desenvolvimento do sistema a fim de prolongar a vida do equipamento Intake e Separador de Gás O intake tem como função permitir a entrada do fluido do poço na bomba. Com a finalidade de reduzir a entrada de sólidos na bomba, o intake possui uma malha externa como pode ser observado na figura seguinte. Imagem 9: Admissão da bomba - Intake Quando há presença de gás nas primeiras etapas da bomba, o mesmo ocupa uma parte da área do escoamento e reduz a eficiência volumétrica da bomba, diminuindo assim a produção.

13 Caso o impelidor da bomba se preencha completamente de gás, ocorre o chamado bloqueio por gás (gas lock) e a bomba deixa de fluido e conseqüentemente para de produzir. Imagem 10: Efeitos do fluxo de gás através da bomba Há então, a necessidade de instalar um dispositivo manuseador de gás na admissão da bomba para ajudar a reduzir a quantidade de gás livre nos fluidos que entram na bomba. O separador de gás é também uma admissão como o intake mas o projeto do mesmo é voltado para reduzir a entrada de gases, evitando assim a obstrução da bomba por bloqueio gasoso. Um esboço do mesmo e das suas linhas de fluxo pode ser visto na figura abaixo. Imagem 11: Separador de Gás Imagem 12: Funcionamento do separador Quando o percentual de gás livre está entre 25% e 75% em volume, é necessária a utilização de um AGH. O AGH não separa o gás, mas sim o condiciona de uma forma que o gás possa ser produzido pela bomba sem que haja bloqueio.

14 O AGH foi desenhado para aumentar a eficiência volumétrica do sistema BCS, mantendo uma relação gás líquido maior. Este incremento de eficiência reduz a potência requerida para elevar o fluido. O AGH pode ser utilizado junto a um separador de gás ou diretamente na admissão, tudo depende das condições do poço para que o sistema está sendo dimensionado Bomba Centrífuga A BCS é uma bomba centrífuga multi-estágios, que possui uma quantidade de impelidores que, dependendo da aplicação, possuem um determinado número de pás. Os impelidores estão dentro dos difusores, localizados em série ao longo de um eixo axial que é movido pelo motor elétrico. Uma bomba centrífuga aumenta a pressão através da rotação das pás no impelidor. O movimento do impelidor forma um vácuo parcial no final da sucção do mesmo. O trabalho do impelidor é transferir energia ao fluido que passa por ele através do movimento rotacional, aumentando assim a energia cinética do fluido. Cabe então ao difusor converter a energia cinética do fluido em energia potencial (head). Imagem 13: Diagrama de fluxo em um estágio Imagem 14: Componentes de um estágio Um estágio é formado por um impelidor e um difusor. Cada estágio tem a função de elevar o fluido para o próximo estágio, incrementando a sua energia, até alcançar uma pressão de descarga que permita que o fluido chegue a superfície. Existem dois tipos de impelidores, radial ou misto. O tipo de impelidor determina a vazão que a bomba pode mover.

15 Os impelidores de fluxo misto possuem maior ângulo vertical nas pás e, por causa disso, são usualmente encontrados em bombas de grande vazão. A capacidade de retenção de gás desses impelidores é baixa. Os impelidores de fluxo radial possuem ângulos de pás próximos a 90 graus e são utilizados em aplicações para bombas de baixa vazão. Nestes impelidores há maior probabilidade de ocorrer bloqueio por gás, dado o caminho mais difícil que o fluido deve percorrer. Imagem 15: Diferenças entre tipos de estágios e porcentagem de gás A caracterização de uma bomba BCS é feita através da curva de performance da mesma. Por essa curva, pode-se determinar a variação de pressão produzida, a potência requerida e a eficiência da mesma em qualquer vazão. Um exemplo dessa curva pode ser visto na figura abaixo. Vale salientar que a curva de operação da bomba muda de acordo com a mudança da freqüência da mesma.

16 Imagem 16: Curva de performance de uma BCS A BCS, como toda bomba, possui uma faixa de operação ao longo da curva. Essa faixa representa quando a bomba está operando em equilíbrio com seu peso, ou seja, a força do fluido está em equilíbrio com as forças da bomba. Quando a bomba opera à esquerda da curva, a energia do fluido não vence o peso da bomba, havendo assim um esforço no sentido inferior, condição esta conhecida como downthrust. No caso contrário, quando a bomba opera à direita da faixa de operação, a bomba está em uma condição de upthrust, ou seja, a vazão é muito alta causando uma força resultante para cima. As condições de downthrust e upthrust são indesejadas devido ao desgaste que as mesmas causam ao equipamento. Outra classificação das BCS é referente ao tipo de construção dos estágios que podem ser flutuantes ou de compressão. Nas bombas flutuantes os impelidores tem a liberdade de se deslocar axialmente. Esta configuração faz com que os esforços sofridos pela bomba sejam absorvidos pelos próprios impelidores, reduzindo assim a movimentação axial do eixo e então minimizando os efeitos de downthrust e upthrust nos mancais do protetor e motor. A desvantagem desse tipo de construção é a redução do número de impelidores, devido ao espaço necessário entre os mesmos, que implica diretamente na perda do head da bomba.

17 As bombas de compressão são caracterizadas por terem seus impelidores presos verticalmente ao eixo. Os efeitos de downthrust e upthrust são então absorvidos diretamente pelos mancais do protetor e motor. A principal vantagem dessa concepção é a possibilidade de se ter um ganho de pressão maior devido à possibilidade de ser utilizada uma maior quantidade de impelidores. Existem também configurações utilizadas com a finalidade de melhorar a resistência da bomba perante as condições de operação. Materiais cerâmicos são utilizados a fim de aumentar a resistência à abrasão Sensor Para realizar o monitoramento das condições de fundo e da operação do equipamento BCS se utilizam sensores de fundo que possibilitam o registro de certas variáveis relevantes como: temperatura do fluido, temperatura do motor, pressão do intake, pressão de descarga e vibrações. Variáveis estas importantes na realização de avaliações e diagnósticos. O uso de sensores de fundo contribui para o aumento da vida útil do conjunto, otimização na produção, maior entendimento da performance do reservatório, oferecem maiores opções de proteção ao reservatório e equipamento através da automação do conjunto, tomada de decisões em tempo real, dentre outros Cabo Elétrico O cabo de potência alimenta eletricamente o motor de fundo conectando-o com a potência gerada na superfície. Existem diversos tipos de cabo, a seleção dos mesmos é feita levando em conta propriedades elétricas, dimensões físicas, resistência ao meio de operação, resistência mecânica, temperatura e espaço disponível. Uma diferente gama de condutores está disponível para atender as especificações. Quanto a disposição dos fios os cabos podem ser Flat (finos) ou Round (Redondos). Um cabo possui seis partes principais: condutor, isolamento, barreira, tubo de injeção (opcional), revestimento e armadura. A variação de cada uma dessas partes torna grande a diversidade de cabos e, através da análise de parâmetros, permite a seleção do melhor cabo para o poço em questão.

18 2. Conclusões Como visto, o segundo período de estágio bem como o seu relatório, cumpriram com seus objetivos. O método de bombeio centrífugo submerso foi aprofundado e cada um de seus componentes foi cautelosamente analisado e estudado. Cabe salientar que outras atividades foram desenvolvidas a fim de expor a parte prática relacionada aos conhecimentos adquiridos ao aluno. Mesmo com alguns conhecimentos relacionados à outros campos, mais uma vez fica claro que a formação acadêmica do aluno perante as atividades de trabalho é de grande valia. Com todo um aprendizado sobre BCS desenvolvido, a última etapa do estágio tem como objetivo o dimensionamento de um sistema BCS para um determinado poço, por parte do aluno com o auxílio de seu tutor.

19 3. Referências Apostila: Schlumberger Well Completions & Productivity SELC / WCP1S. Field Service Manual: Artificial Lift Submersible Systems DONNELY, Richard W. Artificial Lift. 1a. Edição Schlumberger Oilfield Glossary: Schlumberger HUB: Folhetos Petrobrás: www2.petrobras.com.br/espacoconhecer/ LYONS, Willian C. Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering 2. 6a. Edição Gulf Professional Publishing.

20 4. Anexos Imagem 17: Impelidor da bomba Imagem 18: Corte de difusor e impelidor Imagem 19: Impelidor Imagem 20: Exemplos de cabos elétricos Imagem 21: Componentes do cabo elétrico