Elevação Artificial Por Bombeio Mecânico

De Glicia Loureiro Dos Reis, Oldrich Joel Romero

Na indústria de petróleo, o escoamento de fluidos no meio poroso é seguido pela elevação no interior da coluna de produção; a coleta, por meio de um arranjo de dutos, permite a entrega dos fluidos na unidade de separação primária. Este percurso é possível com consumo de energia. Com o tempo, a energia do reservatório é insuficiente para vencer as perdas de carga comprometendo a manutenção da vazão econômica. No ambiente do poço são utilizados os métodos de elevação artificial de petróleo, estes podem suplementar a energia faltante, ou reduzir a perda de carga à jusante do fundo do poço. Existem, portanto, diversas opções que podem ser escolhidas. Na primeira categoria se enquadra o bombeio mecânico com hastes (BM), que é um dos métodos mais utilizados no mundo. A descrição, conhecimento e previsão de possíveis problemas operacionais do sistema BM são de extrema importância quando se deseja diminuir custos sem comprometer sua eficiência. No BM, a coluna de hastes acionada em superfície, se conecta com a bomba de fundo. Embora seja uma barra metálica sólida, a coluna é afetada pela flambagem uma vez que seu diâmetro é da ordem de uma polegada (2,54 cm) e seu comprimento pode ser de 500 m até 2000 m, ou mais. Estudos a respeito deste fenômeno têm sido desenvolvidos ao longo das duas últimas décadas, desde os registros iniciais até a atual exigência de quantificar e medir a força compressional necessária para prever e controlar sua ocorrência. Esta temática é abordada neste livro. O leitor desta obra terá acesso aos fundamentos técnicos sobre as forças e parâmetros envolvidos na flambagem da coluna de hastes do BM, assim como à análise e efeitos de elementos tensionadores adicionados à coluna. Três casos são discutidos, apresentando a modelagem matemática e sua solução mediante o software SROD, um dos mais utilizados nesta área.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 11 de out. de 2023

Pré-visualização do livro

Elevação artificial por bombeio mecânico

Flambagem da coluna  de hastes

Glicia Loureiro dos Reis

Oldrich Joel Romero

Edição dos autores

São Mateus-ES, Brasil, outubro de 2023

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes), campus São Mateus, instituição que disponibilizou a infraestrutura tanto da Graduação em Engenharia de Petróleo como da Pós-graduação em Energia, para desenvolvimento das atividades tratadas neste livro.

Somos gratos também à Petrobras por permitir a abordagem desta temática durante as atividades de estágio da então graduanda, hoje Well Integrity Engineer na Seacrest Petróleo, Glicia Loureiro.

Prof. Oldrich Joel Romero agradece à Fapes – Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo, pela concessão da Bolsa Pesquisador Capixaba via Termo de Outorga 356/2022.

Nesta caminhada, não podemos deixar de reconhecer e agradecer a compreensão e apoio das nossas famílias. Entender nossas ausências, pela necessidade de priorizar a dedicação a esta obra, é o que nos tem permitido concluir a escrita, diagramação, e diversos outros desafios inerentes à autopublicação.

Prefácio

Na indústria de petróleo, o escoamento de óleo, gás, água e sedimentos no meio poroso é seguido pela elevação no interior da coluna de produção; a coleta, por meio de um arranjo de dutos, permite a entrega dos fluidos na unidade de separação primária. Este percurso é possível com consumo de energia. Com o tempo, a energia do reservatório é insuficiente para vencer as perdas de carga comprometendo a manutenção da vazão econômica.

No ambiente do poço são utilizados os métodos de elevação artificial de petróleo, estes podem suplementar a energia faltante, ou reduzir a perda de carga à jusante do fundo do poço. Existem, portanto, diversas opções que podem ser escolhidas.

Na primeira categoria se enquadra o bombeio mecânico com hastes (BM), que é um dos métodos mais utilizados no mundo, e objeto de diversos estudos. A descrição, conhecimento e previsão de possíveis problemas operacionais do sistema BM são de extrema importância quando se deseja diminuir custos sem comprometer sua eficiência. No BM, a coluna de hastes acionada em superfície, se conecta com a bomba de fundo. Embora seja uma barra metálica sólida, a coluna é afetada pela flambagem uma vez que seu diâmetro é da ordem de uma polegada (2,54 cm) e seu comprimento pode ser de 500 m até 2000 m, ou mais.

Estudos a respeito deste fenômeno têm sido desenvolvidos ao longo das duas últimas décadas, desde os registros iniciais até a atual exigência de quantificar e medir a força compressional necessária para prever e controlar sua ocorrência.

O leitor terá acesso aos fundamentos técnicos sobre as forças e parâmetros envolvidos na flambagem da coluna de hastes do BM, assim como à análise e efeitos de elementos tensionadores adicionados à coluna. Três casos são discutidos, apresentando a modelagem matemática e sua solução mediante o software SROD™, um dos mais utilizados nesta área.

Os autores

Sumário

1 Introdução

1.1 Motivação

1.2 Objetivo

2 Descrição do bombeio mecânico com hastes

2.1 Unidade de bombeio

2.2 Coluna de hastes

2.2.1 Características das hastes

2.2.2 Materiais das hastes

2.2.3 Cargas na coluna de hastes

2.2.4 Limites de resistência à fadiga

2.3 Bomba de fundo

2.4 Cartas dinamométricas

2.4.1 Carta dinamométrica de superfície

2.4.2 Carta dinamométrica de fundo

3 Histórico da flambagem

3.1 Comentários

4 Análise da coluna de hastes

4.1 Abordagens para análise da coluna de hastes

4.2 Função transferência

4.2.1 Condições iniciais e de contorno

4.2.2 Comportamento da bomba

4.3 Flambagem da coluna de hastes

4.3.1 Tipos de flambagem

4.3.2 Influência das características do fluido produzido

4.3.3 Rigidez da coluna de hastes

4.4 Forças que causam flambagem da coluna de hastes

4.4.1 Forças de arraste viscoso no pistão

4.4.2 Forças do fluxo através da válvula de passeio

4.4.2 Forças originadas pela pancada de fluido

4.5 Determinação da flambagem: método diagnóstico

4.6 Elemento tensionador: sinker bar

5 Estudo de caso 1: condições estáticas x dinâmicas

5.1 Condições estáticas

5.2 Condições dinâmicas

6 Estudo de caso 2: sinker bar acima da bomba

7 Estudo de caso 3: sinker bar abaixo da bomba

7.1 Descrição do caso de referência

7.2 Utilização do elemento tensionador

7.3 Otimização da coluna de hastes

8 Considerações finais

Referencias bibliográficas

1 Introdução

Em reservatórios de petróleo que possuem pressão suficientemente alta, os fluidos que escoam em direção aos canhoneados conseguem alcançar livremente a superfície, sendo produzidos por elevação natural. Poços que produzem dessa maneira são chamados poços surgentes.

Quando a pressão do reservatório é baixa, os fluidos não conseguem alcançar a superfície sem que sejam utilizados meios artificiais para elevá-los. Por meio da elevação artificial um aumento de energia é fornecido ao fluido no nível dos canhoneados, ou é viabilizada a redução da perda de carga,