Proceedings of the 1st Iberic Conference on Theoretical and Experimental Mechanics and Materials /

11th National Congress on Experimental Mechanics. Porto/Portugal 4-7 November 2018.

Ed. J.F. Silva Gomes. INEGI/FEUP (2018); ISBN: 978-989-20-8771-9; pp. 45-52.

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PAPER REF: 7343

ESTUDO DA RELAÇÃO ENTRE FRAÇÃO DE INJEÇÃO DE GÁS E DEFORMAÇÃO NO BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO ATUANDO COM ESCOAMENTO BIFÁSICO André Alencar de Lima(*), Pablo Siqueira Meirelles

Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), Universidade Estadual de Campinas(UNICAMP), São Paulo, Brasil (*)

Email: andre_lima77@hotmail.com RESUMO

O trabalho baseia-se na análise investigativa da correlação entre a fração de injeção de gás e a deformação estrutural num sistema de bombeio centrífugo submerso (BCS) em regime de escoamento bifásico. Uma bancada foi montada para simular, em laboratório, a operação de um dos métodos de elevação artificial mais empregado na extração de petróleo, o BCS. O experimento consiste em analisar o comportamento do equipamento trabalhando com a mistura água/ar em diversas condições de operação. Os resultados experimentais obtidos apontam que há correlação entre a fração de gás injetado na sucção da bomba e a sua deformação, utilizando extensômetros como alternativa para o monitoramento das condições operacionais do sistema.

Palavras-chave: BCS, deformação, bifásico, água/ar, correlação.

INTRODUÇÃO

A exploração de reservatórios petrolíferos apresentam diversas dificuldades. Uma delas é a insuficiência energética de poços para elevar os fluídos até a superfície. A utilização de métodos de elevação artificial torna-se fundamental para esse processo. Existem diversos métodos de elevação artificial que são aplicados de acordo com as particularidades de cada poço ou campo de petróleo. O método abordado por esse trabalho é um dos mais eficientes e flexíveis empregados nesse segmento. O bombeio centrífugo submerso (BCS) é extensamente utilizado no auxílio de ganho de pressão em linhas de extração de petróleo e consiste no emprego de uma bomba centrífuga de múltiplos estágios, geralmente instalada na extremidade dos dutos de extração ou acima do poço, no leito marinho.

Em boa parte dos reservatórios, as condições do fluido produzido são instáveis e apresentam grande sensibilidade à pressão e temperatura no recinto, o que afeta no desempenho do sistema de bombeio. À medida que o petróleo escoa do reservatório rumo à superfície, a pressão cai fazendo com que as frações mais leves do petróleo passem para o estado gasoso. A temperatura sofre queda relativamente menor. Se no ponto de sucção da BCS a pressão é menor que a pressão de saturação líquido-vapor, a bomba estará sujeita a um escoamento bifásico gás-líquido (Biazussi, 2014).

Tendo em vista o alto valor agregado e a importância do BCS para a produtividade do sistema de extração, é recomendável a implementação de mecanismos de monitoramento do mesmo, procurando-se evitar falhas catastróficas e manutenções emergenciais.

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Portanto, o presente trabalho busca investigar a relação entre a presença de gás na entrada do conjunto de bombeio com a deformação estrutural da sua carcaça, procurando contribuir com mais uma possibilidade de técnica capaz de apontar condições desfavoráveis de funcionamento.

METODOLOGIA

A fim de analisar os fenômenos mencionados, os ensaios foram realizados em uma bancada de testes horizontal equipada com uma bomba centrífuga de três estágios, motor, mancais e conexões de sucção e descarga, instrumentada para medir dados como potência do eixo, pressão na sucção e descarga, vazão, temperatura e deformação. O layout do sistema é representado na Figura 1. O controle de pressão de entrada para a BCS é realizado por uma bomba booster, um trocador de calor e um medidor de fluxo de massa. O sistema de alimentação de gás é equipado de um compressor, um tanque e um medidor de massa. Mensurando as vazões de água e ar, calculou-se a fração de injeção de gás como a relação entre a vazão volumétrica de gás e a vazão volumétrica da mistura.

Fig. 1 - Layout do sistema de simulação de BCS testado em laboratório (Verde, 2016).

A Figura 2 mostra a bancada situada no Laboratório de Petróleo (LABPETRO) da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), onde foram realizados os testes.

Fig. 3 - Bancada experimental do bombeio centrífugo submerso.

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TESTES E RESULTADOS

Foi montada uma matriz de teste que contemplasse várias condições de operação, Tabela 1. Inicialmente a pressão de entrada foi fixada, enquanto a vazão mássica para o ar foi ajustada de acordo com o requerido para cada teste. O ensaio consiste em condicionar a BCS em fluxo aberto, onde não se tem incremento de pressão, e reduzindo gradativamente a taxa de fluxo do líquido. Para cada ponto da curva de desempenho, os parâmetros pré-definidos devem ser estabilizados controlando a válvula de estrangulamento e a velocidade de rotação da bomba booster. Os dados são armazenados e posteriormente apresentados como no exemplo da Figura 4, em curvas experimentais do desempenho da bomba.

Tabela 1 - Matriz de teste.

Fig. 4 - Curva de desempenho experimental para 3000 rpm e pressão de entrada de 400kPa.

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A deformação é medida na carcaça da BCS, especificamente no último estágio da bomba, por extensômetro elétrico (strain gage). A aquisição de dados foi feita utilizando um sistema MCGplus, da HBM, com uma taxa de amostragem de 2400 Hz.

Por fim, os sinais registrados são processados por meio de uma ferramenta matemática de Transformada Rápida de Fourier (FFT), utilizando o software Matlab ®, para que seja possível analisar no domínio das frequências os resultados adquiridos no domínio do tempo.

Após o processamento dos dados, foram feitas análises individuais de todos os resultados para os testes executado com 400kPa de pressão na entrada da bomba. Notou-se uma mudança no padrão do espectro à medida que se observava os últimos pontos de medição das curvas de desempenho, localizados na transição entre a zona de degradação e a zona de instabilidade do sistema, como mostra a Figura 5. Todas as medições são realizadas em um mesmo local na carcaça da BCS, os pontos de medição citado correspondem a cada ponto na curva de desempenho que se altera com a variação das condições de operação do sistema.

Fig. 5 - Curva de desempenho dividido em zonas. I-Zona estável, II-Zona de degradação e III-Zona de instabilidade. (Pedrotti et al, 2015).

As Figuras 6 e 7 ilustram a identificação da mudança do padrão nos espectros de deformação, apresentando condições de operação distintas, com velocidade de rotação de 1800 e 3000 rpm, respectivamente, e mesma pressão de entrada e vazão mássica de gás.

A análise comparativa dos espectros foi realizada em todo o seu domínio, de 0 a 1200 Hz. Entretanto, só foi possível notar variações em baixas frequências, no intervalo de 0 a 3,69 Hz, tornando-se foco da análise.

Começa a haver alterações no padrão do espectro a partir do P11, na Figura 6-b, mas a degradação inicia entre os pontos P9 e P10 de medição na curva de desempenho.

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(a)

(b)

Fig. 6 - (a) Curva de desempenho para 1800rpm,400kPa e 4kg/h de vazão de gás;

(b)Espectros em cascata de todos os pontos de medição da curva.

(a)

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(b)

Fig. 7 - (a) Curva de desempenho para 3000rpm,400kPa e 4kg/h de vazão de gás; (b) Espectros em cascata de todos os pontos da curva.

É possível notar um comportamento semelhante para o teste com 3000rpm. O padrão do espectro se altera a partir do P11, na Figura 7-b, porém a degradação inicia entre os pontos P9 e P10 de medição na curva de desempenho.

Foi realizado um estudo introdutório para identificar a relação entre as mudanças de padrão dos espectros de deformação com a fração de injeção de gás calculado. Por se tratar de variáveis não-paramétricas, usou-se o coeficiente de correlação de Spearman, que é uma estatística baseada no posto das observações (rank) e não nos valores observados.

Tomando como exemplo duas variáveis, X e Y, dos quais os valores são Xi e Yi, i = 1, 2,...,n, a atribuição de postos, nesse caso, é feita separadamente para cada uma das variáveis. Assim, para a variável X atribui-se o posto 1 à menor variável, posto 2 à segunda menor variável e assim por diante, até o posto n para a maior variável. O mesmo procedimento é feito para a variável Y, independente dos valores da variável X (Pontes,2010).

O coeficiente de correlação de Spearman é dado por:

�� � 1 �6 � ∑ �

� ���

�� � �

Onde di corresponde a diferença entre os postos para cada par de observações de Xi e Yi. Assim sendo, este coeficiente não é sensível a assimetrias na distribuição, nem à presença de valor atípico (outlier). Os efeitos da utilização do método são apresentados nas Figuras 8 e 9 em um novo intervalo de interesse, de 0 a 1,3 Hertz.

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Fig. 8 - Análise estatística para a curva de 1800 rpm, 400kPa e 4 kg/h de gás - Coeficiente de correlação de

Spearman (Esquerda) e teste de significância p-valor(Direita).

Fig. 9 - Análise estatística para a curva de 3000 rpm, 400kPa e 4 kg/h de gás - Coeficiente de correlação de Spearman (Esquerda) e teste de significância p-valor(Direita).

O teste de significância trabalha com as hipóteses de que as variáveis apresentam ou não relação entre si, do ponto de vista estatístico. Em geral, se o p-valor for menor que 0,05, é considerada significativa a correlação entre as variáveis. Pode ser observada nos dados analisados, a ocorrência de uma correlação moderada, mas significante, entre a deformação estrutural da carcaça e a fração de injeção de gás para essas condições testadas.

CONCLUSÃO

O presente trabalho além de descrever um problema muito comum enfrentado pela indústria de petróleo em instalações BCS, ou seja, a degradação do desempenho causada pela entrada de gás livre na sucção da bomba, também observou que a deformação estrutural no domínio da frequência pode estar correlacionada positivamente com a fração de injeção de gás na entrada do sistema, indicando a inclusão de extensômetros como alternativa de monitoramento da condição de elevação artificial focado nesse trabalho.

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Apesar de apenas um modelo de BCS ter sido utilizado neste trabalho, como um estudo preliminar, revelou a conveniência de se realizar futuros estudos para melhor observar esses fenômenos, testando novos tipos de BCS e extensômetros, em diferentes condições de operação.

AGRADECIMENTO

Este projeto não teria sido possível sem o apoio da Petrobrás.

REFERÊNCIAS

[1]-A. C. F. Pontes, Ensino da correlação de postos no ensino médio. Universidade Federal do Acre, 2010.

[2]-J. L. Biazussi, Modelo de Deslizamento para Escoamento Gás-Líquido em Bombas Centrífuga Submersa Operando com Fluido de Baixa Viscosidade. UNICAMP, 2014.

[3]-M. M. Pedrotti; J. L. Biazussi; A. C. Bannwart, UNICAMP; N. A. Sassim, CEPETRO/UNICAMP, A Time-Frequency Study of the Behavior of an Electrical Submersible Pump Operating Nearly the Gas-Locking Condition, 2015.

[4]-P. R. B. Guimarães, Análise de Correlação e medidas de associação. 2010.

[5]-T. R. Mansur, Análise de tensões em tubulações submetida a transiente de pressão interna e temperatura, 1981.

[6]-W. M. Verde, Modelagem do desempenho de bombas de BCS operando com misturas gás-óleo viscoso. UNICAMP, 2016.

[7]-Y. Mi, M. Ishii, L.H. Tsoukalas, Flow regime identification methodology with neural networks and two-phase flow models. 2000.