ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE ......Yago de Lima Galdino iv GALDINO, Yago de Lima. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos de elevação artificial. 2018. 52

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO

ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE AEROGERADORES

APLICADO A MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL

Yago de Lima Galdino

Dezembro, 2018

NATAL, RN

Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Petróleo –CEP/CT/UFRN 2018.2

ii Yago de Lima Galdino

Yago de Lima Galdino

ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE AEROGERADORES

APLICADO A MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL

Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia de Petróleo da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte como

requisito parcial para a obtenção do título

de Engenheiro de Petróleo.

Orientadora: Prof.ª Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli

Dezembro, 2018

NATAL, RN


iii Yago de Lima Galdino


iv Yago de Lima Galdino

GALDINO, Yago de Lima. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos

de elevação artificial. 2018. 52 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2018.

Palavras-Chaves: BCS, BCP, Gás Lift, Energias Renováveis, Energia Eólica.

Orientadora: Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli.

RESUMO

___________________________________________________________________________

A energia eólica é uma alternativa bastante promissora para suprimento de energia no

setor petrolífero, em especial para os métodos de elevação artificial. Por ser uma energia de

fonte inesgotável, limpa, autossuficiente e que diminui a liberação dos gases contribuintes para

o efeito estufa, favorece a sua participação na indústria de petróleo, proporcionando uma

viabilidade econômica dos projetos, aliado com a disponibilidade dos recursos naturais. O

sistema de energia eólica tem a finalidade de transformar a energia cinética provinda do vento

em energia mecânica, a qual é convertida em energia elétrica para alimentar o destino final.

Nesse trabalho de conclusão de curso, a potência elétrica utilizada em sistemas de elevação

artificial é determinada para poços exemplo operados por BCS, BCP e Gás Lift, no intuito de

dimensionar sistemas de geradores eólicos, que possam gerar energia necessária para abastecer

os sistemas de elevação, visando utilizar um método alternativo para o fornecimento de energia,

de modo eficiente e ambientalmente sustentável. Para o estudo, utilizou-se um parque eólico

modelo, para fornecer energia elétrica a um determinado número de poços produtores de

petróleo. Os resultados obtidos da geração de um aerogerador foram o abastecimento

energeticamente de seis poços equipados com BCS, 53 equipados com BCP e 10 equipados

com Gás Lift. O mês de menor geração de energia teve os seguintes resultados: BCS 2 poços,

BCP 19 poços e Gás Lift 3 poços.


v Yago de Lima Galdino

GALDINO, Y. L. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos de

elevação artificial. 2018. 52 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Petróleo,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, 2018.

Keywords: ESP, PCP, Gas Lift, Renewable Energy, Wind Energy.

Tutor: Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli.

ABSTRACT

__________________________________________________________________________

Wind energy is a very promising alternative to supply energetically the oil industry,

especially artificial oil lift methods. For being an endless resource, clean, self-sufficient and for

reducing the emission of greenhouse gases, its participation in oil industry is favored, affording

economic feasibility for projects allied with sustainability. A wind energy system has the

purpose of transforming kinetics energy provided by the wind into mechanical energy, which

is converted into electric energy used to feed the final destination. In this undergrad final work,

the electrical power used by artificial oil lift systems is determined for oil wells operating by

ESP, PCP and gas lift, aiming the dimensioning of a wind energy power plant, capable of

generating enough power to feed the oil lifting, in an efficient and sustainable way. For the

study, a model power plant was used, to provide electrical energy to a determined number of

producing oil wells. The results obtained for an wind turbine power generation was the

supplying of 6 oil wells operating by ESP, 53 equipped with PCP and 10 for gas lift. For the

month with the lowest power generation the results were the following: ESP 2 oil wells, PCP

19 oil wells and gas lift 3 oil wells.


vi Yago de Lima Galdino

AGRADECIMENTOS

Agradeço, primeiramente, a Deus e a Nossa Senhora do Perpétuo Socorro por ter me

guiado e abençoado nessa caminhada árdua, me dando força para que eu nunca desistisse dos

meus objetivos.

Aos meus pais e irmã, que sempre acreditaram no meu potencial, me incentivando, me

dando amor e proporcionando essa conquista.

À minha namorada, por sempre estar do meu lado ao logo dessa caminhada, com sua

compreensão e paciência em todos os momentos.

A todos os familiares que com alguns gestos, sempre estiveram presentes ao decorrer

dos anos da graduação.

Aos amigos que fiz durante a graduação, pelo companheirismo durante esses anos, fosse

nas horas boas ou ruins.

À Brent Engenharia Júnior, que me proporcionou diversas oportunidades de

crescimento e ensinamento.

À minha orientadora Prof.ª. Drª. Carla Wilza Souza de Paula Maitelli, pela confiança,

orientação e disponibilidade, me proporcionando aprendizados para o meu crescimento

profissional.

A todos os professores do departamento de Engenharia de Petróleo, por todo o

conhecimento compartilhado nas mais diversas aéreas.

Ao Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT) que me acolheu e proporcionou

todo o suporte necessário para o desenvolvimento das pesquisas de Iniciação Cientifica, e no

meu trabalho de conclusão de curso.


vii Yago de Lima Galdino

Sumário

INTRODUÇÃO 12

Objetivos 13

Objetivos Específicos 14

ASPECTOS TEÓRICOS 15

Elevação do Petróleo 15

Elevação Natural 15

Elevação Artificial 16

BCS 17

BCP 20

Gás Lift 21

Energias Renováveis 24

Energia Eólica 26

Aerogeradores 31

Componentes do Aerogerador 32

MATERIAIS E MÉTODOS 34

Metodologia do Trabalho 34

Cálculo das Potências 35

Geração Média de Energia Eólica 38

RESULTADOS E DISCUSSÕES 44

Dimensionamento dos Poços 44

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 47

Recomendações 48

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 49


viii Yago de Lima Galdino

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Poço surgente. .......................................................................................................... 16

Figura 2 - Principais métodos de elevação artificial................................................................. 17

Figura 3 - Poço com sistema BCS. ........................................................................................... 18

Figura 4 - Sistema de produção por BCP. ................................................................................ 21

Figura 5 - Exemplo Gás Lift Continuo. .................................................................................... 22

Figura 6 - Exemplo Gás Lift Intermitente. ................................................................................ 23

Figura 7 - Fontes renováveis. ................................................................................................... 24

Figura 8 - Mapa das regiões de maior potencial energético eólico. ......................................... 25

Figura 9 - Capacidade eólica instalada no mundo. ................................................................... 26

Figura 10 - Países com maior produção. .................................................................................. 27

Figura 11 - Evolução da capacidade instalada.......................................................................... 28

Figura 12 - Geração de energia eólica estados Brasileiros 2017-2018. .................................... 29

Figura 13 - Potencial elétrico do RN. ....................................................................................... 30

Figura 14 - Modelo de eixo vertical. ........................................................................................ 31

Figura 15 - Modelo horizontal. ................................................................................................. 32

Figura 16 - Componentes do aerogerador. ............................................................................... 33

Figura 17 – Esquema para o desenvolvimento do trabalho. ..................................................... 35

Figura 18 - Esquema para os cálculos do consumo mensal. .................................................... 36

Figura 19 - Modelo usado para estudo. .................................................................................... 39

Figura 20 - Curva de potência. ................................................................................................. 39

Figura 21 - Cálculos da geração média. ................................................................................... 40

Figura 22 - Comparação entre o aerogerador e o parque da média dos 12 meses. .................. 45

Figura 23 - Comparação entre aerogerador e o parque no mês de abril. .................................. 46


ix Yago de Lima Galdino

LISTA DE TABELAS

Tabela 3. 1 - Potência de cada método. .................................................................................... 36

Tabela 3. 2 - Dados dos métodos de elevação. ......................................................................... 38

Tabela 3. 3 – Dados 12 meses. ................................................................................................. 40

Tabela 3. 4 - Dados abril 2018. ................................................................................................ 40

Tabela 3. 5 - Geração média de energia eólica 12 meses. ........................................................ 42

Tabela 3. 6 - Geração média de energia eólica mês de abril 2018. .......................................... 43

Tabela 4. 1 - Quantidade de poços que poderão ser abastecidos (por unidade). ...................... 44


x Yago de Lima Galdino

LISTA DE ABREVIATURAS E/OU SÍMBOLOS E/OU SIGLAS

BCS – Bombeio Centrífugo Submerso

BCP – Bombeio por Cavidades Progressivas

BM – Bombeio Mecânico

GLC – Gás Lift Continuo

GLI – Gás Lift Intermitente

RGL`S – Razão Gás/Líquido

IP – Índice de Produtividade

ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico

RPM – Rotações por minuto

C° - Graus Celsius

kV – Quilovolt

V – Volt

HZ – Hertz

kW – Quilowatt

GW – Gigawatt

MW – Megawatt

M – Metros

Km – Quilômetro

HP – Horse-power

h – Horas

m/s – Metros por segundos

m³/dia – Metros cúbicos por dia

Kgf/cm² - Quilograma-força por centímetro quadrado

kWh/dia – Quilowatt hora por dia

kWh/mês – Quilowatt hora por mês

MWh/mês – Megawatt hora por mês

MWh/ano - Megawatt hora por ano

MW med – Megawatt med

Cdiário – Consumo diário

Cmensal – Consumo energético mensal


xi Yago de Lima Galdino

Tconsumo - Tempo de funcionamento do motor

Tdias - Dias de funcionamento do motor

Pmotor - Potência do motor

Gm - Geração Média

Pn - Potência Nominal

FCV – Fator de capacidade verificada


12 Yago de Lima Galdino

INTRODUÇÃO

Segundo THOMAS 2001, uma das fontes de energia mais utilizadas no nosso planeta é

a derivada do petróleo, originada de matéria orgânica de animais e plantas, que foram

depositadas há milhares de anos em ambientes aquáticos, como fundos de oceanos e lagos,

decorrentes da separação dos continentes ou por crateras. As camadas mais antigas, com os

acúmulos das matérias orgânicas, foram soterradas gradativamente pelas mais novas e

compactadas pelo peso das camadas superiores. Através de reações químicas realizadas no

interior dessas formações, com condições ideais de pressão e temperatura, apenas as moléculas

formadas a partir do carbono e do hidrogênio passaram a existir, formando, assim, o querogênio.

O querogênio é um dos responsáveis por gerar os hidrocarbonetos líquidos e gasosos

que compõe a rocha geradora. Esses hidrocarbonetos formados, migram através de falhas que

atravessam as rochas até encontrar uma formação denominada de rocha capeadora ou selos, que

são impermeáveis e impedem a migração do fluido até a superfície. Esse fluido fica preso em

um espaço chamado de rocha reservatório, que é impermeável, sendo o local que o petróleo fica

depositado (THOMAS, 2001).

Existem diferentes situações de poços de petróleo, aqueles que são surgentes, ou seja,

têm pressão suficiente para elevar o fluido até a superfície; e os que não são surgentes, que

necessitam de meios artificiais para produção do mesmo. Com o passar do tempo, a pressão dos

surgentes vai decaindo naturalmente. Uma solução empregada para os dois casos, é a utilização

de métodos de elevação artificial.

O Bombeio Centrifugo Submerso (BCS) é um dos meios de elevação artificial mais

utilizados. Destaca-se no ambiente de produção de petróleo por apresentar altas taxas de

elevação de fluido, comparado com os outros métodos de elevação. O funcionamento da bomba

de fundo que compõe o sistema de elevação por BCS se dá através de um motor elétrico que

transforma energia cinética em pressão para o deslocamento ascendente do fluido. Esse método

pode ser utilizado tanto em ambientes onshore, quanto em offshore.

O Bombeio por Cavidade Progressivas (BCP) é mais um dos métodos utilizados na

elevação artificial de petróleo, sendo um dos mais empregados em quantidade de poços no

Brasil. Sua utilização é mais indicada na produção de óleos viscosos, em ambientes muitos

corrosivos ou com produção de areia.



O método de elevação artificial por Gás Lift é caracterizado pela injeção de gás em

determinado ponto da coluna de produção em forma contínua ou intermitente, gaseificando a

coluna e tornando o fluido menos denso. É bastante utilizado por ser altamente confiável e de

baixo custo comparado aos outros métodos, apresentando tolerância à presença de areia e de

outros sólidos.

O processo de sustentabilidade vem se intensificando em âmbito mundial, visando

suprir as necessidades atuais dos seres humanos, sem comprometer o futuro das próximas

gerações. Um dos mecanismos usados para a intensificação desse processo são as energias

renováveis, utilizando-as de forma inteligente, provocando, assim, menos ou nenhum impacto

ambiental e mantendo a integração das questões sociais, energéticas, econômicas e ambientais.

Visando à geração de uma energia limpa, renovável, com menos impactos ambientais, a

energia eólica e a fotovoltaica são empregadas em alguns casos como a solução energética que tem

menos impactos ambientais. Uma vez que a eólica gera energia proveniente dos ventos, e a

fotovoltaica através da captação dos raios solares.

A energia eólica destaca-se, no conjunto das energias renováveis, por ser uma das mais

empregadas. Consiste na captura da energia cinética contida nas massas de ar, para converte-

las em energia mecânica e, em seguida, em energia elétrica. Os sistemas eólicos podem ser

classificados em offgrid, sem ligação com a rede elétrica e sim ligados a um banco de baterias;

ou ongrid, quando ligados diretamente a um sistema de rede elétrica, no qual irão gerar créditos

para que possam ser consumidos.

Nestas circunstâncias, no capítulo 2 serão apresentados os aspectos teóricos deste

trabalho, como alguns métodos de elevação artificial e energias renováveis. No capítulo 3,

materiais e métodos que serão calculados o consumo energético mensal de cada sistema

produção e a geração de energia do parque eólico escolhido. No capítulo 4 os resultados obtidos,

como a quantidade de poços que pode ser abastecida por um aerogerador do parque estudado.

Por fim, no capítulo 5 serão apresentados as conclusões e recomendações.

Objetivos

Avaliar as alternativas para utilização de energias renováveis em aplicações na indústria

de petróleo, especificamente aplicações aos métodos de elevação operando por BCS, BCP e

Gás Lift.



Objetivos Específicos

• Estudo sobre equipamentos elétricos típicos de sistemas de elevação por BCS,

BCP e Gás Lift;

• Estudar a possibilidade de utilização de energia eólica para alimentação de poços

equipados com sistemas operando por BCS, BCP e Gás Lift;

• Dimensionar sistemas de energia eólica para poços de petróleo operando por

BCS, BCP e Gás Lift;



ASPECTOS TEÓRICOS

Neste capítulo, serão abordados aspectos teóricos da elevação artificial do petróleo,

focando nos métodos de elevação por BCS, BCP e Gás Lift, como também sobre a geração de

energia proveniente da eólica para o desenvolvimento do trabalho.

Elevação do Petróleo

Para que possa produzir o fluido contido nas rochas reservatório, é analisado o melhor

local a ser perfurado e sua capacidade produtiva. Após a perfuração, é constatado se o poço

possui energia e pressão suficiente para elevar o fluido produzido até a superfície em

quantidades aceitáveis para o produtor.

Quando ocorre a produção do fluido presente no interior do reservatório até a superfície,

por meio de sua própria pressão e energia interna, denomina-se elevação natural. Nesse caso,

os poços são chamados de surgentes.

Em outras situações, quando o fluido não consegue chegar até superfície, ou quando a

vazão produzida não é mais economicamente viável, meios artificiais são utilizados para que

possa elevar o fluido do reservatório ou aumentar a vazão de produção para uma quantidade

desejada. São chamados de métodos de elevação artificial e se denominam os poços de não

surgentes.

Elevação Natural

A elevação natural é o processo no qual ao se perfurar um poço, o fluido presente no

interior é elevado para superfície, através da pressão do reservatório. Essa pressão deverá ser

suficiente para vencer todas as perdas de carga ao longo das linhas de fluxo até a superfície.

Os poços são chamados de surgentes, quando produzem unicamente através da energia

do reservatório, entretanto com o passar do tempo de exploração e com sua produção

acumulada, a pressão interna do reservatório vai declinando, tornando incapaz de elevar o fluido

até a superfície.

Na Figura 1 pode ser observado um exemplo de como ocorre a produção por elevação

natural do fluido.



Figura 1 - Poço surgente.

Fonte: THOMAS, 2001.

O principal fator que auxilia essa elevação é a própria pressão do poço, porém destaca-

se também a importância dos outros fatores, entre eles: a propriedade dos fluidos; o índice de

produtividade do poço; o mecanismo de produção, ou seja, gás em solução, capa de gás ou

influxo de água; o dano causado à produção elaboradora durante a perfuração e/ou completação

do poço; a aplicação de técnicas de estimulação (fraturamento, acidificação) e adequado

isolamento das zonas de água e gás adjacentes à zona de óleo (OLIVEIRA, 2010).

Elevação Artificial

A elevação artificial consiste em tornar a produção do poço mais viável

economicamente. É usada para aumentar a vazão de produção, quando a pressão do reservatório

diminui, não existindo mais energia suficiente para elevar o fluido até a superfície; ou em casos

de reservas depletadas, quando não existe pressão suficiente desde o início de sua vida

produtiva.



Para que se possa escolher o método de elevação artificial adequado, é necessário o

estudo das condições do poço e do reservatório. Através disso, obtemos informações como sua

geometria, propriedades do fluido, profundidade do reservatório, razão óleo-gás, condições do

poço, produção de areia, segurança e custos.

Atualmente, existem diversos métodos de elevação artificial. Os mais utilizados são o

Bombeio Mecânico (BM), Bombeio por Cavidade Progressiva (BCP), Gás Lift Intermitente

(GLI), Gás Lift Continuo (GLC) e Bombeio Centrifugo Submerso (BCP), como mostra a Figura

2.

Figura 2 - Principais métodos de elevação artificial.

Fonte: Adaptado de LEA NICKENS, 1999.

BCS

A bomba centrifuga submersa, utilizada na elevação de petróleo, foi inventada por

Armais Arutunoff, que realizou seus primeiros experimentos no campo de Baku, próximo ao

mar Cáspio nos anos de 1910 (TAKÁCS, 2009).

O método de elevação artificial por bombeio centrifugo submerso é um dos mais usados

no planeta, pois trabalha com uma larga faixa de vazões, ideal para grandes produções de

líquidos. É utilizado quando existe a necessidade de aumentar a produção do poço ou por

motivos econômicos, quando a vazão produzida não é mais viável.



Esse método consiste na utilização de uma bomba centrifuga de múltiplos estágios,

conectada a um motor elétrico de subsuperfície, localizado na extremidade inferior da coluna

de produção. Este transforma a energia elétrica recebida por correntes alternadas trifásicas,

através de cabos elétricos vindo da superfície, em energia mecânica.

Os equipamentos do BCS podem ser divididos em equipamentos de superfície e

subsuperfície. Podemos citar quanto aos de superfície: quadro de comando; caixa de junção ou

ventilação; cabeça de poço; cabos e transformador. Já os equipamentos de subsuperfície são:

bomba centrífuga; separador de gás (caso haja); selo ou protetor e o motor, como apresentados

na Figura 3.

Figura 3 - Poço com sistema BCS.

Fonte: Adaptado de TAKÁCS, 2009.

O sistema do BCS trabalha com tensões abaixo das fornecidas pela rede. O

transformador é responsável para corrigir a tensão de 13,8 kV para aproximadamente 460 V.

A energia chega no quadro de comando que agirá como um controlador do BCS. O quadro de



comando tem a função de monitorar e gravar os parâmetros operacionais. Ele pode ser equipado

com a função de variador de velocidade que o auxilia a maximizar a eficiência do sistema e

evitar problemas, aumentando, assim, a vida útil do motor. A energia será transferida do quadro

de comando até o motor, através de cabos que passam pela caixa de ventilação. Esta tem um

papel de fazer a conexão entre o cabo vindo do motor e o cabo da superfície. É necessário fazer

essa ligação em um local especial devido aos gases que possam migrar da subsuperfície até o

quadro de comando, gerando risco de explosões.

Segundo TAKÁCS (2009), o cabo elétrico trifásico deve ser dimensionado de forma

que se gaste a menor quantidade possível de material, já que em alguns projetos, é o fator

determinante para sua viabilidade. Nos projetos de dimensionamento de equipamento BCS, a

folga (que para a passagem do cabo ao longo da coluna de produção), a pressão e temperatura

internas do poço devem ser levadas em conta para a escolha do mesmo.

A bomba é o equipamento mais importante do sistema BCS. Essa bomba de

subsuperfície será posicionada próximo à região dos canhoneados. É uma bomba de múltiplos

estágios que, com alta rotação promovida pelo motor elétrico, irá gerar uma força centrífuga

que elevará o fluido. Cada estágio tem a função de transformar energia cinética em energia

potencial, aumentando a pressão até a pressão de descarga desejada. Existem diferentes modelos

de diâmetros de bombas para os mais diversos tipos de situações. Sua escolha se dará conforme

as características do poço, quantidade de gás, viscosidade do óleo, dentre outros parâmetros.

Abaixo da bomba é instalado o selo, que tem a finalidade de conter a expansão e

contração do óleo dielétrico, presente no motor. Essa expansão e contração ocorre por conta da

temperatura do motor e pode gerar contaminação com o contato do fluido do poço com o fluido

dielétrico do motor, causando falhas no motor. Esse componente possui selos mecânicos para

realizar o isolamento entre os fluidos.

Para evitar um mal funcionamento, ou até mesmo uma obstrução da bomba por bloqueio

de gás, o separador deve ser instalado entre o selo e a bomba com a finalidade de extrair o gás

da mistura. Com o separador de gás instalado, pode se extinguir ou reduzir problemas

provenientes da presença de gás.

Localizado no fundo do sistema, o motor tem a finalidade de transmitir a energia para a

rotação dos estágios da bomba, elevando o fluido. São projetados para operar em condições



severas, em que há presença de componentes químicos, areia, além de altas pressões e

temperaturas.

Segundo NALIN, D. (2009), o motor transforma a energia vinda da superfície em

rotação, gerando um torque aplicado em um eixo, realizando o movimento da bomba. O motor

de indução trabalha com correntes alternadas e é resfriado pelos fluidos que circulam no exterior

de seu perímetro. Os motores utilizados no BCS são trifásicos, giram na velocidade de 3500

rpm em sistemas de alimentação de 60Hz e tensões que variam de 230V a 7000V. Quando

necessário, alteram a potência aumentando seu comprimento ou diâmetro.

BCP

O Bombeio por Cavidade Progressivas (BCP) é um dos vários métodos existentes de

elevação artificial. Atualmente no Brasil, o BCP é o segundo método mais empregado em

quantidade de poços, ficando atrás somente para o bombeio mecânico. O maior limitador para

o uso desse método é seu elastômero que é sensível às propriedades do óleo e as temperaturas

elevadas, limitado a temperaturas máximas de 100 C°. Outra limitação, é sua vazão, podendo

chegar até 800 m3/dia, para diâmetros de bombas maiores. (MAITELLI, CARLA WILZA

SOUZA DE PAULA. Elevação Artificial do Petróleo. 01 aug. 2017, 12 dec. 2017. 435 p. Notas

de Aula).

Este método tem como característica a produção de óleos muito viscosos, ambientes

muito corrosivos e/ou com produção de areia. Seu funcionamento se dá basicamente por duas

peças, o estator e rotor. O estator é um tubo (de aço) que tem seu interior revestido por um

elastômero. Na sua superfície interna, tem cavidades nas quais o rotor rotacionará (através de

um motor na superfície), elevando o fluido, por meio do espaço formado entre o rotor e estator.

O rotor é constituído por uma coluna de haste de aço revestido com cromo e tem um formato

helicoidal como podemos observar na Figura 04. O motor elétrico produzirá rotação para o

cabeçote o qual rotaciona a haste polida, primeiro elemento da coluna de hastes, que transmitirá

toda a rotação pela bomba. Ao girar, a haste liberará vazão com o movimento axial das

cavidades do rotor. Pode ser visto o modelo de funcionamento do sistema na Figura 4.



Figura 4 - Sistema de produção por BCP.

Fonte: Notas de Aula Elevação Artificial de Petróleo.

O sistema de BCP necessita de uma grande intervenção do operador para situações nas

quais outros métodos de elevação já são automatizados. Estas situações podem ser de diversas

naturezas: manutenção, ajuste de polia, ajuste o regime de operação e o registro das condições

operacionais do poço. Com essas intervenções, o funcionamento da bomba tem que ser

interrompido muito mais vezes se comparado a sistemas automatizados, além dos custos com

o operador e o risco à sua segurança.

Gás Lift

O Gás Lift foi introduzido como método de elevação artificial por volta de 1864, na

Pensilvânia, com a utilização de ar comprimido e posteriormente gás natural para a elevação de

óleo (TAKÁCS, 2005). O Gás Lift é um dos meios de elevação artificial mais utilizados na

produção de petróleo. Este fato se deve principalmente pelos seus altos índices de produção

alcançados e por sua viabilidade econômica, já que se trata de um método relativamente barato

e de fácil instalação. Necessita de menos manutenção, comparado aos outros meios de elevação

artificial, tais como o Bombeio Centrifugo Submerso (BCS), Bombeio por Cavidade



Progressiva (BCP) e até mesmo o Bombeio Mecânico (BM), sendo mais adequado e utilizado

em ambientes offshore (TAKÁCS, 2005). O gás é injetado de forma contínua ou intermitente

na seção inferior da coluna de produção, no qual gaseifica os fluidos produzidos, aumentando

assim, a produção do poço.

No método de elevação artificial de Gás Lift Continuo (GLC), o gás é injetado no poço

de forma controlada e contínua com o propósito de gaseificar o liquido presente, diminuindo

sua densidade e reduzindo as perdas de pressão ao longo da coluna. Esse gás é comprimido na

superfície, se desloca por meio de linhas de alta pressão e é injetado no poço através de válvulas

de Gás Lift. A Figura 5 mostra um exemplo de como funciona.

Figura 5 - Exemplo Gás Lift Continuo.

Fonte: Adaptado de Gás Lift Design Guide, 1993.

Para controlar as pressões do gás injetado na coluna, existem os controladores de injeção

de gás de superfície (choke) e de fundo (válvulas de Gás Lift), que atuam regulando as pressões

na coluna através do fluxo de gás injetado, assim, conseguindo um certo controle da vazão de

produção de líquidos.

Os principais equipamentos de superfície do GLC são: compressor, árvore de natal e a

válvula de injeção choke. Já em relação aos de subsuperfície, se tem a válvula de descarga,

Madril de Gás Lift, coluna de produção, válvula operadora e obturador.

As principais vantagens da aplicação do GLC são: ideal para poços com elevada

produção de sólidos; capaz de operar a elevadas profundidades e vazões; sua aplicação em

poços direcionais não apresenta problemas; ideal para altas RGL´s, a produção de gás reduz a



necessidade de gás injetado; boa aplicação em ambientes off shore; possibilidade de

monitoramento da pressão de fundo e obtenção de gradientes de pressão por meio de wireline

(BROWN, 1982; CLEGG et al., 1993).

As principais desvantagens da aplicação do GLC são: requer a disponibilidade de gás

para injeção; aplicação não recomendada em campos pequenos e/ou com poucos poços devido

ao alto custo de compressores e linhas de injeção; possui baixa eficiência energética acarretando

em elevados custos; não recomendado para a produção de baixas vazões de líquido; apresenta

dificuldades em elevar emulsões e óleos viscosos; pode apresentar problemas de congelamento

e formação de hidratos; gás deve ser adequadamente desidratado; apresenta problemas de

segurança em casos com gás injetado a elevadas pressões; a realização de testes de poços é

dificultada pela vazão de injeção de gás; necessidade de separação do gás injetado do óleo

produzido na superfície acarretando na instalação de tanques e separadores (BROWN, 1982;

CLEGG et al., 1993).

O método de elevação artificial por Gás Lift Intermitente (GLI) funciona através da

injeção de gás de forma intermitente, abaixo do fluido presente no poço, de forma que a energia

de expansão do gás desloque golfadas de líquidos à superfície. Assim, se repetindo em ciclos

bem definidos, controlados por uma válvula controladora (moto valve), pode ser visto um

exemplo na Figura 6 (TAKÁCS, 2005).

Figura 6 - Exemplo Gás Lift Intermitente.

Fonte: Adaptado de Gás Lift Design Guide, 1993.



Sua utilização é mais usual em poços que produzam vazões relativamente baixas

(<32m³/d) ou com baixos índices de produtividade (IP). O liquido produzido pode ser calculado

através do volume de cada golfada recuperada na superfície e do número de ciclos que podem

ser executados por dia pelo sistema (TAKÁCS, 2005).

Energias Renováveis

Em âmbito mundial, a questão energética vem sendo constantemente discutida. Desde

a década de 1970, quando houve o início da crise do petróleo, a produção de energia através de

fontes renováveis ganha espaço. Além de ser uma fonte esgotável, a queima de combustíveis

fósseis potencializa as mudanças climáticas, com aumento, por exemplo, do efeito estufa.

Portanto, a busca de autossuficiência na geração de energia, assim como a ampliação da

diversificação da matriz energética, tem sido um dos objetivos de vários países, inclusive o

Brasil. Destacam-se, desse modo, as energias renováveis, que são praticamente inesgotáveis,

além de gerar mínimos impactos ambientais.

Devido às altas taxas de luminosidade, à imensa biodiversidade e às proporções de seu

território, o Brasil, e em especial a região do Nordeste, tem vantagens em relação aos outros

países na diversidade da geração de energia, incluindo energias renováveis como a solar e a

eólica, como também fontes alternativas como a utilização de biomassa na produção de

combustíveis renováveis. Na Figura 7 podem ser observados alguns exemplos de energias

renováveis, como a biomassa, eólica, fotovoltaica e hidroelétrica.

Figura 7 - Fontes renováveis.

Fonte: Blog Biomassa: <http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-que-e-tao-importante-falar-

sobre-isso/>.



De acordo com O Greenpeace (2013), as energias renováveis são alternativas, a longo

prazo, na substituição de combustíveis fósseis, reduzindo, assim, a dependências das usinas de

grande porte, que geralmente encontram-se distantes do mercado consumidor. Visto isso, é

necessário investimentos tanto em infraestrutura como em redes inteligentes e tecnologias de

armazenamento e eficiência energética. Entretanto, é necessário, principalmente, planejamento

público e comprometimento ambiental, que viabilize a utilização dessas promissoras fontes de

energia.

A energia gerada pela força dos ventos faz parte da matriz energética nacional, desde

1992. Isso é ocasionado pelo clima Brasileiro, em especial, a região Nordeste, por possuir

ventos excepcionais e razoavelmente constantes, proporcionando uma capacidade de geração

de energia que se situa entre as melhores do mundo. Esse ambiente favorece os fortes

investimentos das empresas de energia nessa tecnologia, a eólica, visando aproveitar a ótima

qualidade dos ventos Brasileiros. Na Figura 8, pode ser observado o mapa das regiões de maior

potencial para geração de energia eólica, nos tons de cores mais escuras mostra os lugares de

velocidade média anual dos ventos entre 5,5 m/s e 7,5 m/s, nos quais são os mais propícios para

uma maior geração de energia eólica.

Figura 8 - Mapa das regiões de maior potencial energético eólico.

Fonte: ABEEÓLICA, 2018.



Energia Eólica

O início da adaptação dos cata-ventos a fim de gerar energia tem data ao final do século

XIX. Em 1888, o primeiro cata-vento foi erguido na cidade de Cleveland, Ohio. Esse cata-vento

fornecia 12 kW em corrente contínua. Na época, utilizava-se essa energia para carregar baterias,

principalmente para fornecer energia para 350 lâmpadas incandescentes da cidade

(SHEFHERD apud Revista Ecoenergia, 2012, p. 16).

O uso tanto da água como do vento como forças motrizes já era sabidamente praticado

em grandes civilizações antigas. Entretanto, foi na Segunda Guerra Mundial em que houve o

aumento do desenvolvimento de aerogeradores tanto de porte médio quanto de grande porte.

Segundo dados da Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA), o líder da produção

mundial de energia eólica é a Ásia, com a China produzindo quase um terço da produção

mundial. O segundo lugar ficaria para o continente europeu. Na Figura 09, a seguir, é

apresentado um gráfico que demostra a capacidade eólica instalada no mundo entre os anos de

2012 e 2017, em que se atingiu 540.000,00 MegaWatts instalados ao final de 2017. É observado

a taxa percentual do crescimento em cada ano.

Figura 9 - Capacidade eólica instalada no mundo.

Fonte: Modificada-WWEA, 2017.

Segundo a WWEA, a taxa de crescimento da potência de energia eólica instalada ficou

em torno de 13,82% ao ano, entre os anos de 2012 e 2017, sendo um acréscimo médio de 51,42

GW de potência eólica instalada por ano. Os avanços na tecnologia tanto dos materiais, como

no porte das instalações e no estudo na região tem afetado positivamente o fator de capacidade,

que faz avaliação do potencial eólico de uma determinada região.



Conforme a Associação Mundial de Energia Eólica, atualmente cinco países são

responsáveis por 72% da capacidade eólica instalada. São eles China com 187,7 GW, Estados

Unidos com 88,9 GW, Alemanha 56,1 GW, Índia 32,8 GW e Espanha com 23 GW. O Brasil

vem ganhando destaque na América Latina por possuir o maior mercado de turbinas eólicas

com 12,7 GW de potência instalada. Assim, alguns países vêm investindo nesse setor, para

diversificar sua matriz energética e minimizar a dependência de combustíveis fósseis,

melhorando, desse modo, o mercado brasileiro de turbinas eólicas.

O gráfico da Figura 10 mostra os países de maior capacidade eólica instalada no mundo

e a posição do Brasil, no ano de 2017.

Figura 10 - Países com maior produção.

Fonte: Autor.

Os primeiros projetos de energia eólica a serem instalados no Brasil datam do ano de

1992, pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, com financiamento do Folkcenter

(Instituto de Pesquisa Dinamarquês) em parceria com a companhia energética de Pernambuco

– CELPE. Um aerogerador foi instalado no arquipélago de Fernando de Noronha, um modelo

de 17 metros de diâmetro e com 23 metros de altura. Sua geração de energia correspondia a

10% da energia consumida em todo arquipélago naquele tempo, proporcionando uma economia

de aproximadamente de 70.000 litros de óleo diesel por ano.

O Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL) foi responsável pelo primeiro grande

estimulo ao desenvolvimento desse tipo de geração de energia no mercado Brasileiro,



publicando o Atlas do potencial eólico Brasileiro, em 2001. A partir disso, foi criado o

Programa de Incentivo a Fontes Alternativas de Energia Elétrica - PROINFA em 2002, o qual

é administrado pelo Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES), com

intuito de aumentar a participação da energia elétrica produzida por empreendimentos de base

de geração de energias renováveis, aumentando e diversificando as matrizes energéticas

brasileiras. A linha de credito fornecida pelo BNDES financia até 70% do investimento, sendo

excluído apenas os bens e serviços importados e as aquisições de terreno.

Através desses estímulos, com 353 projetos instalados, o Brasil passou de 22 megawatts

(MW) no ano de 2004 para 8,12 Giga Watts (GW) de capacidade instalada até o mês de janeiro

de 2016. De acordo com a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), o Brasil

alcançou no mês de novembro de 2018 a marca de 14,34 GW de capacidade instalada em 568

parques eólicos e mais de 7000 aerogeradores em 12 estados. A Figura 11 (mostra a eolução da

capacidade instalda de energia eólica no Brasil desde 2005 e sua projeção até 2024, na cor de

verde o quanto foi instalado no decorrente ano e na cor azul o somatório com a quantidade

instalada já existente. Os números referem-se aos novos empreendimentos em construção e em

planejamento.

Figura 11 - Evolução da capacidade instalada.

Fonte: ABEEÓLICA, 2018.

Segundo a associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), que reúne empresas

do setor, o Nordeste aparece à frente na capacidade de produção de energia eólica no Brasil



entre os estados, por ter os melhores índices de vento, sendo referência no Brasil. O Rio Grande

do Norte destaca-se entre os estados brasileiros na produção de energias limpas.

Segundo a COSERN (2003), o estado situa-se numa zona de clima favorável, em que

há o predomínio dos ventos alísios, que são ventos de grande constância. Há sazonalidade no

regimento dos ventos no Rio Grande do Norte, com ventos mais intenso no final do inverno e

primavera, e menos intenso no verão e outono. O Rio Grande do Norte apresenta-se, então,

como um dos melhores ambientes de investimentos para a geração de energia eólica, sendo

destaque nacional e internacional. A Figura 12 compara a geração média de alguns estados

Brasileiros, onde mostra que o Rio Grande do Norte se destaca na maioria dos meses, entre

outubro de 2017 a setembro de 2018.

Figura 12 - Geração de energia eólica estados Brasileiros 2017-2018.

Fonte: ONS, 2018.

Segundo o Centro de Estratégias de Recursos Naturais e Energia, quanto maior a altura,

maior será o potencial de produção de energia eólica nas regiões que incidem os ventos,

facilitando, desse modo, o processo de geração de energia descrito anteriormente. Tendo isso

como base, o estado do Rio Grande do Norte possui um alto potencial energético devido sua

localização geográfica. Na Figura 13 podemos observar o aumento do potencial elétrico do RN,

à medida que se aumenta a altura de medição da média das correntes de vento. Foram medidas

em 50, 75 e 100 metros.



Figura 13 - Potencial elétrico do RN.

Fonte: Adaptada COSERN.

A geração de energia eólica, de início, é devido à radiação solar na superfície. Assim,

através do aquecimento não uniforme da superfície terrestre, maior nas zonas equatoriais e

menor nas zonas polares, os ventos são gerados.

Um parque eólico pode ser dimensionado em um espaço terrestre ou marítimo, no qual

se concentram vários aerogeradores, com a finalidade de transformar energia eólica em energia

elétrica. É necessário o estudo de vários fatores para a instalação de um parque, como a

velocidade média do vento, obtida através de características topográficas, rugosidade do terreno

(que descreve o tipo de vegetação), estabilidade térmica vertical da atmosfera, impactos

ambientais, condições de operação, entre outros.

Os parques ao serem montados, funciona com a incidência do vento nas pás do

aerogerador que propulsionam o rotor. O rotor, ligado ao eixo principal, transforma a energia

cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. Essa energia é transmitida para a caixa



multiplicadora, sendo aumentada em 1500 rpm a quantidade de rotações necessárias para o

aerogerador. Essa energia gerada será enviada para o gerador elétrico, a qual será transformada

em energia elétrica.

Aerogeradores

O sistema de geração eólico, também conhecido como aerogerador, é composto por dois

modelos, os de eixo vertical e os de eixo horizontal. Os de eixo vertical, em geral, têm a

vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção

do vento, tonando o projeto de dimensionamento mais barato, porém, menos eficiente. Os de

eixo horizontal são mais utilizados na indústria pela sua viabilidade econômica, apesar de serem

mais caros, são mais eficientes. Além disso, necessitam de uma menor manutenção, apresentam

uma baixa produção de ruídos, melhor relação custo benefício e maior segurança. Na Figura

14, podemos observar o modelo de eixo vertical e na Figura 15 o modelo de eixo horizontal.

Figura 14 - Modelo de eixo vertical.

Fonte: CRESESB, 2018.



Figura 15 - Modelo horizontal.

Fonte: VESTAS: < https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65>.

Componentes do Aerogerador

Segundo a CRESESB, os componentes descritos na Figura 16 a seguir têm às seguintes

finalidades: o rotor conecta-se com o eixo principal e é responsável por transformar a energia

cinética proveniente dos ventos em energia mecânica de rotação. A nacele é a carcaça em que

se encontra o multiplicador de velocidade, engrenagens, gerador, sistema de controle,

anemômetro e motores para rotação. As pás têm a finalidade de receber a energia cinética dos

ventos e transformá-la em energia mecânica. A transmissão, que engloba a caixa

multiplicadora, transmite a energia mecânica convertida até a carga. A caixa multiplicadora tem

a finalidade de receber as rotações que as pás do aerogerador aplicam no rotor, de baixa

velocidade, e multiplicá-las em uma quantidade de rotações necessárias para o gerador. O

gerador converter a energia mecânica em energia elétrica através de equipamentos de conversão

eletromecânica. O controlador é responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade e

controle de carga. A torre é responsável pela sustentação e posicionamento do rotor. Os

anemômetros detectam a direção, intensidade e velocidade do vento



Figura 16 - Componentes do aerogerador.

Fonte: ANEEL: http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_4.htm .

Segundo a ANEEL, as turbinas podem ser classificadas em pequenas, quando geram

energia inferior a 500 kW, médias quando possuem potência entre 500 e 1000 kW, e grandes

quando são capazes de gerar mais de 1000 kW.

http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_4.htm



MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capitulo, serão apresentadas as metodologias seguidas para obtenção dos

resultados de um estudo de dimensionamento de um aerogerador e um parque eólico,

objetivando, assim, suprir a demanda energética de três métodos de elevação artificial de

petróleo: BCS, BCP e Gás Lift.

Com isso, iniciou-se o estudo do funcionamento de um parque eólico localizado no

interior do Nordeste. A potência instalada, o fator de capacidade, a energia gerada, a quantidade

de máquinas, sua distribuição de energia, entre outras características foram analisadas, a fim de

conhecer o quanto se poderia gerar de energia para o estudo em questão. O parque escolhido

como modelo para geração de energia eólica chama-se Laut I.

Para efetuar o dimensionamento, foi realizado o levantamento dos dados de cada método

de elevação, sendo os campos localizados no interior do Nordeste Brasileiro. O dado principal

colhido para as análises foi a potência utilizada por cada sistema de elevação. No caso do

sistema BCS, no qual há uma bomba em funcionamento, foi analisado um sistema com potência

de 108 HP. O método por BCP, possuindo um sistema de 12,5 HP de potência. Por último, para

o método de Gás Lift, colheu-se dados de um exemplo de Elmer e Elmer (2016), o qual adota

um valor de 62,4 HP para um compressor de 2 estágios. (ELMER E ELMER 2016).

Metodologia do Trabalho

A Figura 17 representa a metodologia para obter os resultados deste trabalho. De início,

foram feitas as revisões bibliográficas, estudando o petróleo e alguns de seus métodos de

elevação artificial, como também, o estudo das energias renováveis, em especial, a eólica. Em

seguida, foram feitos os cálculos para verificar o consumo mensal de cada sistema de elevação

estudado e, em seguida, a geração energética média de um parque eólico. Por fim, o

dimensionamento do número de poços de acordo com a energia gerada por um aerogerador do

parque estudado.



Figura 17 – Esquema para o desenvolvimento do trabalho.

Fonte: Autor, 2018.

Cálculo das Potências

Através dos dados das potências de cada método de elevação, mencionados

anteriormente, serão calculados o seu consumo diário e o seu consumo mensal, considerando

que funcionem 24 horas por dia e 30 dias por mês. Na Tabela 3.1, pode ser observada a potência

em HP e em kW requerida para cada método de elevação.

Revisão Bibliográfica

Petróleo

Méodos de elevação artificial

BCS, BCP, Gás Lift

Cálculo do consumo diário

Energias Renováveis

Energia Eólica

Dimensionamento do aerogerador

Geração Média de Energia

Dimensionamento dos números de

poços



Tabela 3. 1 - Potência de cada método.

Método Potência em HP Potência em kW

BCS 108 80,535

BCP 12,5 9,321

GÁS LIFT 62,4 46,531

A Figura 18 mostra a sequência dos cálculos para obter o consumo mensal de cada

sistema de elevação citado, feitos nas Equações (1) e (2).

Figura 18 - Esquema para os cálculos do consumo mensal.

Fonte: Autor.

Para o consumo do sistema BCS:

Cdiário (𝑘𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎) = 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (1)

Cdiário (𝐾𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎) = 24 ∗ 80,535 = 1932,84 kWh/dia

Onde:

𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜- Consumo diário (kWh/dia);

𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜- Tempo de funcionamento do motor (h/dia);

Consumo Diário

Cdiário = tconsumo * Pmotor

Consumo Mensal

Cmensal = tdias * Cdiário



𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟- Potência do motor (kW);

𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (kWh

mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 (2)


mês) = 30 ∗ 1932,84 = 57985,2

kWh

mês= 57,9852

𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠

Em que:

𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠- Dias de funcionamento do motor (dias/mês);

𝐶𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙- Consumo energético mensal (kWh/mês).

Aplicando os dados do sistema BCP nas Equações (1) e (2):


𝑑𝑖𝑎) = 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟


𝑑𝑖𝑎) = 24 ∗ 9,321 = 223,7 kWh/dia


mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜


mês) = 30 ∗ 223,7 = 6711

kWh

mês= 6,711

𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠

Aplicando os dados do sistema Gás Lift nas Equações (1) e (2):


𝑑𝑖𝑎) = 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟


𝑑𝑖𝑎) = 24 ∗ 46,531 = 1116,74 kWh/dia


mês) = 𝑡𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐶𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜


mês) = 30 ∗ 1116,74 = 33502,2

kWh

mês= 33,5022

𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠

Na Tabela 3.2 estão elencados os dados de consumo mensal, em MegaWatts horas/mês,

de cada método de elevação utilizado no presente estudo. Os dados presentes na tabela serão

utilizados para o cálculo do dimensionamento da quantidade de poços.



Tabela 3. 2 - Dados dos métodos de elevação.

Método de Elevação Consumo Mensal (𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠)

BCS 57,9852

BCP 6,711

GÁS LIFT 33,5022

Com esses dados, pode-se determinar a quantidade de energia necessária para o

funcionamento de cada poço estudado, considerando que o motor trabalhe 24 horas por dia, 30

dias por mês.

Geração Média de Energia Eólica

O parque eólico Laut I, localizado no interior do Rio Grande do Norte, foi precedido de

um estudo sobre o potencial energético, o qual constatou um regime de ventos com velocidade

de 8,5 m/s (média anual). Devido a esses índices, sua geração média de energia anual se

comporta de maneira satisfatória para a geração prometida no início do projeto, atendendo,

assim, às exigências da companhia elétrica, ONS. Em consequência disso, o parque eólico Laut

I foi escolhido para o presente estudo. Ocupando uma área de 310 hectares, o parque apresenta

uma capacidade de geração ou potência nominal de 51 MW (MegaWatts), contendo 31

aerogeradores modelo V82 da marca Vestas, cada um possuindo uma potência nominal de 1,65

MW. O seu rotor tem um diâmetro de 82 metros, com 3 pás. Ele comporta uma torre com altura

do cubo entre 59 metros e 80 metros máximo, segundo dados do fabricante. Na Figura 19, pode

ser visto o modelo usado para estudo e, na Figura 20, a representação da sua curva de potência,

disponibilizado pelo fabricante, na qual é possível analisar que o aerogerador só começa a

produzir energia com velocidade de vento a partir de 3,5 m/s. A potência máxima é atingida

com velocidade de vento de 13 m/s, permanecendo constante até atingir a velocidade de corte

que é 20 m/s, cessando a produção de energia.



Figura 19 - Modelo usado para estudo.

Fonte: VESTAS: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-

1.65?picture=9lN6tm4zuel.

Figura 20 - Curva de potência.

Fonte: Adaptado de The Wind Power, 2018.

https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65?picture=9lN6tm4zuel

https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65?picture=9lN6tm4zuel



Os cálculos feitos neste capítulo são baseados em dados obtidos na geração dos últimos

12 meses do Laut I, de setembro de 2017 a agosto de 2018, como também do mês de menor

geração, que foi o de abril de 2018, conforme Boletim do Operador Nacional do Sistema

Elétrico – ONS, mostrados nas Tabelas 3.3 e 3.4.

Tabela 3. 3 – Dados 12 meses.

Usina Fator de Capacidade

Verificado (%)

Potência Nominal (MW)

Laut I 29,8 51

Tabela 3. 4 - Dados abril 2018.

Usina Fator de Capacidade

Verificado (%)

Potência Nominal (MW)

Laut I 11,1 51

Na Figura 23 mostra a sequência dos cálculos para geração média.

Figura 21 - Cálculos da geração média.

Fonte: Autor.

O ONS constatou que no período dos 12 meses citado o fator de capacidade médio

verificado foi de 29,8%, que corresponde à eficiência exercida, ou seja, o parque encontra-se

gerando aproximadamente 30 % da potência instalada. Entretanto, seu fator de capacidade

Geração Média

Gm = Pn * Fcv

Transformação de Gm (MW med) para Gm (MWh/ano)

Gm (MWh/ano) = Gm * 8760



previsto é de 32,5%, segundo Boletim Mensal de Geração Eólica da ONS – setembro/2018.

Para conhecer a geração média (Gm) do parque, na qual diz o quanto o parque gerou, calcula-

se o produto de sua potência nominal (capacidade de geração) com o seu fator de capacidade

médio dos 12 meses precedidos. Portanto, a geração média do parque nesse período de tempo

mencionado é obtida a partir da Equação (3), a seguir:

𝐺𝑚 = 𝑃𝑛 ∗ 𝐹𝑐𝑣 (3)

𝐺𝑚 = 51 ∗ 0,298 = 15,2 𝑀𝑊𝑚𝑒𝑑

Em que:

Gm - Geração Média (MW med);

Pn - Potência Nominal (MW);

Fcv - Fator de Capacidade Verificada (%);

Sabendo que existem 31 aerogeradores e considerando uma geração uniforme de cada,

ao se dividir a Geração Média do parque pela quantidade de máquinas existentes, obtemos o

valor de 0,49 MW med por aerogerador.

A fim de possibilitar a correspondência com as unidades que são utilizadas no sistema

dos métodos de elevação artificial, é realizada a transformação de MW med (MegaWatts

médio), sendo energia média no intervalo de tempo considerado, para MWh/ano (MegaWatts

hora por ano). A Equação (4) mostra o modelo do ONS:

𝐺𝑚 𝑀𝑊ℎ

𝑎𝑛𝑜= 𝐺𝑚 𝑀𝑊𝑚𝑒𝑑 ∗ 8760 (4)

𝐺𝑚 = 15,2 ∗ 8760 = 133152 𝑀𝑊ℎ

𝑎𝑛𝑜

Considerando a geração anual do parque Laut I obtida nos cálculos da Equação (4),

medida mensalmente, a média de geração para ser utilizada no abastecimento dos sistemas de

elevação será de 11096 MWh/mês. Distribuindo pela quantidade de máquinas do parque,

considerando uma geração uniforme das mesmas, temos 357,9 MWh/mês produzidos por cada

aerogerador. A Tabela 3.5 mostra os valores.



Tabela 3. 5 - Geração média de energia eólica 12 meses.

Sistema Geração de Energia

Aerogerador 357,9354 (𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠)

Parque Eólico 11096 (𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠)

Os cálculos feitos através das Equações (3) e (4) são correspondentes a uma média feita

durante os 12 meses descritos, porém, nem todos os meses possuem o fator de eficiência como

mencionado, por ser feita uma média de todos, em que uns geram mais e outros menos. De

acordo com os dados do ONS, em alguns meses do ano, a geração de energia é baixa, devido

aos índices de vento da época serem menores. A partir disso, segundo dados do ONS, foi

calculada a geração média do parque, no mês de menor percentagem do fator de capacidade

verificado, dentre os 12 meses estudados, para que se possa conhecer se mesmo em épocas de

pouco vento, o parque seria capaz de suprir a demanda energética dos sistemas de elevação

artificial estudados.

Os cálculos a seguir, seguem o mesmo raciocínio dos da Equação (3), feitos para média

dos 12 meses, diferenciando apenas o fator de capacidade médio, que agora é 11,1%, referente

ao mês de abril de 2018, considerado segundo o boletim da ONS, o mês com menor geração de

energia, devido aos índices de vento serem baixos.

𝐺𝑚 = 51 𝑀𝑊 ∗ 0,111 = 5,6 𝑀𝑊 𝑚𝑒𝑑

Dividindo o valor obtido da geração média do parque, pela quantidade de máquinas

existentes, que são 31, obtemos o valor de 0,18 MW med que cada aerogerador produz,

considerando uma geração uniforme, no mês mencionado anteriormente classificado como de

menor geração de energia.

A unidade utilizada para o cálculo de consumo dos sistemas de elevação é MWh/mês e

a unidade para geração de energia é MW med. Transformações de unidades foram feitas para

deixar o sistema de cálculos compatível, aplicando na Equação (4), resultando em um valor



médio de 131,4 MWh/mês de energia gerada no mês mencionado, por máquina. Esses valores

podem ser observados na Tabela 3.6.

Tabela 3. 6 - Geração média de energia eólica mês de abril 2018.

Sistema Geração de Energia

Aerogerador 131,4 (𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠)

Parque Eólico 4088 (𝑀𝑊ℎ

𝑚ê𝑠)

Os dados das Tabelas 3.5 e 3.6 servirão para o dimensionamento da quantidade de poços

que podem ser abastecidos energeticamente através da geração eólica.



RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capitulo serão apresentados os resultados obtidos em cada método de elevação

estudado anteriormente. Serão demonstrados os dados de energia consumida pelos métodos de

BCS, BCP e Gás Lift, a quantidade média de energia eólica gerada nos 12 meses mencionados

e no mês de menor produção, tanto pelo parque eólico quanto pelas máquinas, e por fim, o

dimensionamento dos poços de acordo com os métodos de elevação utilizados.

Dimensionamento dos Poços

Para a determinação do dimensionamento dos poços, foram utilizados os valores

calculados do consumo mensal do sistema de cada método de elevação (BCS, BCP e Gás Lift),

assim como, os valores calculados para obtenção da energia gerada nos 12 meses mencionados

anteriormente e do mês de abril de 2018 do Laut I, por conseguinte, o valor de energia gerada

por cada máquina do parque nesses períodos.

Desta maneira, escolheu-se um único aerogerador, a fim de dimensionar a quantidade

de poços de cada método de elevação estudado. O motivo dessa escolha se deu, pelo fato que

um aerogerador gera energia suficiente para suprir a demanda energética de cada sistema de

elevação, tanto na média anual, quanto no mês de menor índice de geração.

A Tabela 4.1 indica, de acordo com a média da energia gerada nos 12 meses

mencionados e do mês de menor geração (abril 2018), através de único aerogerador do parque

Laut I, a quantidade de poços cuja demanda energética pode ser suprida para cada sistema de

elevação.

Tabela 4. 1 - Quantidade de poços que poderão ser abastecidos (por unidade).

Método de Elevação Média dos 12 meses Mês de Abril 2018

BCS 6 2

BCP 53 19

GÁS LIFT 10 3

Como visto na Tabela 4.1, podem ser abastecidos energeticamente 6 poços que utilizam

o modelo estudado através de BCS como sistema de elevação ou 53 que utilizam BCP ou 10

que utilizam Gás Lift.



Diante do mês de menor geração de energia do ano, um aerogerador em funcionamento

do Laut I supre 2 poços que utilizam o sistema de BCS como método de elevação ou 19 que

utilizam BCP ou 3 que utilizam Gás Lift.

As Figuras 22 e 23 mostram um gráfico comparativo entre a quantidade de poços que

podem ser abastecidos energeticamente através da geração de energia tanto de um aerogerador

como de um parque eólico para cada sistema de elevação artificial estudado neste trabalho.

Figura 22 - Comparação entre o aerogerador e o parque da média dos 12 meses.

Fonte: Autor.



Figura 23 - Comparação entre aerogerador e o parque no mês de abril.

Fonte: Autor.

Observa-se para a média de geração de energia dos 12 meses prescritos, que o parque

eólico pode suprir energeticamente a quantidade de 191 poços que utilizam o sistema de

elevação artificial por BCS, 1653 poços por BCP e 331 por Gás Lift. Já para o mês de abril o

mesmo parque poderia atender 70 poços por BCS, 609 por BCP e 122 de Gás Lift.



CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Além de possuir áreas petrolíferas, o estado do Rio Grande do Norte torna-se favorável

para investimento em parque eólicos, por apresentar a incidência de melhores ventos, assim

sendo, um território propício para instalação de aerogeradores.

De acordo com os estudos realizados neste trabalho, observou-se o quanto de energia

pode ser gerado por meio de energia eólica, podendo contribuir, assim, para indústria

petrolífera, em especial, nos métodos de elevação artificial estudados. Foi analisado o consumo

mensal dos métodos de elevação por BCS, BCP e Gás Lift, como também, calculada a

quantidade de energia gerada, por um único aerogerador e pelo parque estudado (Laut I), nos

12 meses citados e no de menor fator de capacidade verificado, parque este, que foi usado como

modelo para obtenção dos resultados. Com isso, calculou-se a quantidade de poços de cada

método de elevação que podem ser supridos energeticamente pela energia gerada das máquinas

eólicas.

De acordo com a quantidade de energia gerada pelos aerogeradores do parque eólico

Alegria I, da média dos meses de setembro de 2017 a agosto de 2018, conclui-se que um único

aerogerador, considerando uma geração uniforme, pode abastecer a demanda energética do

sistema de 6 poços de BCS ou 53 de BCP ou 10 de Gás Lift. E que mesmo no mês de menor

índice de vento, consequentemente, de menor geração energia, que foi o de abril de 2018, ainda

assim, é capaz de abastecer energeticamente o sistema de 2 poços de BCS ou de 19 poços de

BCP ou de 3 poços de Gás Lift.

Portanto, percebe-se que a geração de energia eólica pode contribuir para a indústria

petrolífera, devido a sua quantidade de geração de energia de forma abundante e inesgotável. É

notória a necessidade de investimentos, cada vez mais, nesse tipo de energia renovável. Desse

modo, busca-se uma ampliação do parque gerador eólico, com menor custo, menor prejuízo

ambiental e diversificando a matriz energética nacional.



Recomendações

É recomendado para os próximos trabalhos, uma análise econômica do custo da

construção de um parque eólico. Assim, pode-se extrair um payback do projeto, mostrando,

dessa forma, valores de investimento e consumo necessários da indústria petrolífera, nesse tipo

de geração de energia. Além de um estudo para aplicação off shore.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABEEOLICA. Disponível em: <http://abeeolica.org.br/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.

AGRAWAL, Nitesh. et al. Quick Look Methodology for Progressive Cavity Pump Sizing and

Performace Monitoring. SPE Oil and Gas India Conferece and Exhibition in Mumbai, India.

SPE-178097-MS, 2015.

AMARANTE, Odilon A. Camargo do. et al. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Ministério

de Minas e Energia, Brasília, 2001.

ANEEL. Energia Eólica. Disponível em:

<http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_6_1.htm>. Acesso em 07 de

novembro de 2018.

ASSMANN, Brenno Waldemar. Estudo de Estratégias de Otimização para Poços de Petróleo

com Elevação por Bombeio de Cavidades Progressivas. 2008. Tese (Doutorado em Ciências) –

Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal,2008.

CARROTORE, Pedro Ribeiro Del. Desenvolvimento de Ferramenta para Auxílio na Seleção

de Métodos de Elevação Artificial. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia de Petróleo) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.

CERNE. Centro de Estratégias em Recursos Naturais & Energia. Disponível em: <

http://cerne.org.br/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.

COSERN. Potencial eólico do Rio Grande do Norte. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_eolico/atlas_eolico_RN.pdf/>.

Natal, 2003. Acesso em: 05 de nov. de 2018.

http://abeeolica.org.br/

http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_6_1.htm

http://cerne.org.br/



COSTA, Rutácio de Oliveira. Controle Aplicado a Poços com Método de Elevação de Bombeio

Centrífugo Submerso. 2012. Tese (Doutorado em Ciências) – Engenharia de Petróleo,

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012.

CRESEC. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231>. Acesso

em 07 de novembro de 2018.

DAKE, L. P. Engenharia de Reservatórios: Fundamentos. Tradução de Carlos Emmanuel

Ribeiro Lautenschlãger e Guilherme Righetto. 1°. ed. Editora Elsevier, 2014.

DURTRA, Ricardo Marques. Energia Eólicas Princípios e Tecnologias. Centro de Referência

para Energia Solar e Eólica. Maio de 2018.

ELMER, W. G.; ELMER, D. C. Two-stage Compression with elevated cooler discharge

temperatures improves wellsite gas-lift operations. SPE Liquids-Rich Basins Conference –

North America held in Midland, Texas, USA. SPE-181773-MS, 2016.

GREENPEACE. Mais sol e vento na energia brasileira. Disponível em:

<http://www.greenpeace.org/brasil/pt/Noticias/Mais-sol-e-vento-na-energia-

brasileira/?gclid=EAIaIQobChMIyP3dlvH11wIVDwWRCh2oIwXkEAAYASAAEgIJlfD_B

wE>. Acesso em: 07 de novembro de 2018.

HIRSCFELDT, Marcelo. Manual de Bombeo de Cavidades Progressivas. OilProduction.net.

Versão2008 V1.

LEA, J.F.; NICKENS, H.V. Selection of Artificial Lift. SPE Mid-Continent Operations

Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, USA, 28-31 Mar. 1999. SPE-52157-MS.

MAITELLI, CARLA WILZA SOUZA DE PAULA. Elevação Artificial do Petróleo. 01 aug.

2017, 12 dec. 2017. 435 p. Notas de Aula.

http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231



NUNES A. L. T. et al. Células Fotovoltaicas Aplicadas em Elevação Artificial por Meio do

BCS. In: Rio Oil & Gás, 19.,2018, Rio de Janeiro. Disponível em: <

https://www.ibp.org.br/rog2018-trabalhos-tecnicos/>.

OLIVEIRA, R. C. Elevação Artificial de Petróleo – Bombeio Mecânico com Haste (BMH).

Apostila, Aracaju, 2010.

ONS. Operador Nacional Elétrico. Disponível em: <http://ons.org.br/>. Acesso em 07 de

novembro de 2018.

REVISTA ECOENERGIA. História da Energia Eólica e suas Utilizações. Edição n°13, Ano II.

Agência Virtual, Rio de Janeiro, 2012.

ROSA, A. J., Carvalho, R. S., Xavier, J.A.D., Engenharia de Reservatórios de Petróleo. Editora

Interciência, 2006.

ROSENO, Igor Bezerra. Aplicação da Energia Eólica para Suprimento de Energia nas Unidades

de Bombeio de Elevação Artificial.2016. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia de Petróleo) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2016.

ROYAL DUTCH SHELL. Artificial Lift Manual Parte 2A. - Gás Lift Design Guide.1993.

Hague, Países Baixos, 1993.

SCHLUMBERGER. Gás Lift Design and Technology. 1999. Well Completion and

Productivity. Chevron Main Pass 313 Optimization Project.

TAKÁCS, G. Electrical Submersible Pumps Manual: Design, Operations, and Maintenance

1.ed.: Gulf Equipment Guides, 2009.

TAKÁCS, G. Gas Lift Manual, 1.ed. Tulsa, Oklahoma, USA: PennWell Corporation, 2005.

https://www.ibp.org.br/rog2018-trabalhos-tecnicos/

http://ons.org.br/



TAKÁCS, G. Sucker-Rod Pumping Manual, 1.ed. Tulsa, Oklahoma, USA: PennWell

Corporation, 2003.

THE WIND POWER. Disponível em:

<https://www.thewindpower.net/turbine_en_28_vestas_v82-1650.php>. Acesso em 07 de

novembro de 2018.

THOMAS et al. Fundamentos da Engenharia de Petróleo. 1. ed. Rio de Janeiro: Interciência,

2001.

TRIBUNA DO NORTE. Disponível em: <http://www.tribunadonorte.com.br/noticia/rn-ganha-

seu-terceiro-parque-eolico/173855>. Acesso em 07 de novembro de 2018.

VESTAS. Modelos de Turbinas Eólicas. Disponível em: <https://en.wind-turbine-

models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65>. Acesso em 20 de novembro de 2018.

WEG. Blog com Ciência. Disponível em: <http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-

que-e-tao-importante-falar-sobre-isso/>. Acesso em 07 de novembro de 2018.

WWEA. Associação Mundial de Energia Eólica. Disponível em: < https://wwindea.org/>.

Acesso em 07 de novembro de 2018.

https://www.thewindpower.net/turbine_en_28_vestas_v82-1650.php

http://www.tribunadonorte.com.br/noticia/rn-ganha-seu-terceiro-parque-eolico/173855

http://www.tribunadonorte.com.br/noticia/rn-ganha-seu-terceiro-parque-eolico/173855

https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65

https://en.wind-turbine-models.com/turbines/81-vestas-v82-1.65

http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-que-e-tao-importante-falar-sobre-isso/

http://museuweg.net/blog/energia-renovavel-por-que-e-tao-importante-falar-sobre-isso/

https://wwindea.org/

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ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO DE ......Yago de Lima Galdino iv GALDINO, Yago de Lima. Estudo do dimensionamento de aerogeradores aplicado a métodos de elevação artificial. 2018. 52