3. Reading and understanding
3.4 What is “Good reading” and how is it a tool for understanding?
Neste estudo de caso, utilizou-se para o esquema mecânico os parâmetros apresenta- dos na Tabela 4.1. Para o reservatório, utilizou-se os dados apresentados na Tabela 4.2. As propriedades de fluidos utilizadas são apresentadas na Tabela 4.3. O dados do motor são os apresentados na Tabela 4.4. Transformador e VFD são configurados conforme a Tabela 4.5. A bomba utilizada está especificada na Tabela 4.6.
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 46
Tabela 4.1: Parâmetros de entrada do esquema mecânico
Parâmetro Valor
Revestimento 7"29,0 lb/ft P110 Butt Coluna de Produção 2 7/8"EU 6,5 lb/ft N80 Luva reg
Profundidade do canhoneado 2200 m
Profundidade da bomba 2196 m
Rugosidade da tubulação 0,0006 f t
Ângulo de inclinação 90◦C
Usar shroud sim
Diâmetro do shroud 4,95 in
Cabo 4 AWG Coated
Tabela 4.2: Parâmetros de entrada do reservatório
Parâmetro Valor
Modelo de reservatório linear
Pressão estática 200 kg f /cm2
Pressão de teste 110 kg f /cm2
Vazão de teste 102,1 m3/d
Nível dinâmico do poço 100 m
Pressão na cabeça 8 kg f /cm2
Pressão no revestimento 5,5 kg f /cm2
Temperatura na superfície 30◦C
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 47
Tabela 4.3: Parâmetros de entrada das propriedades de fluidos
Parâmetro Valor Grau API 38 RGO 47 m3/m3 BSW 85,9 Densidade do gás 0,7 Densidade da água 1,07
Pressão de Separação 100 psig
Temperatura de Separação 60◦F
Usar correlações para Viscosidade sim
Tabela 4.4: Parâmetros de configuração do motor
Parâmetro Valor Modelo simplificado Potência 84 HP Tensão nominal 1082 V Corrente nominal 49 A Série Centrilift-450 Diâmetro do motor 4,5 in Comprimento do motor 5,21 m Peso do motor 405 kg
Volume de óleo mineral 5,6 l
Temperatura de máxima 176◦C
Tabela 4.5: Parâmetros de entrada do transformador e VFD
Parâmetro Valor
Relação de espiras (primário/secundário) 0,334 Frequência final da rampa de acionamento 60 Hz Tensão final da rampa de acionamento 440 V
Frequência de partida 20 Hz
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 48
Tabela 4.6: Parâmetros de configuração da bomba centrífuga
Parâmetro Valor
Fabricante Centrilift
Modelo 400P6
Número de estágios 250
Considerar efeito de gás sim
Iniciando a simulação, com as configurações de entrada do simulador especificadas anteriormente, podemos observar os resultados alcançados.
O gráfico da Figura 4.14 apresenta o comportamento do nível dinâmico (m) e sub- mergência (m) e o gráfico da Figura 4.15 apresenta o comportamento da vazão do poço (m3/d), todos eles em função do tempo (s) e até o sistema entrar em equilíbrio (regime permanente). Nota-se que o sistema apresenta o equilíbrio com um nível dinâmico apro- ximado de 1420 m, submergência aproximada de 779 m e uma vazão aproximada de 128 m3/d com um tempo aproximado de 50.000 s (13 h e 53 min).
Figura 4.14: Nível dinâmico e submergência com a bomba 400P6 a 60 Hz.
A Figura 4.16 apresenta as curvas de desempenho da bomba (head (m), potência (HP) e eficiência (%)), com o respectivo ponto de operação do poço. As curvas em cores mais
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 49
Figura 4.15: Vazão do poço com a bomba 400P6 a 60 Hz.
escuras são curvas propostas pelo fabricante para água, as curvas em cores mais claras são as curvas já ajustadas com o efeito da viscosidade e presença de gás. A redução do desempenho da bomba, neste caso, é em sua maior parte devido a viscosidade dos fluidos, pois para a submergência calculada o gás está quase que totalmente em solução.
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 50 O modelo simplificado do motor abrange apenas o seu desempenho em regime per- manente, não podendo representar transientes de partida etc. A Figura 4.17 e a Figura 4.18 apresentam respectivamente os gráficos de comportamento da potência (HP) e da corrente (A) do motor com o tempo. Na partida, a submergência do poço é alta e a bomba trabalha fora de sua faixa de operação recomendada, tendo uma baixa eficiência energé- tica e exigindo uma maior potência do motor, consequentemente o motor desenvolve uma maior corrente. Com o tempo, a submergência reduz e a bomba passa a trabalhar dentro da faixa de operação recomendada, tendo uma maior eficiência energética e exigindo uma menor potência do motor. O motor passa a desenvolver uma corrente menor.
Figura 4.17: Potência do motor a 60 Hz.
A Figura 4.19 apresenta o comportamento da queda de tensão no cabo elétrico. O cabo é representado por uma resistência e a queda de tensão provocada por ele passa a ser diretamente proporcional a corrente que o percorre, por isso a semelhança nos gráficos gerados para corrente e queda de tensão no cabo.
Nas condições de equilíbrio do poço, a simulação apresentou uma tensão na saída do VFD de 440 V , que na saída do transformador é elevada para 1320 V , o cabo elétrico oferece uma queda de tensão de 126 V , e, por fim, uma tensão de 1194 V é apresentada nos terminais do motor (a tensão nominal do motor é de 1081 V ).
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Figura 4.18: Corrente do motor a 60 Hz.
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 52 Variando-se a frequência de trabalho do sistema para 45 Hz, o sistema entrará em equilíbrio em um novo ponto de operação. A Figura 4.20 apresenta o novo comporta- mento do nível dinâmico e submergência do poço para uma frequência de trabalho de 45 Hz. Quando se reduz a frequência, a vazão do poço diminui e consequentemente a sub- mergência começa aumentar. A Figura 4.21 apresenta o novo comportamento da vazão para a mesma frequência de trabalho. Logo que a frequência é reduzida, a vazão diminui rapidamente, mas a medida que a submergência vai aumentando, a vazão volta a aumen- tar até que o poço entre em equilíbrio novamente. O sistema entra em equilíbrio com um nível dinâmico aproximado de 1050 m, submergência de 1150 m e vazão de 85 m3/d.
Figura 4.20: Nível dinâmico e submergência do poço com a bomba 400P6 a 45 Hz
Com a variação da frequência, novas exigências de potência e torque são exigidas do motor. Como a potência da bomba varia com o cubo da frequência e a potência do motor varia linearmente com essa, o motor passa a funcionar como se estivesse superdi- mensionado, desenvolvendo uma menor corrente, quando da redução de frequência. Se a carga do motor também possuisse uma potência variando linearmente com a frequência a corrente desenvolvida seria a mesma em qualquer frequência de trabalho. A Figura 4.22 apresenta o comportamento da potência e corrente ao se reduzir a frequência para 45 Hz. Para o novo ponto de operação, o motor passou a desenvolver uma potência de 26 HP, uma corrente de 25 A.
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Figura 4.21: Vazão do poço com a bomba 400P6 a 45 Hz
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 54 O VFD trabalha sempre mantendo a razão entre tensão e frequência constante, por isso, ao se reduzir a frequência, a tensão também será reduzida proporcionalmente. A Figura 4.23 apresenta os gráficos de tensão nos terminais do VFD, tensão no secundário do transformador, queda de tensão no cabo elétrico e tensão nos terminais do motor ao se reduzir a frequência. A tensão de saída do VFD passou a ser de 330 V , que no transfor- mador foi elevada para 990 V . A queda de tensão no cabo passou a ser de 86 V e a tensão nos terminais de motor de 904 V (tensão desejável seria de 810 V ).
Figura 4.23: Tensão no VFD, transformador, cabo elétrico e motor a 45 Hz
Com o objetivo de verificar o funcionamento do modelo de resfriamento do motor (convecção natural), reiniciamos a simulação definindo uma viscosidade de 4 cP para a emulsão água-óleo (anteriormente utilizamos as correlações implementadas no simulador para estimar as viscosidades de água, óleo e gás) e passando a não utilizar o shroud. Com o motor em funcionamento, o estimador de temperatura (convecção forçada discutida em Batista (2009)) deu como resultado uma temperatura de 100,7◦Cpara o motor. Com o motor desligado, inicia-se o processo de resfriamento. O comportamento da temperatura do motor durante esse processo é apresentado na Figura 4.24. O motor resfria-se a 91◦C em 900 s (17 min).
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 55
Figura 4.24: Comportamento da temperatura do motor em resfriamento
Com o intuito de observar-se os efeitos da presença de gás no desempenho da bomba centrífuga e no sistema como um todo, a simulação foi reiniciada com uma nova configu- ração. Nessa nova configuração aumentou-se a RGO para 150 m3/m3e utilizou-se uma bomba de maior vazão com o objetivo de produzir uma redução na submergência do poço. Como a bomba escolhida requer uma maior potência, o motor e transformador também foram modificados. As modificações da configuração inicial são apresentadas na Tabela 4.7.
Tabela 4.7: Modificações necessárias a observação dos efeitos da presença de gás
Parâmetro Valor
RGO 150 m3/m3
Fabricante da bomba Centrilift
Modelo da bomba 400FC1200
Número de estágios 300
Considerar efeito de gás sim
Potência do motor 200 HP
Tensão nominal do motor 1400 V
Corrente nominal do motor 90 A
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 56 Com as modificações anteriormente citadas, iniciou-se a simulação. A Figura 4.25 apresenta novamente o comportamento do nível dinâmico, submergência e vazão em fun- ção do tempo. Ao iniciar a simulação, a submergência é alta, o gás está em solução e é mínimo os seus efeitos na bomba centrífuga. Com a redução da submergência do poço, aumenta-se a fração de gás livre e seus efeitos no desempenho da bomba.
Figura 4.25: Nível dinâmico, submergência e vazão com sistema a 60 Hz.
O desempenho da bomba não é afetado igualmente em todos os seus estágios. Os estágios mais próximos a sucção são mais afetados, pois possuem menor pressão. Como a cada estágio há um acréscimo de pressão, os efeitos do gás livre diminuem nos estágios mais próximos a descarga da bomba. Se o acréscimo de pressão for o suficiente, em alguns estágios próximos a descarga, o gás estará completamente em solução e a redução de desempenho será mínima. A Tabela 4.8 apresenta os valores de eficiência de alguns estágios da bomba, em seu ponto de melhor eficiência, para uma submergência de 660 m. Nota-se que a degradação do desempenho é alta nos primeiros estágios (50% de redução), mas vai reduzindo e no 55◦estágio todo gás está dissolvido e a degradação é mínima.
Quando se alcança uma submergência próxima de 450 m, a presença de gás é tal que o índice de Turpin aproxima-se de 1.0 e a bomba começa a trabalhar de maneira instável. Nessa região de instabilidade, há uma variação “aleatória” da vazão desenvolvida pela bomba.
CAPÍTULO 4. O SOFTWARE SIMULADOR BCS 57
Tabela 4.8: Desempenho de alguns estágios da bomba com a presença de gás
Estágio Head (m) Eficiência (%)
1◦estágio 12,9419 23,6382 5◦estágio 13,6747 24,9766 10◦estágio 14,6068 26,6790 15◦estágio 15,5509 28,4035 20◦estágio 16,5008 30,1384 25◦estágio 17,4500 31,8721 30◦estágio 18,3927 33,5939 35◦estágio 19,3240 35,2950 40◦estágio 20,2404 36,9688 45◦estágio 21,1399 38,6117 50◦estágio 22,0223 40,2234 55◦estágio 22,3209 40,7688 60◦estágio 22,3209 40,7688
Obs.: Para monofásico líquido o head é de 22,3209 m e a eficiência de 40,7688 %
A variação na vazão da bomba provoca uma variação na potência requerida ao motor e consequente variação de corrente. Com a variação da corrente, modifica-se também a queda de tensão no cabo e a tensão nos terminais do motor. A Figura 4.26 apresenta o comportamento da corrente (A) em função do tempo (s), onde pode-se notar a variação de corrente causada pela instabilidade de operação da bomba.
Buscando-se combater os efeitos da interferência de gás, comumente usa-se a es- tratégia de reduzir-se a frequência de trabalho do sistema. A Figura 4.27 apresenta o comportamento do sistema ao se reduzir a frequência de trabalho para 45 Hz. Ao reduzir a frequência, reduzimos a velocidade de rotação da bomba e sua vazão, o que provoca uma aumento da submergência do poço. Uma maior submergência ocasiona uma maior pressão na sucção da bomba e consequente redução dos efeitos da presença do gás. O índice de Turpin reduz e a bomba volta a trabalhar na região estável.
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Figura 4.26: Corrente com a bomba trabalhando na região instável
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