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Produção Petroleo
Tipologia: Notas de estudo
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CT CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA CCET PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEO - PPGCEP
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente para a Análise de Cartas Dinamométricas no Método de Elevação por Bombeio Mecânico
Heitor Penalva Gomes
Orientador: Prof. Dr. André Laurindo Maitelli
Natal, RN, Junho de 2009
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente para a Análise de Cartas Dinamométricas no Método de Elevação por Bombeio Mecânico
Heitor Penalva Gomes
Natal, RN, Junho de 2009
Aos meus pais e irmão, pelo amor e incentivo.
À minha noiva Renata, pelo amor e compreensão em todos os momentos.
Ao meu orientador Maitelli, pelo incentivo e confiança.
Aos amigos da RN Tecnologia, João Maria e Rodrigo Barbosa.
Ao amigo Gustavo Bezerra, pelo apoio e incentivo durante a elaboração deste trabalho.
A Rafael Marrocos, pela colaboração prestada no desenvolvimento deste trabalho.
Aos colegas do PPGCEP.
À Petrobras, pelo incentivo e contribuição técnica.
E a todos que de alguma maneira se fizeram presentes, se preocuparam, foram solidárias e torceram por mim.
The artificial lifting of oil is needed when the pressure of the reservoir is not high enough so that the fluid contained in it can reach the surface spontaneously. Thus the increase in energy supplies artificial or additional fluid integral to the well to come to the surface. The rod pump is the artificial lift method most used in the world and the dynamometer card (surface and down-hole) is the best tool for the analysis of a well equipped with such method. A computational method using Artificial Neural Networks MLP was and developed using pre-established patterns, based on its geometry, the down- hole card are used for training the network and then the network provides the knowledge for classification of new cards, allows the fails diagnose in the system and operation con- ditions of the lifting system. These routines could be integrated to a supervisory system that collects the cards to be analyzed.
Keywords: Industrial automation, Artificial Lift, Rod Pump, Artificial Neural Net- works.
Sumário i
Lista de Figuras iii
Lista de Tabelas v
Lista de Símbolos e Abreviaturas vi
Lista de Símbolos vi
1 Introdução 1 1.1 Objetivo da Dissertação........................... 2 1.2 Trabalhos Relacionados........................... 3 1.3 Estrutura do documento........................... 4
2 Bombeio Mecânico 5 2.1 Componentes Mecânicos.......................... 5 2.2 Bomba de Fundo.............................. 6 2.2.1 Deslocamento Volumétrico..................... 8 2.3 Coluna de Hastes.............................. 9 2.4 Unidade de Bombeio............................ 10 2.5 Carta Dinamométrica............................ 10 2.5.1 Carta Dinamométrica de Fundo.................. 14 2.6 Análise de Bombeio Mecânico....................... 15 2.6.1 Haste Partida............................ 16 2.6.2 Vazamento na Válvula de Passeio................. 17 2.6.3 Vazamento na Válvula de Pé.................... 18 2.6.4 Pancada de Fluido......................... 18 2.6.5 Interferência de Gás........................ 19
i
- 2.6.6 Outros Fatores UB Unidade de Bombeio HB Hastes de Bombeio BF Bomba de Fundo UTR Unidade Terminal Remota CPM Ciclos por Minuto BM Bombeio Mecânico CDS Carta de Superfície CDF Carta de fundo CLP Controlador Lógico Programável SCADA Supervisory Control and Data Acquisition UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte MLP Perceptron de Multiplas Camadas RPROP Resilient Back-propagation
Os métodos de elevação de petróleo podem ser classificados em duas classes: naturais e artificiais. Na elevação natural, os fluidos da reservatório alcançam a superfície ape- nas com a energia contida no próprio reservatório. Os poços que produzem dessa forma são denominados surgentes [de Souza 2005]. Quando a pressão do reservatório não é suficientemente elevada para que os fluidos nele contidos alcancem a superfície expon- taneamente, se faz necessário a adição de energia externa através da elevação artificial. Assim a elevação artificial fornece energia de forma suplementar ou integral aos fluidos do poço para que cheguem à superfície. Equipamentos específicos são utilizados para cada método de elevação artificial. Os principais métodos são:
∙ Gás-lift contínuo ou intermitente (GLC ou GLI); ∙ Bombeio centrífugo submerso (BCS); ∙ Bombeio mecânico (BM); ∙ Bombeio por cavidades progressivas (BCP).
A escolha do melhor método de elevação para cada poço depende de fatores econômi- cos, ambientais, segurança, características dos fluidos a serem produzidos, profundidade do reservatório, equipamentos disponíveis, entre outros. Para que a produção de Petróleo seja feita utilizando o método de elevação bombeio mecânico, é necessário que inicialmente se faça o dimensionamento dos seus compo- nentes de superfície (Unidade de Bombeio - UB) e de subsuperfície (Bomba de Fundo - BF e Coluna de Hastes de Bombeio - HB). Esse dimensionamento é feito com base em dados de profundidade da bomba de fundo e vazão a ser produzida [Corrêa 1995]. Como o dimensionamento é feito com base nos dados de projeto, quando se inicia a produção, deve ser feita uma comparação entre os
de supervisão que receberá essa ferramenta de classificação é o SISAL (Sistema Super- visório para Automação da Elevação) que atualmente supervisiona mais de 4000 poços de bombeio mecânico automatizados em todo o Brasil. O SISAL (SIstema Supervisório para Automação da ELevação), desenvolvido pela UFRN em parceria com a Petrobras, tem como objetivo proporcionar uma interface sim- ples para supervisão de poços de petróleo equipados com sistemas de elevação artificial. Projetado para ser multi método de elevação e multi controladores, o SISAL já supervi- siona poços de BM, BCP e BCS com controladores de diversos fabricantes. Atualmente o SISAL supervisiona todos os poços terrestres de Bombeio Mecânico automatizados nos estados do Rio Grande do Norte, Ceará, Sergipe e Alagoas, além de um piloto com alguns poços no Espírito Santo.
1.2 Trabalhos Relacionados
Desde o desenvolvimento do método para cálculo de cartas de fundo a partir de car- tas de superfície, proposto por Gibbs e Neely [Gibbs & Neely 1966], que esforços vêm sendo tomados para criar ferramentas automáticas para detecção de falhas no sistema de bombeio através da geometria desses registros. Diversos métodos Matemáticos e de Inteligência Artificial já foram aplicados com esse propósito. Uma proposta matemática para matching foi abordada por [Keating et al. 1989], onde as cartas de fundo eram pré-processadas, formando vetores, e eram submetidas a um pro- duto escalar com todos os vetores de modelos de cartas de uma biblioteca. O maior resul- tado do produto escalar era considerado o melhor matching. Uma biblioteca incompleta poderia causar diagnóticos incorretos. Outros métodos matemáticos foram propostos por [Dickinson & Jannings 1990], em que as cartas a serem classificadas eram montadas em matrizes de zeros e uns e, através de uma função de custo, eram confrontadas com matrizes de pesos que representavam os padrões. O menor custo era considerado o melhor matching. Outro método proposto como alternativa à aproximação numérica foi o da série de Fourier, onde as cartas de fundo eram representadas como séries e seus coeficientes eram comparados para efetuar a classificação. O uso de Redes Neurais foi tratado por [Rocha et al. 1996] e por [Corrêa 1995], onde redes neurais simbólicas, que armazenavam o conhecimento de especialistas ao invés de aprendizado por exemplos, foram usadas para supervisão e controle de poços de Bombeio Mecânico utilizando as cartas de fundo. Em [Alegre et al. 1993], dois tipos de redes neu- rais são descritas, onde uma mais simples funciona localmente no poço, fazendo controle
de pump-off e de velocidade além de gerar alarmes, enquanto outra mais complexa é responsável pelo diagnóstico da eficiência e dos problemas de bombeio. Em [Nazi et al. 1993], foi descrita a utilização de uma rede neural híbrida, com funções de ativação senoidais para camadas ocultas e sigmoidais para a camada de saída. O treinamento, baseada em exemplos, utilizava a técnica back-propagation.
1.3 Estrutura do documento
Esta dissertação encontra-se estruturada de acordo com os itens subseqüentes:
∙ No Capítulo 2 é apresentada a fundamentação teórica necessária para uma melhor contextualização do método de elevação bombeio mecânico. São abordados os aspectos mecânicos do método e os aspectos de análise de seu funcionamento. ∙ No Capítulo 3 é apresentada a fundamentação teórica sobre reconhecimento de padrões e redes neurais artificiais. ∙ No Capítulo 4 são apresentados os resultados experimentais de classificação das cartas de fundo extraídas do SISAL. ∙ No Capítulo 5 são expostas as considerações finais do trabalho.
Figura 2.1: Componentes para bombeio mecânico com hastes.
2.2 Bomba de Fundo
Sua função é gerar um diferencial de pressão a partir do movimento alternativo da coluna de hastes, provendo energia ao fluido da formação, elevando-o para a superfície. Seus componentes são: camisa, pistão, válvula de pé (inferior) e válvula de passeio (su- perior), como ilustrado na 2.2. As bombas de fundo podem ser classificadas em dois grupos, de acordo com a forma instalação no poço (conseqüência da forma como foram confeccionadas). Elas podem ser do tipo insertável, que são instaladas dentro da coluna de produção ou do tipo tubular, que são adaptadas à extremidade da coluna de produção através de luvas. A bomba é confeccionada na forma de tubos, montados um na parte interna do outro,
com medidas internas (camisa) muito próximas às medidas externas (pistão), sendo essa folga da ordem de milésimos de polegadas. As válvulas são do tipo sede-esfera. As sedes e as esferas devem ser confeccionadas de forma que proporcionem uma vedação perfeita, visto que delas dependem o bom fun- cionamento de uma bomba de fundo. Esse rigor na vedação é necessário devido os altos diferenciais de pressão a que serão submetidas. Falhas na usinagem das válvulas podem levar a vazamento de fluido e perda da eficiência da válvula e conseqüentemente da bomba como um todo. A abrasão (muito acentuada na produção de areia) e corrosão na produção de fluidos, também levam a desgastes prematuros no conjunto sede-esfera. Para reduzir o desgaste por ações mecânicas do impacto do assentamento da esfera na sede durante o movimento, são utilizadas gaiolas que guiam a esfera para o alinhamento do orifício central da sede.
Figura 2.2: Bomba de fundo.
O movimento alternativo (ciclo de bombeio) é dividido em duas partes: curso ascen- dente (upstroke) e descendente (downstroke). No ciclo ascendente, a válvula de pé se abre devido à baixa pressão criada, permitindo a entrada do fluido na bomba, enquanto a válvula de passeio permanece fechada, devido o peso do fluido na coluna de produção. O pistão eleva toda a coluna de fluido acima dele. No curso descendente, a válvula de pé se fecha por conta da compressão criada pelo pistão. Como o pistão continua descendo, as pressões acima e abaixo da bomba se igualam, fazendo com que a válvula de passeio de abra, permitindo a passagem do fluido para cima do pistão. Ao atingir o final do curso descendente e iniciar o curso ascendente, a válvula de passeio de fecha, iniciando um novo ciclo de bombeio. Durante o ciclo de bombeio, a distância percorrida pelo pistão entre o ponto morto