CONTROLE DE OSCILAÇÕES EM
PROCESSOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL
DE FLUÍDOS MULTIFÁSICOS
André de Oliveira Traple (bolsista);
Daniel Juan Pagano (orientador)
MOTIVAÇÃO:
As oscilações em sistemas físicos representam, em muitos casos,
uma fonte de instabilidade. Fenômenos de comportamento oscilatório
podem ser encontrados em diferentes áreas da engenharia, como por
exemplo: em sistemas mecânicos com fricção, estruturas aeronáuticas
(Ângulo et al., 2005a), sistemas de perfuração de poços de petróleo
(Canudas-de-Wit et al., 2005), circuitos comutados em eletrônica de
potência (Verghese e Banerjee, 2001), sistemas de elevação e
transporte de fluídos multifásicos na indústria do petróleo (Storkaas e
Skogestad, 2004),(Godhavn et al., 2005). Este trabalho contemplará
técnicas de controle para os seguintes processos:
• elevação de fluidos multifasicos em risers submarinos de forma a
evitar fenômenos oscilatórios na vazão e na pressão destes dutos
(Pagano et al., 2006); (Fig. 1)
• e para suprimir oscilações em poços de petróleo que operam por
elevação artificial do tipo gás-Lift contínuo (Pagano et al., 2008). (Fig. 2)
Fig.1
Fig.2
Em risers submarinos as oscilações, também conhecidas como
“golfadas”, podem ser provocadas pelo escoamento multifásico (óleo,
água e gás) nas tubulações que ligam os poços à plataforma. Existem
condições que levam a um fluxo intermitente com “golfadas” de líquido,
seguidas de “ondas” de produção de gás. Este regime de escoamento
multifasico depende das vazões, das propriedades dos fluidos e da
geometria das tubulações. As causas que geram este escoamento
instável podem ser de natureza hidrodinâmica (diferença entre as
velocidades das fases) [Storkaas et al., 2003] ou devido à geometria do
terreno. Nesse último caso a forca da gravidade é capaz de gerar este
tipo de escoamento nos “risers”, que são as tubulações ascendentes do
fundo do mar até a plataforma.
As conseqüências deste escoamento com golfadas são variações
nas pressões e nas vazões dos líquidos e gases. Como foi comentado
anteriormente, estas oscilações causam severos problemas para a
operação da plataforma: (i) dificuldade de separação da água e do óleo,
e (ii) possível parada de emergência por nível alto.
Já em poços de petróleo operando por elevação artificial gas-lift,
estes apresentam freqüentemente oscilações quando operam com baixa
vazão de gás injetado. Este regime instável pode produzir golfadas
severas no tubo de produção causando perdas de produção. As
oscilações produzidas durante este regime de escoamento, também
denominadas de “gas-lift heading oscillations” se apresentam para
baixas taxas de gás injetado e podem reduzir a produtividade do poço
afetando a eficiência do processo de separação de água, óleo e gás.
Estes comportamentos oscilatórios podem ser causados por dois
diferentes fenômenos dinâmicos:
• Heading oscillations: basicamente são produzidas a baixas taxas de
injeção de gás devido a interação do escoamento no espaço anular
revestimento-tubo de produção com o escoamento no tubo de produção,
através da válvula operadora tipo orifício com check valve. A vazão de
gás injetado apresenta oscilações periódicas permanentes.
AGRADECIMENTOS:
As oscilações podem ser suprimidas com escoamento crítico na
válvula operadora. Isto pode ser obtido com a utilização de válvula
operadora do tipo Venturi. Oscilações por ondas de variação de
densidade do fluído (“Density wave oscillations”): são ainda um
problema a resolver. Apresentam-se mesmo com a vazão de gás
injetado mantida constante. As oscilações são basicamente devidas à
interação entre o fluído no tubo de produção com a formação do
reservatório sendo produzidas pela variação da densidade do fluido no
tubo de produção.
OBJETIVOS DO TRABALHO:
Este projeto visa desenvolver técnicas de Controle de Oscilações
para:
• controle de “golfadas” (slug flow) em dutos (risers) submarinos que
transportam fluidos multifasicos no setor up-stream da indústria do
petróleo,
• controle de oscilações em poços que operam por gas-lift contínuo
com baixas taxas de vazão de gás injetado.
APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO:
O trabalho acontece no contexto do projeto de pesquisa
“Desenvolvimento de Algoritmos de Controle para Métodos de Elevação
Artificial” realizado em parceria entre a UFSC-DAS e a PETROBRASCENPES.
Estudos preliminares mostram que com o controle das golfadas na
elevação de fluídos multifasicos tem-se uma maior produção de óleo.
Além de evitar que estas oscilações causem problemas severos para a
operação da plataforma, dificuldade de separação da água e do óleo, e
possível parada de emergência por nível alto no separador.
Uma intervenção numa plataforma é muito prejudicial. Durante a
parada, as plataformas não estão produzindo. Quanto mais cedo a
atividade voltar ao normal, menor será a perda de receita.
RESULTADOS OBTIDOS:
O estudo está sendo desenvolvido no programa de simulação de
fluído dinâmica OLGA da ScandPower juntamente com o ambiente
Matlab, onde são implementadas as leis de controle. No primeiro
momento foi analisada a dinâmica do sistema, principalmente no
sentido de simular as oscilações. Uma lei de controle inicial para um
poço operando por gas-lift contínuo também já foi desenvolvida com o
intuito de suprimir as oscilações. Como mostrado na figura 3 as
golfadas na vazão de líquido foram reduzidas a valores admissíveis.
Golfada
Os métodos desenvolvidos também podem ser utilizados para a
partida / repartida de poços. (Pagano et al., 2008).
CONCLUSÕES:
Após os primeiros resultados de simulação pode-se concluir que é
possível controlar as oscilações em processos de elevação de fluidos
multifásicos.
As leis de controle desenvolvidas precisam ainda serem
aperfeiçoadas e testadas em simulação e em uma planta de laboratório
antes de testadas em campo.