6º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E
DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
TÍTULO DO TRABALHO:
ESTUDO EXPERIMENTAL DE BOMBAS CENTRÍFUGAS SUBMERSAS (BCS) OPERANDO
COM MISTURA BIFÁSICA GÁS-LÍQUIDO
AUTORES:
William Monte Verde
Jorge Luiz Biazussi
Antonio Carlos Bannwart
INSTITUIÇÃO:
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas
FEM – Faculdade de Engenharia Mecânica / DEP – Departamento de Engenharia de Petróleo
Este Trabalho foi preparado para apresentação no 6° Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 6°
PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 09 a 13 de outubro de 2011, em
Florianópolis-SC. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações
contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os
organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as
opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho
seja publicado nos Anais do 6°PDPETRO.
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ESTUDO EXPERIMENTAL DE BOMBAS CENTRÍFUGAS SUBMERSAS
(BCS) OPERANDO COM MISTURA BIFÁSICA GÁS-LÍQUIDO
Abstract
Electrical Submersible Pumps (ESP) are extensively used in the petroleum industry in order to
either improve or even make feasible the production of oil wells. The use of ESPs under gas-liquid
flow is very common in the oil industry. At constant gas flow rate, the pump performance is similar to
single phase flow at high liquid flow rates. On the other hand, at constant liquid flow rate a dramatic
degradation on pump head is observed as gas flow rate increases. Natural instabilities of two-phase
flow may cause the centrifugal pump to surge at rather low gas void fraction (GVF), as evidenced by
an inflection point in the pressure gain x flow rate curve, a phenomenon referenced as „surging point‟.
Further increase in GVF may cause the gas to fill most of the pump impeller, making the liquid flow
rate to decrease down to zero, a phenomenon known as „gas locking‟. Therefore, knowledge of the
conditions for which the pump starts to surge is of utmost importance and can only be understood
through experimental investigation. The aim of the present work is to present the experimental ESP
performance curves (head and efficiency) when operating with gas-liquid mixtures. For that purpose
the characteristic curves were determined for one conventional ESP, operating with water and twophase air-water mixtures with GVF ranging from 0 to 10 %. Tests were carried out on an ESP testing
bench, where flow parameters (air and water flow rates, pressure and temperature at the inlet and
outlet of the pump) and mechanical parameters (shaft torque and speed) were measured. A significant
decrease in pump head, and consequently in pump efficiency, was observed as the air fraction was
increased.
Introdução
Os métodos de elevação artificial são amplamente utilizados na indústria do petróleo para
aumentar ou iniciar a produção de poços cuja energia do reservatório é insuficiente para elevar
naturalmente os fluidos até a superfície. O bombeio centrífugo submerso (BCS) é um método de
elevação artificial amplamente utilizado devido as elevadas vazões de produção e consiste na
utilização de uma bomba centrífuga de múltiplos estágios, geralmente instalada na extremidade da
coluna de produção dentro do poço de petróleo. Essa bomba complementa a energia do reservatório,
aumentando a pressão, de modo a superar as perdas de carga que ocorram ao escoamento do fluido até
as facilidades de produção. O acionamento da unidade de bombeamento é feito através de um motor
elétrico que também fica submerso no fluido produzido.
Devido a depleção do reservatório de petróleo, é comum a pressão diminuir abaixo do ponto de
bolha (pressão de saturação). Nesses níveis de pressão o fluido produzido é uma mistura multifásica
gás-líquido. Mudanças nas propriedades e composição do fluido produzido, tais como variação da
densidade e viscosidade ou presença de uma fase gasosa podem causar severos impactos no
desempenho das bombas de BCS.
A utilização de BCSs operando com misturas multifásicas é comum na produção de petróleo.
Para elevadas vazões de líquido e baixas frações de gás o desempenho da bomba é similar ao
escoamento monofásico. No entanto, uma degradação severa no desempenho da bomba é observada
para elevadas frações de gás. A presença de gás livre no escoamento causa instabilidades na curva de
ganho de pressão versus vazão. O ponto de inflexão dessa curva é conhecido com ponto de „surging‟,
sendo caracterizado por uma acentuada diminuição da capacidade de bombeamento. Após o ponto de
surging, um aumento da fração de gás pode causar o bloqueio da área disponível ao escoamento no
rotor da bomba, fazendo com que a vazão seja nula, fenômeno conhecido como „gas locking‟.
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Portanto, o conhecimento das condições onde ocorre o ponto de surging é de extrema importância para
a aplicação adequadas das bombas de BCS.
Devido a complexidade do escoamento bifásico gás-líquido no interior de bombas centrífugas, a
maioria das pesquisas na indústria do petróleo são de natureza empírica. Os diferentes trabalhos
realizados até agora têm sido fundamentais para compreender o comportamento e fornecer
informações sobre o desempenho real de bombas de BCS operando com misturas bifásicas. No
entanto, os modelos mecanicistas disponíveis na literatura para predizer o fenômeno de surging ainda
possuem comportamentos muito distintos em si, motivando novos estudas na área.
Turpin (1986) apresentou a primeira correlação empírica para modelar o surging em bombas
centrífugas operando com misturas gás-líquido, sendo esse modelo ainda muito utilizado na indústria
do petróleo. Baseado nos dados de Lea e Bearden (1982) o autor propôs o parâmetro
que
indica a validade do modelo proposto. Para
a operação da bomba é estável e o modelo
pode ser aplicado, no entanto para
ocorre o surging. Portanto, a condição operacional de
surging pode ser calculada igualando esse fator a um valor unitário.
Durban (1989) propôs de forma gráfica que o desempenho de BCSs operando com mistura
gás-líquido fosse descrito por duas regiões. A primeira região desse gráfico é bem representada pelo
modelo homogêneo, sendo necessárias correções para o modelo homogêneo na segunda região. O
autor descreveu o surging como sendo a transição entre essas duas regiões. Pessoa (2001) formulou
uma correlação que representasse a transição entre essas duas regiões do gráfico em função das vazões
de líquido e gás e da pressão de entrada da bomba.
Cirilo (1998) avaliou o desempenho de bombas centrífugas de fluxo misto operando com
mistura gás-líquido. O autor utilizou a mistura ar-água e forneceu uma correlação que fornece a fração
volumétrica crítica de gás
para uma operação estável das bombas testadas. Baseado nos dados de
Cirilo, Romero (1999) também propôs uma correlação semelhante. De acordo com ambas as
correlações, a fração volumétrica crítica de gás é função apenas da pressão de entrada. Para a operação
estável da bomba, a fração volumétrica de gás deve ser menor do que a calculada.
Duran e Prado (2003) e Zapata (2003) investigaram as condições operacionais onde ocorre o
fenômeno do surging. Diferente dos modelos anteriores, os autores apresentaram seus modelos em
função da vazão de líquido normalizada, incluindo assim, a influência das condições operacionais, tais
como velocidade de rotação e vazão de líquido.
Gamboa e Prado (2011) realização uma ampla revisão bibliográfica a cerca das correlações
disponíveis na literatura para modelar o fenômeno de surging. Baseado em resultados experimentais
realizados em uma bomba convencional de BCS composta por 22 estágios, e utilizando a mistura arágua, os autores propuseram um modelo semi-empírico que fornece a fração volumétrica crítica de gás
em função da velocidade de rotação, propriedades dos fluidos e geométricos da bomba.
A Tabela 1 apresenta uma síntese das correlações disponíveis na literatura para modelar o
fenômeno de surging. A diferença entre os resultados fornecidos por essas correlações é ilustrada na
Figura 1, onde a fração volumétrica crítica de gás é mostrada em função da vazão volumétrica
normalizada de líquido.
Metodologia
Os resultados experimentais apresentados no presente trabalho foram feitos no circuito
experimental de ensaio de BCSs do Laboratório de Estudos de Petróleo (LabPetro/Unicamp).
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Tabela 1 – Correlações para o Surging em bombas de BCS
Autor
Correlação
Turpin at al. (1986)
Durban (1989) – Pessoa (2001)
Cirilo (1998)
Romero (1999)
Duran e Prado (2003)
Zapata (2003)
Gamboa e Prado (2011)
A montagem experimental é ilustrada na Figura 2. O circuito de testes consiste em uma bomba
de BCS convencional acionada por um motor de indução trifásico 380 V, 50 cv, controlado por um
inversor de freqüência. Uma bomba booster bombeia água dos reservatórios para a linha de testes,
sendo sua função principal o controle de pressão na entrada da BCS, que é possível através do controle
de freqüência de seu motor. A vazão mássica de líquido é obtida por um medidor tipo Coriolis
posicionado na linha de sucção da BCS. A injeção de ar é feita através de injetores instalado no bocal
de sucção da BCS, sendo a vazão de ar medida através de um elemento de fluxo laminar. Depois de
bombeada pela BCS, a mistura bifásica ar-água retorna aos tanques onde é feita a separação
gravitacional das fases. No circuito também são medidas a pressão, temperatura e viscosidade na
entrada e saída da BCS, torque no eixo de acionamento da BCS, corrente e tensão no motor elétrico.
As variáveis medidas no circuito são condicionadas por módulos de tensão (0-10V) ou corrente (420mA). Um sistema supervisório dedicado ao circuito processa e apresenta esses dados operacionais e
resultados de desempenho através de uma interface amigável.
Neste trabalho utilizou-se uma BCS comercial de três estágios. Essa bomba de fluxo misto,
modelo GN-7000 (Reda-Schlumberger), fornece uma altura de elevação de 29m e 46m3/h operando a
3500 rpm. A escolha desse modelo justifica-se por sua ampla utilização na indústria do petróleo e
também, pelas limitações de potência de acionamento do circuito de testes.
O procedimento experimental adotado consiste em obter as curvas de desempenho para frações
volumétricas de gás
constantes,
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Figura 1 – Comparação entre os modelos de Surging para a mistura ar-água, pressão de entrada
de 50 kPa e rotação de 1800 RPM.
onde,
é a vazão volumétrica de gás e
a vazão volumétrica de líquido, ambos medidos nas
condições de pressão e temperatura da sucção da BCS e a vazão volumétrica total de mistura.
Assim, para uma dada velocidade de rotação da bomba
, mantém-se constante a pressão na
sucção
e varia-se a vazão de líquido e gás de forma que a fração volumétrica mantenha-se
constante. A pressão na sucção é mantida constante variando-se a velocidade de rotação da booster. O
procedimento de ajuste de pressão de entrada e vazões é um processo de tentativa e erro, o que
dificulta a realização dos experimentos. Depois de estabilizada a condição desejada, é feita a aquisição
das variáveis medidas durante um intervalo de 30 segundos a uma freqüência de 1kHz.
A eficiência da bomba
mecânica
, definidas por:
é obtida através da razão entre a potência hidráulica
e
onde
é a vazão volumétrica total,
é a diferença entre a pressão de entrada e de saída
na bomba,
é a velocidade de rotação da bomba e
é o torque no eixo de
acionamento da bomba.
Resultados e Discussão
A partir do procedimento experimental descrito, foram obtidas as curvas de desempenho
mostradas na Figura 3. Os resultados foram obtidos para a mistura água-ar, com frações volumétricas
variando entre 0 e 10%, sendo a pressão de entrada de 50kPa e duas velocidades de rotação de 1800 e
2400 rpm. Nesses gráficos, os resultados são apresentados na forma normalizada para facilitar sua
interpretação. A normalização é feita conforme mostrado nas Eqs. (3) a (5),
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Figura 2 - Esquema do circuito de ensaios de bombas de BCS.
onde,
é o máximo incremento de pressão desenvolvido pela para uma vazão nula e
determinada velocidade de rotação;
é a máxima vazão desenvolvida pela bomba para dada
velocidade de rotação e
é a eficiência máxima em determinada rotação, sendo todos os valores
de referencia para a operação apenas com líquido.
O ponto de surging é caracterizado pela presença de instabilidades na operação da bomba.
Assim, na Figura 3 é possível observar um ponto de inflexão na curva de incremento de pressão versus
vazão. Esse ponto de inflexão, que coincide com o máximo incremento de pressão, pode ser definido
com o ponto de surging. A Figura 4 apresenta a máxima capacidade de elevação da bomba em função
da fração volumétrica para as rotações de 1200, 1800 e 2400 rpm.
Nota-se um elevado impacto no desempenho da bomba em função da quantidade de gás
presente na mistura, assim como a redução da eficiência. O aumento da velocidade de rotação
contribui para que a bomba aumente sua capacidade de operar na presença de gás, ocorrendo assim o
surging para vazões menores, o que aumenta a região de operação da bomba.
Conclusões
O objetivo principal desse trabalho foi investigar a influencia da presença de uma fase gasosa
no desempenho de bombas de BCS. Os resultados obtidos experimentalmente revelaram uma queda
significativa na eficiência da bomba, assim como a queda na capacidade de elevação. Essa redução é
observada mesmo para pequenas frações volumétricas de gás, em torno de 2%, em função da condição
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de operação. Observa-se também que o aumento da velocidade de rotação faz que a bomba aumente
sua tolerância a presença de gás.
(a)
(d)
(b)
(e)
(c)
(f)
Figura 3 – Curvas de desempenho para a bomba GN7000 operando com água-ar e pressão de entrada
de 50 kPa. (a) incremento de pressão, (b) Potência mecânica e (c) Eficiência a 2400 rpm; (d)
incremento de pressão, (e) Potência mecânica e (f) Eficiência a 1800 rpm
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Figura 4 – Incremento de pressão no ponto de surging para pressão de entrada de 50 kPa e rotações de
1200, 1800 e 2400 rpm.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Petrobras e ao CNPq pelo apoio ao trabalho.
Referências Bibliográficas
Turpin, J.L., Lea, J.F., Bearden, J.L., 1986. “Gas-Liquid Flow Through Centrifugal Pumps-Correlation
of Data”, 3rd International Pump Symposium, Texas A&M.
Dunbar, C.E., 1989. “Determination of Proper Type of Gas Separator”, Microcomputer Applications
in Artificial Lift Workshop. SPE Los Angeles Basin Section.
Cirilo, R., 1998. “Air-Water Flow Through Electric Submersible Pumps”, M.S. Thesis, The University
of Tulsa.
Pessoa, R. F., 2001. “Experimental Investigation of Two-Phase Flow Performance of Electrical
Submersible Pump Stages”, M.S. Thesis, The University of Tulsa.
Romero, M., 1999. “An evaluation of an Electric Submersible Pumping System for High GOR Wells”,
M.S. Thesis, The University of Tulsa.
Duran, J., Prado, M., 2003. “ESP Stages Air-Water Performance – Modeling and Experimental Data”,
Society of Petroleum Engineers, SPE 87627.
Gamboa, J., Prado, M., 2011. “Review on ESP Surging Correlations and Models”, SPE Production
and Operations Symposium, SPE 140937, Oklahoma City, Oklahoma, 27-29 March.
Lea, J.F., Bearden, J.L., 1982. “Effect of Gaseous Fluids on Submersible Pump Performance”. Journal
of Petroleum Technology, SPE 9218.Vol. 34, n° 12, 2922-2930.