(Parte 1 de 9)

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Centro de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação

Projeto de um Sistema Emulador de Escoamentos e Vaso de Separação Primária

Plínio Altoé Costa Vieira

Orientador: Prof. Dr. Sc. Francisco das Chagas Mota

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN (área de concentração: Automação e Sistemas) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.

Natal, RN, Setembro de 2009

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Vieira, Plínio Altoé Costa.

Projeto de um sistema emulador de escoamentos e vaso de separação primária / Plínio Altoé Costa Vieira – Natal, RN, 2009.

88 f.

Orientador: Francisco das Chagas Mota.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.

1. Emulador (Sistema) – Dissertação. 2. Escoamentos – Dissertação. 3. Picos de pressão – Dissertação. 4. Plunger lift – Dissertação. 5. Vaso separador – Dissertação. I. Mota, Francisco das Chagas. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 681.5(043.3)

Projeto de um Sistema Emulador de Padrões de Escoamento e Vaso de Separação Primária

Plínio Altoé Costa Vieira

Dissertação de Mestrado aprovada em 02 de Setembro de 2009 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:

__________________________________________________________________________

Prof. Francisco das Chagas Mota, D.Sc. (Orientador) .......................................... DCA/UFRN

__________________________________________________________________________ Profa. Vanja Maria de França Bezerra, D.Sc. (Examinadora Interna)..................... DEQ/UFRN

__________________________________________________________________________ Engo Benno Waldemar Assmann, D.Sc. (Examinador Externo)........UN-RNCE/PETROBRÁS

__________________________________________________________________________ Engo Sérgio José Gonçálves e Silva, M.Sc. (Examinador Externo)...UN-RNCE/PETROBRÁS

Aos meus pais, Garibaldi (in Memorian) e Myrian.

À minha esposa, Andrezza pela paciência e apoio durante a realização deste trabalho.

Aos meus irmãos, Indyanara, Felipe e Gustavo.

Agradecimentos

À Deus pela saúde e inspiração e força de vontade para realizar este trabalho.

Ao Professor Francisco Mota pelo empenho, dedicação e paciência.

Ao amigo Leonardo Campos do Amaral Bezerra pela colaboração e boa vontade.

Aos colegas da UFRN Herick Bulhões, Danielson Xavier, Rodrigo Silva pelo esforço e colaboração durante todo o período de estudos e experiências desse trabalho.

Aos Engenheiro Sérgio José e a Professora Vanja Bezerra pelas críticas e sugestões, além do apoio técnico.

Aos engenheiros Clóvis Costa, Carlos Milfont e Kelyson Resende da empresa ESAI pelo apoio técnico durante a construção e testes na planta.

À Chemtech pela oportunidade concedida. Em especial ao meu gerente Márcio, que foi bastante compreensivo.

A todos os colegas e professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica pela colaboração.

À minha querida família pelo apoio e compreensão.

Resumo

A proposta desse trabalho foi desenvolver uma planta-piloto com o objetivo principal de emular picos de pressão de escoamentos num vaso de separação. Efeito semelhante ao provocado pela produção em forma de golfadas em poços de produção equipados com o método de elevação artificial plunger lift. A motivação para o desenvolvimento do mesmo foi a necessidade de se testar, numa planta em escala menor, uma nova técnica desenvolvida para a estimação da vazão de gás em poços produtores equipados com plunger lift. Para seu desenvolvimento foram realizados estudos sobre efeitos dos escoamentos multifásicos, funcionamento de métodos de elevação artificial em poços de plunger lift, dos elementos de instrumentação industrial, válvulas de controle, dimensionamento de vasos separadores e sistemas de medição. A metodologia utilizada foi a definição dos fluxogramas do processo, seus parâmetros e como seriam gerados os efeitos necessários para o sucesso dos experimentos. Assim, foram definidas as válvulas de controle, o dimensionamento e construção dos vasos e a aquisição dos demais equipamentos utilizados. Um dos vasos funciona como reservatório de ar comprimido que, conectado ao vaso de separação, gera pulsos de gás controlados por uma válvula on/off. Com o sistema emulador pronto, foram realizadas diversas experiências de controle, sendo o controle de pressão com geração de picos e medição de vazão a principal experiência, onde se comprovou a eficiência da utilização da planta no problema que a motivou. Concluiu-se que o sistema é capaz de gerar efeitos de escoamentos com picos de pressão num vaso de separação primária. Estudos como a estimação de vazão de gás na saida do vaso e diversos estudos acadêmicos poderão ser feitos e testados numa escala menor sendo aplicados em seguida nas plantas reais, evitando perda de tempo e dinheiro.

Palavras-chave: Escoamentos, picos de pressão, emulador, plunger lift, vaso separador.

Abstract

The purpose of this study was to develop a pilot plant which the main goal is to emulate a flow peak pressure in a separation vessel. Effect similar that is caused by the production in a slug flow in production wells equipped with the artificial lift method plunger lift. The motivation for its development was the need to test in a plant on a smaller scale, a new technique developed to estimate the gas flow in production wells equipped with plunger lift. To develop it, studies about multiphase flow effects, operation methods of artificial lift in plunger lift wells, industrial instrumentation elements, control valves, vessel sizing separators and measurement systems were done. The methodology used was the definition of process flowcharts, its parameters and how the effects needed would be generated for the success of the experiments. Therefore, control valves, the design and construction of vessels and the acquisition of other equipment used were defined. One of the vessels works as a tank of compressed air that is connected to the separation vessel and generates pulses of gas controlled by a on/off valve. With the emulator system ready, several control experiments were made, being the control of peak flow pressure generation and the flow meter the main experiments, this way, it was confirmed the efficiency of the plant usage in the problem that motivated it. It was concluded that the system is capable of generate effects of flow with peak pressure in a primary separation vessel. Studies such as the estimation of gas flow at the exit of the vessel and several academic studies can be done and tested on a smaller scale and then applied in real plants, avoiding waste of time and money.

Keywords: Flows, peak pressure, emulator, plunger lift, separation vessel.

Sumário

Lista de figuras xi

Lista de tabelas xiii

Lista de símbolos e abreviaturas xiv

Introdução 1

1.1 Objetivo 1

1.2 Motivação 2

Estudo de elementos do processo de elevação artificial por plunger lift 3

2.1 Introdução 3

2.2 Método de elevação artificial por Plunger Lift 3

2.2.1 Conceito 3

2.2.2 Princípio de funcionamento 4

2.2.3 Principais aplicações 6

2.2.4 Tipos de instalações 7

2.2.5 Modos de controle 7

2.3 Medição de gás natural em escoamentos 9

2.3.1 Golfadas – Padrões de escoamento 9

2.3.2 Placa de orifício e vazão pulsante 12

2.3.3 Vazão pulsante em poços de Plunger Lift 13

2.4 Vasos de pressão – Separadores 15

2.4.1 Conceito 15

2.4.2 Projeto 16

2.4.3 Definições de vasos separadores 17

2.5 Válvulas de controle 18

2.5.1 Conceito 18

2.5.2 Tipos de válvulas de controle 18

2.5.3 Aspectos do material de construção das válvulas 19

2.5.4 Dimensionamento de uma válvula de controle 20

2.5.5 Atuadores e acessórios de uma válvula de controle 21

2.6 Conclusão 23

Projeto do emulador de escoamentos 24

3.1 Fluxograma de execução 24

3.2 Parâmetros do processo 25

3.3 Memorial de projeto da planta 26

3.3.1 Descrição 26

3.3.2 Legislação 26

3.3.3 Especificações técnicas do material utilizado 26

3.4 Fluxograma de engenharia 26

3.5 Conclusão 27

28

Estudo do funcionamento dos equipamentos 28

3.6 Introdução 28

3.6.1 Segurança e manutenção 28

3.6.2 Alimentação das válvulas 30

3.6.3 Vaso pulmão 30

3.6.4 Válvulas manuais de controle de gás e válvula solenóide 31

3.6.5 Líquido e medição de nível 33

3.6.6 Gás e medição de pressão 36

3.6.7 Gás e medição de vazão 37

3.6.8 Temperatura e conversores IP 39

3.6.9 Controlador Lógico Programável (CLP) 40

3.7 Conclusão 42

43

Experiências de controle e medição de vazão 43

3.8 Introdução 43

3.9 Monitoramento dos sinais 43

3.10 Controle de nível 44

3.11 Controle de pressão 46

3.12 Medição de Vazão 49

3.13 Supervisório – Análise dos gráficos 52

3.13.1 Análise do gráfico do controle de nível 52

3.13.2 Análise do gráfico do controle de pressão 53

3.13.3 Análise do gráfico da medição de vazão 54

3.14 Comparação de sinais de controle e diferencial de pressão 54

3.15 Conclusão 55

Conclusões gerais e perspectivas 56

4.1 Introdução 56

4.2 Conclusões 56

4.3 Perspectivas 57

Referências Bibliográficas 58

Anexo A – Fluxograma de Engenharia 60

Anexo B – Aquisição de Sinais da Experiência 61

Anexo C – Manual de Utilização da Planta 64

Anexo D – Descrição dos equipamentos 66

Lista de figuras

Figura 2.2.1‑1 – Instalação de plunger lift convencional 4

Figura 2.2.2‑2 – 1ª. Etapa do ciclo: crescimento de pressão no anular 5

Figura 2.2.2‑3 – 2ª. Etapa do ciclo: abertura da válvula de controle na superfície 5

Figura 2.2.2‑4 – 3ª. Etapa do ciclo: pistão chega à superfície 6

Figura 2.2.2‑5 – 4ª. Etapa do ciclo: válvula fecha e o pistão desce para o fundo. 6

Figura 2.2.5‑6 – Plunger lift com packer 8

Figura 2.2.5‑7 – Gás lift intermitente com pistão 8

Figura 2.2.5‑8 – Plunger lift com controlador eletrônico 9

Figura 2.3.1‑9 – Diagramas esquemáticos dos padrões de escoamento para os fluxos vertical e horizontal. 10

Figura 2.3.1‑10 – Ilustração do regime de golfada. 11

Figura 2.3.1‑11 – Mecanismos de formação de golfadas: (a) Instabilidade de Kelvin-Helmholtz; (b) Acumulação de líquido devido à mudança de inclinação. 11

Figura 2.3.1‑12 – Longa golfada de líquido viajando através do riser: golfada severa 12

Figura 2.3.2‑13 – Placas de orifício 12

Figura 2.3.2‑14 – Trecho de medição tipo placa de orifício 13

Figura 2.3.3‑15 – Diagrama esquemático das malhas de controle em um separador 14

Figura 2.4.1‑16 – Vasos de pressão horizontais 16

Figura 2.4.3‑17 – Separador Trifásico 17

Figura 2.5.2‑18 – Válvula de controle convencional 19

Figura 2.5.3‑19 – Válvula com erosão causada por flashing 20

Figura 2.5.5‑20 – Posições de segurança por falha em função das diversas combinações entre atuador e obturador 22

Figura 3.1‑21 – Fluxograma do processo 25

Figura 4.1.1‑22 – Painel de ligação do compressor com medidor de temperatura 29

Figura 4.1.1‑23 – Medidores das pressões internas 29

Figura 4.1.1‑24 – Compressor internamente 29

Figura 4.1.2‑25 – Derivação da linha de gás para alimentação das válvulas e válvula reguladora 30

Figura 4.1.3‑26 – Vaso pulmão do sistema 31

Figura 4.1.4‑27 – Válvulas manuais de controle de gás e válvula solenóide 32

Figura 4.1.4‑28 – Válvulas manuais de controle de gás. 32

Figura 4.1.5‑29 – Vaso de pressão separador bifásico 33

Figura 4.1.5‑30 – Medidor de nível no vaso separador – dreno aberto na parte inferior 34

Figura 4.1.5‑31 – Sensor medidor de nível por pressão diferencial 34

Figura 4.1.5‑32 – Bomba alternativa e válvula controladora de vazão de água 35

Figura 4.1.5‑33 – Sistema de segurança da bomba – água retorna ao reservatório 35

Figura 4.1.6‑34 – Sensor medidor de pressão 36

Figura 4.1.6‑35 – Válvula de controle de pressão 37

Figura 4.1.7‑36 – Medidor de vazão 37

Figura 4.1.7‑37 – Manifold do medidor de vazão 38

Figura 4.1.7‑38 – Placas de orifício de 7,1 e 9,1mm do projeto 39

Figura 4.1.7‑39 – Flanges que prendem a placa de orifício. Está ligada ao medidor de vazão. 39

Figura 4.1.8‑40 – Sensor de temperatura. Fiação ligada ao CLP que envia sinal de 4-20mA 40

Figura 4.1.8‑41 – Conversores IP 40

Figura 4.1.9‑42 – Fiação e instalação do CLP 41

Figura 4.1.9‑43 – SPDSW – Tela inicial 41

Figura 5.2‑44 – Tela de configuração do módulo ZEM400 44

Figura 5.3‑45 – Medidor visual de nível marcando as porcentagens medidas 45

Figura 5.3‑46 – Software de monitoramento de sinais 46

Figura 5.4‑47 – Reta obtida na medição de valores de corrente e pressão 47

Figura 5.4‑48 – Gráficos de controle de pressão – Ajustes dos parâmetros do controlador PI 48

Figura 5.4‑49 – Zoom do sinal de controle da planta – Controle de pressão 49

Figura 5.5‑50 – Controle de pressão e medição de vazão 50

Figura 5.6‑51 – Supervisório dos sistemas de controle e medição de vazão 53

Figura 5.7‑52 – Análise do sinal de controle comparado com o diferencial de pressão 55

Lista de tabelas

Tabela 4.1‑1 – Configuração dos Sinais do Sistema no CLP 40

Tabela 5.4‑2 – Experiência de valores de corrente medidos para pressões aplicadas 47

Tabela D‑3 – Vasos de pressão 66

Tabela D‑4 – Válvula de esfera tripartida plena 1000 WOG MGA 2” 66

Tabela D‑5 – Válvula globo manual 1” 66

Tabela D‑6 – Válvula de controle FISHER 67

Tabela D‑7 – Compressor tipo parafuso 67

Tabela D‑8 – Transmissor de vazão SMAR 67

Tabela D‑9 – Transmissores de pressão ROSEMOUNT 67

Tabela D‑10 – Controlador Lógico Programável (CLP) ZAP 500 e módulo de expansão ZEM400 68

Tabela D‑11 – Características das placas de orifício 68

Lista de símbolos e abreviaturas

DP

Diferencial de pressão

ρ

Densidade – massa específica

γ

Peso específico

ß

Razão entre o diâmetro do orifício e o diâmetro da linha

π

Constante universal (3,14159)

A

Área

C

Coeficiente de descarga

Cv

Coeficiente de vazão das válvulas

d

Diâmetro do orifício

D

Diâmetro da linha

E/P

Conversão de voltagem para pressão

I/P ou IP

Conversão de corrente para pressão

I/O

Entrada e saida

f(x)

Fração da vazão máxima (em função da posição da válvula)

K

Constante da equação de vazão em placas de orifício

g

Gravidade

m

Coeficiente angular da reta

DP

Diferencial de pressão

Pwf

Pressão de fluxo no fundo do poço

P

Pressão

Q

Vazão

V

Velocidade do escoamento

y

Ponto de ordenada da equação da reta

y0

Ponto de ordenada inicial da equação da reta

x

Ponto de abscissa da equação da reta

x0

Ponto de abscissa inicial da equação da reta

ABNT

Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANSI

American National Standards Institute

API

American Petroleum Institute

ASME

American Society of Mechanical Engineers

ASTM

American Society for Testing and Materials

BCP

Bombeio por Cavidades Progressivas

BCS

Bombeio Centrífugo Submerso

CLP

Controlador Lógico Programável

FCI

Fluid Components International

ISO

International Organization for Standardization

MPMS

Manual of Petroleum Measurement Standards

N

Norma

NBR

Norma Brasileira

NPT

National Pipe Thread

NR

Norma Regulamentadora

NVRAM

Nonvolatile Random Access Memory

PA

PressãoAdmissível

PED

Pressure European Directive

PI

Proporcional Integrativo

PID

Proporcional Integrativo Derivativo

PMTA

Pressão Máx. de Trabalho Admissível

RAM

Random Access Memory

RGL

Razão Gás-Líquido

ROM

Read Only Memory

Capítulo 1

Introdução

À medida que a exploração petrolífera aumenta no mundo, vão surgindo novos desafios para o homem. Diversas áreas de petróleo, por vezes, não podem ser exploradas em todo seu potencial por alguma restrição, seja ela ambiental, física ou outra qualquer. Técnicas para solucionar tais problemas são estudadas constantemente e o mais comum para aplicar alguma dessas técnicas seria testá-las no próprio local do problema. Isso, no entanto, muitas vezes não é possível, pois poderiam ocorrer problemas ocasionando acidentes, perda de tempo e dinheiro, caso a solução não funcionasse. Além disso, possivelmente a execução de trabalhos naquela área deveria parar, a fim de que tais testes fossem realizados.

Para evitar esses problemas, estudam-se formas de se reproduzir os efeitos encontrados nas diversas áreas de atuação da indústria petrolífera.

Trabalhos acadêmicos são realizados constantemente com a finalidade de se encontrar soluções para esses problemas. Para a realização dos testes são utilizados protótipos da planta real, as chamadas planta-piloto, que são plantas de processo em escala reduzida. O fim que se busca ao desenhar, construir e operar uma planta piloto é se obter informações sobre um determinado processo para aplicar o que foi estudado num posterior desenho ou construção de uma planta em escala industrial, assim evitando gastos excessivos com experimentos. Em busca dos conhecimentos dos efeitos e estudos em torno de soluções, todos os erros e acertos são estudados e documentados. Quando a pesquisa é concluída, a solução pode ser aplicada na planta real sem perda de similaridade, visto que deve existir uma semelhança geométrica entre o modelo (protótipo) e o projeto real, considerando as dimensões em escala e os mesmos ângulos.

1.1 Objetivo

O principal objetivo deste trabalho é projetar uma planta piloto capaz de emular picos de pressão e vazão semelhantes aos efeitos produzidos por golfadas provenientes dos poços de petróleo. Um vaso separador bifásico será montado para receber e controlar os fluidos. Na saida desse vaso estará presente uma válvula de controle de pressão. Na entrada do vaso separador haverá ainda uma bomba que enviará água para o sistema e uma válvula fará o controle de nível no vaso. No projeto também constará toda parte de instrumentação das válvulas de controle, válvulas manuais e sensores que terão papel importante no seu desenvolvimento.

Para deixar mais claro, o que se espera do sistema é conseguir reproduzir picos de pressão a serem controlados no vaso separador bifásico.

Embora o objetivo primordial seja a medição e controle da pressão, a planta-piloto será montada numa configuração que permita a entrada de líquido para controle de nível. Poderá ainda ser utilizada em diversos estudos acadêmicos tais como:

  1. Outras alternativas de controle, com a finalidade de melhorar a medição de vazão;

  2. Estudos de escoamentos, com a verificação do padrão que está escoando;

  3. Modificação de equipamentos, para estudos de instrumentação e automação;

  4. Modificação dos fluidos, para estudos relacionados à engenharia química e do petróleo;

1.2 Motivação

A elevação artificial de petróleo consiste no fornecimento de energia externa ao sistema poço-reservatório com o objetivo de transportar os fluidos presentes no fundo do poço até a superfície. Esta energia externa é necessária porque, com o passar do tempo, a pressão original existente no reservatório (rocha) vai reduzindo gradativamente em decorrência da retirada de fluidos do seu interior, fazendo com que a vazão dos poços produtores também seja reduzida por esta redução de pressão. Este efeito é denominado depleção.

A indústria do petróleo tem desenvolvido ao longo do tempo diversos mecanismos de elevação artificial de forma a compensar o efeito natural da depleção, dentre eles podemos citar: o bombeio mecânico, bombeio centrífugo submerso (BCS), bombeio de cavidades progressivas (BCP), o gás lift (Elevação por gás), o plunger lift (Elevação por pistão), dentre outros.

O plunger lift é caracterizado pelo uso de um pistão ou êmbolo que é instalado no interior da coluna de produção e tem a função de criar uma interface entre o fluido que se encontra acima dele e o fluido que fica abaixo do mesmo (normalmente o gás). O pistão permanece se deslocando para cima e para baixo em movimentos cíclicos utilizando, para isto, a energia de expansão do gás que fica acumulado no anular entre o revestimento e a coluna de produção do poço. A produção de um poço com plunger lift se dá por meio de golfadas na superfície ocorrida quando o pistão alcança a cabeça do poço, momento em que todo o fluido deverá escoar pela linha de produção com grande velocidade.

Em função desta característica de produção por golfadas, a medição da vazão de gás de poços com plunger lift não é uma tarefa trivial o que normalmente tem provocado a ultrapassagem da faixa de medição do equipamento [1].

Em função disso, o trabalho referenciado em [1] estuda a possibilidade de se encontrar uma alternativa para a medição da vazão de gás em poços offshore1 produzido por plunger lift durante a realização do teste de produção.

(Parte 1 de 9)

Comentários