André de Oliveira Traple (bolsista); Daniel Juan Pagano (orientador)

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1 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) 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. 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 PETROBRAS-CENPES. 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. Fig.1 Fig.2 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. 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. AGRADECIMENTOS: