Apostila BCP

PAULO GASSE DE CARVALHONEREU CARLOS MILANI DE ROSSI

BOMBEIO DE CAVIDADES

PROGRESSIVAS

NNoovveemmbbrroo//22000088

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NDICE

1. Apresentao 04

1.1. Introduo 04

1.2. Histrico 05

2. Princpios bsicos 08

3. Descrio do sistema BCP 12

3.1. Cabea de acionamento 12

3.2. Colunas de hastes e tubos 15

3.2.1. Coluna de hastes 15

3.2.2. Coluna de tubos 18

3.3. Bomba de fundo 19

3.3.1. Principais componentes 20

3.3.2. Classificaes das bombas 21

3.4. Equipamentos auxiliares 25

3.4.1. Quadro eltrico 25

3.4.2. Variador de velocidade 25

3.4.3. Centralizadores de hastes 26

3.4.4. ncora de torque 26

3.4.5. Separador de gs de fundo 26

4. Dimensionamento do sistema 27

4.1. Vazo da bomba 28

4.2. Presso na bomba 31

4.2.1. Clculo da presso de admisso da bomba 32

4.2.2. Clculo da presso de descarga da bomba 33

4.2.2.1.Perdas de carga na coluna de produo 34

4.2.3. Clculo das cargas na coluna de hastes 37

4.2.3.1.Esforos devido trao 38

4.2.3.2.Esforos devido toro 39

4.2.3.3.Esforos devido flexo 41

4.2.3.4.Esforos combinados de trao e toro 42

3

5. Aplicaes 44

5.1. Limitaes do BCP 44

5.1.1. Produo de areia 45

5.1.2. Produo de gs 45

5.1.3. Atrito entre hastes e tubos 46

5.1.4. Baixa presso de admisso na subsuperfcie 47

5.1.5. Excessiva contra-presso sobre a bomba 48

5.1.6. Elevada temperatura de operao 48

5.1.7. Reverso da rotao das hastes 49

5.1.8. Ataque qumico ao elastmero 49

5.1.9. Vibrao excessiva da cabea de acionamento 50

6. Concluso 51

7. Referncias bibliogrficas 52

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1. Apresentao

1.1. Introduo

Um poo de petrleo pode ser capaz de produzir os fluidos at a planta de processo

unicamente com a energia do reservatrio. Neste caso, os poos so denominados de surgentes, e

produzem por elevao natural. Entretanto, em etapas mais avanadas de sua vida produtiva, o

reservatrio no possui mais a energia necessria para elevar os fluidos do subsolo at as

facilidades de produo. Neste caso, necessrio suplementar a energia do reservatrio adotando

sistemas de elevao artificial.

Um interessante conceito que pode ser extrado do livro The Technology of Artificial

Lift Methods de Kermit Brown, que o principal objetivo de um sistema de elevao artificial

o de manter uma presso reduzida no fundo do poo para que a formao possa produzir os

fluidos do reservatrio na vazo desejada..

Diversos mtodos de elevao artificial esto disponveis, classificados como

pneumticos e bombeados. Entre os mtodos pneumticos, os mais comuns so o Gas-Lift

Contnuo (GLC) e o Gas-Lift Intermitente (GLI). Entre os mtodos bombeados, encontram-se o

Bombeio Mecnico (BM), o Bombeio Centrfugo Submerso (BCS) e o Bombeio de Cavidades

Progressivas (BCP).

Esta apostila contm uma reviso bibliogrfica a respeito do bombeio de cavidades

progressivas, apresentando uma viso geral dos diferentes aspectos relacionados utilizao

deste sistema enquanto mtodo de elevao artificial de petrleo, suas principais caractersticas,

vantagens e desvantagens, condies de projeto, especificao de componentes, metodologia de

deteco de anormalidades, preveno de falhas e otimizao do seu desempenho.

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1.2. Histrico

A utilizao do bombeio de cavidades progressivas como mtodo de elevao artificial

considerada recente, em comparao com os demais mtodos, estando a sua histria bem

documentada.

O princpio do bombeio de cavidades progressivas foi concebido no final da dcada de

1920, pelo francs Renne Moineau. Moineau projetou uma srie de bombas helicoidais com um

novo mecanismo rotativo, denominado inicialmente de capsulismo (capsulism), em funo das

cavidades seladas (cpsulas) prprias do sistema.

As primeiras aplicaes na indstria do petrleo foram como bombas de transferncia

horizontal. A partir da dcada de 1950, o sistema comeou a ser utilizado para acionamento de

brocas de perfurao de poos, como motores hidrulicos: em vez de bombear, o dispositivo

passou a ser acionado por lquido a alta presso, fazendo com que o rotor girasse. Este processo

largamente utilizado na perfurao de poos.

A utilizao comercial do BCP como mtodo de elevao de petrleo mais recente.

Iniciou-se no Canad na dcada de 1980, com o objetivo de bombear leos pesados e viscosos,

com elevado teor de areia, de reservatrios rasos (at 500 m de profundidade), a vazes

relativamente baixas (abaixo de 20 m3/d).

Em funo dos bons resultados obtidos com o mtodo e com o desenvolvimento de novos

materiais e equipamentos, suas fronteiras de aplicao foram ampliadas. Atualmente compete

com outros mtodos de elevao, e tem se revelado vantajoso na produo de leos pesados,

produo de fluidos com alto percentual de areia. Fluidos com presena de gs tm sido

produzidos eficientemente com este mtodo.

Na Figura 01 est representada a evoluo do diferencial de presso a ser gerado pela

bomba e na Figura 02 a evoluo da vazo de bombeio. O mtodo que foi criado para baixa

vazo e baixa capacidade de elevao hoje pode produzir poos considerados profundos e poos

com relativamente altas vazes de lquido.

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Figura 1 Evoluo do BCP: capacidade de presso

Figura 2 Evoluo do BCP: capacidade de vazo por RPM

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As caractersticas positivas do mtodo de Bombeio por Cavidades Progressivas so:

Habilidade para bombear fluidos viscosos e pesados Permite produzir fluidos com elevados teores de areia Elevada eficincia volumtrica Menores investimentos para instalao Utilizao de motores de menor potncia (reduzido consumo de energia) Poucas partes mveis, resultando em menores custos de manuteno Grande flexibilidade operacional (ajuste das condies operacionais) Facilidade de operao e manuteno

A primeira instalao no Brasil data de 1982, no campo de Fazenda Belm, de onde se

expandiu para outras unidades. Por suas caractersticas houve um crescimento significativo de

poos no Brasil produzindo por este mtodo, chegando a aproximadamente 1000 poos em 2005.

Como caractersticas negativas do mtodo, podem ser citadas:

Poos com dog legs severos Poos com alta temperatura Riscos operacionais elevados Limitaes quanto profundidade Limitaes quanto vazo

De 2005 para c vem apresentando uma reduo no nmero de poos em operao no

Brasil em funo de acidentes e utilizao de mtodos trmicos para a produo de petrleo.

Hoje so aproximadamente 650 poos produzindo por BCP no Brasil, algo em torno de 8% do

total de poos produtores, com vazo menor do que 0,8% do total produzido no pas.

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2. Princpios bsicos

O sistema consiste de uma bomba helicoidal, do tipo parafuso sem fim, cujo movimento

rotativo excntrico produz o deslocamento de cavidades em seu interior, o que bombeia os

fluidos do fundo do poo para a superfcie, at o sistema de coleta. A Figura 3 fornece uma viso

geral do BCP.

Figura 3 Sistema BCP

O sistema constitudo essencialmente de quatro partes:

Bomba de fundo Cabea de acionamento Colunas de hastes e de tubos Equipamentos auxiliares

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Basicamente, a cabea de acionamento faz girar a coluna de hastes que, por sua vez,

transmite o movimento de rotao bomba de fundo. Esta ltima fornece a presso necessria

para elevar os fluidos at a superfcie, na vazo desejada.

A bomba de fundo consiste de um rotor helicoidal de passo simples, que gira dentro de

um estator helicoidal de passo duplo, conforme pode ser observado na Figura 4.

Figura 4 Passo do rotor e do estator

medida que o rotor gira excentricamente dentro do estator, forma-se em seu interior

uma srie de cavidades seladas defasadas 180, deslocando-se da suco para a descarga da

bomba. Ao mesmo tempo em que uma cavidade diminui, outra se forma no lado oposto,

resultando em um fluxo constante. A rea total da seo transversal das cavidades permanece a

mesma, independentemente da posio do rotor no estator, como demonstra a Figura 5.

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Figura 5 Corte transversal, representando trs pontos do movimento do rotor

A BCP aumenta a presso por causa da vedao entre o rotor e o estator, em cada

cavidade. Esta vedao proporcionada pela interferncia entre o rotor e o estator, no contato

entre ambos. A capacidade de presso da bomba funo do nmero de estgios e do nmero de

vezes que a linha de vedao repetida. Um estgio corresponde a 1,1 a 1,5 vezes o

comprimento do passo do estator, de maneira a proporcionar a taxa de compresso esperada por

estgio e maximizar a vida til do equipamento. Na Figura 4 est indicado o passo do rotor e do

estator.

O aumento do nmero de estgios da bomba eleva a sua capacidade de presso,

permitindo trabalhar em maiores profundidades. Para uma mesma condio de bombeio,

medida que a presso aumenta, a vazo da bomba pode diminuir por causa do escorregamento

do lquido, como mostrado na Figura 6.

Figura 6 Comportamento da vazo, devido ao escorregamento

Escorregamento o volume de lquido que no consegue passar de um estgio para o

outro da bomba, implicando em uma perda de eficincia de bombeio. funo da diferena de

presso entre a suco e a descarga da bomba, do seu nmero de estgios, da viscosidade do

lquido bombeado e do ajuste entre o rotor e o estator. A uma dada presso, quanto maior a

viscosidade do fluido, menor o escorregamento e vice-versa. Entretanto, o aumento da

viscosidade tende a causar cavitao da bomba, devido sua maior resistncia ao fluxo. As

Figuras 7 e 8 apresentam os efeitos da viscosidade e do ajuste entre o rotor e o estator, no

escorregamento.

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Figura 7 Efeito da viscosidade do fluido sobre a eficincia da bomba

Figura 8 Efeito do ajuste sobre a eficincia da bomba

necessrio salientar que o ajuste entre o rotor e estator nas condies operacionais

diferente do obtido em testes de bancada, na superfcie, devido dilatao do elastmero,

provocada pela elevada temperatura de trabalho no fundo do poo, pela absoro de petrleo e

gs e pela presena de hidrocarbonetos aromticos.

3. Descrio do sistema BCP

A seguir, so descritos os principais componentes, suas partes essenciais, as

nomenclaturas utilizadas e classificaes, importantes para a compreenso com este mtodo.

3.1. Cabea de acionamento

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Tambm denominada de cabeote, tem a funo de fornecer a energia necessria para

movimentar a bomba, na rotao e torque desejados, bem como sustentar o peso da coluna de

hastes, suportando o peso dos fluidos elevados at a superfcie, alm de conter vazamentos para

a superfcie.

Os principais componentes do cabeote so:

motor: normalmente eltrico ou a combusto interna (em regies remotas, no eletrificadas);

redutor: tem o objetivo de reduzir a rotao e elevar o torque; conjunto de correias e polias (motora e de acionamento): para a reduo e regulagem

da rotao da bomba;

caixa de gaxetas: ao mesmo tempo em que veda parcialmente quanto a vazamentos de petrleo, permite a lubrificao da haste polida;

sistema de freio anti-rotacional que, por segurana, impede ou controla a reverso da coluna de hastes;

Diversos modelos de cabeotes tm sido fabricados no Brasil, a seguir sero

apresentadas algumas das principais classificaes.

A) Quanto geometria:

Cabeotes angulares Cabeotes verticais

Os cabeotes angulares (tipo L) recebem esta denominao por deslocarem em 90 o eixo

de rotao, pois o motor se posiciona na horizontal, em um ngulo reto com a coluna de hastes.

Em geral, possuem um redutor que, alm de reduzir a rotao, aumentam o torque fornecido.

Nos cabeotes verticais (tipo V), o motor acoplado na mesma direo do eixo da coluna

de hastes, ou seja, na vertical. Muitas vezes estes cabeotes no possuem redutor, o que diminui

seus custos (esta talvez seja a sua nica vantagem).

Comparando os dois tipos, observam-se algumas vantagens dos cabeotes com redutor

(vide Figura 09):

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a) Permitem maior range de rotao (100 a 400 RPM), mesmo sem variador de

velocidade.

b) Apresentam menor ngulo de abraamento das correias, evitando o seu deslizamento,

muitas vezes crtico a depender dos esforos requeridos pelos equipamentos.

Figura 09 Cabeote vertical x cabeote angular

Em funo de seus menores custos, os cabeotes verticais sem redutor podem ser

utilizados em poos rasos e de baixas vazes. No caso de necessitar de baixas rotaes,

necessria a utilizao de variadores de velocidade (conversores de freqncia), devido sua

reduzida faixa de rotao (200 a 400 RPM). Caso no haja redutor nem variador de velocidade, a

funo de reduo da rotao fica a cargo somente da combinao de polias.

B) Quanto ao acoplamento da coluna de hastes

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Cabeote macio Cabeote vazado

Nos primeiros modelos, o acoplamento da coluna de hastes ao cabeote era fixo,

atrapalhando a instalao do rotor no interior da bomba, devido falta de flexibilidade para o

posicionamento final da coluna de hastes, por no permitir o exato posicionamento do rotor no

interior do estator (o denominado balanceamento da coluna de hastes).

Com o passar dos anos, foram substitudos pelos cabeotes vazados, nos quais a haste

polida atravessa totalmente o cabeote, permitindo um ajuste mais preciso da profundidade de

instalao do rotor. Por segurana, importante que a sobra de haste acima do cabeote seja

inferior a 40 cm.

C) Quanto ao tipo de completao

Completao simples Completao dupla

De um modo geral, so utilizadas BCP em poos de completao simples, entretanto, por

suas pequenas dimenses, pode ser utilizado em poos de completao dupla. Neste caso, devem

ser utilizados cabeotes apropriados, conforme mostra a Figura 10.

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Figura 10 Cabeotes para completao simples e dupla

3.2. Colunas de hastes e de tubos

3.2.1. Coluna de hastes

Uma questo fundamental no mtodo BCP como acionar a bomba instalada no fundo

do poo. Em geral, o movimento de rotao produzido na superfcie pelo cabeote e

transmitido mecanicamente at a bomba, atravs da coluna de hastes.

Normalmente, so empregadas hastes de bombeio, as mesmas fabricadas originalmente

para bombeio mecnico, padronizadas pela norma API. comum que haja pontos de atrito entre

as hastes e o interior dos tubos, especialmente nos poos desviados, horizontais e com dog legs

acentuados, o que pode provocar desgaste prematuro em ambos: furos na coluna de produo

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e/ou ruptura de hastes. Neste caso, a questo do atrito mais crtica, por isto muitas vezes so

utilizados centralizadores, para obter-se um posicionamento adequado das hastes. As hastes

podem ser classificadas de acordo com os critrios abaixo.

A) Quanto ao tipo de luva

fullsize (luva de dimetro pleno); slimhole (luva delgada).

As hastes mais comuns so as do tipo fullsize, cujas luvas so mais robustas. Podemos

observar, na Tabela 1, que as hastes com luvas delgadas (slimhole) possibilitam a utilizao de

tubos de menor dimetro, sendo uma opo interessante em determinadas situaes encontradas

no projeto de dimensionamento, como restries de dimetro da coluna de produo.

ESPAONominal Nominal DISPONVEL

pol pol cm pol pol cm cm5/8 1.500 3.810 2 3/8 1.995 5.067 1.2573/4 1.625 4.128 2 3/8 1.995 5.067 0.9407/8 1.8125 4.604 2 7/8 2.441 6.200 1.5961 2.1875 5.556 3 1/2 2.992 7.600 2.043

1 1/8 2.375 6.033 3 1/2 2.992 7.600 1.567

ESPAONominal Nominal DISPONVEL

pol pol cm pol pol cm cm5/8 1.250 3.175 2 3/8 1.995 5.067 1.8923/4 1.500 3.810 2 3/8 1.995 5.067 1.2577/8 1.625 4.128 2 7/8 2.441 6.200 2.0731 2.000 5.080 3 1/2 2.992 7.600 2.520

Luva slim-hole Interno

HASTESDIMETROS DE HASTES E TUBOS

DIMETROS DE HASTES E TUBOSHASTES TUBOS

Luva full-size InternoTUBOS

Tabela 1 Dimenses das luvas fullsize e slimhole

B) Quanto ao tipo de material (dureza do ao)

grau C: resistncia trao 90.000 psi grau D: resistncia trao 115.000 psi grau K: resistncia trao 85.000 psi

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Fabricadas originalmente para bombeio mecnico, que utilizam comumente hastes de

grau C. Como se trata de um componente crtico, onde ocorre um grande nmero de falhas,

recomenda-se para BCP o uso de hastes de grau D (ou mais resistente).

Trabalhando com fluidos corrosivos, podem ser utilizadas hastes grau K, mais

resistentes corroso, entretanto de menor resistncia trao.

Assim como o bombeio mecnico, a primeira haste conectada ao equipamento de

superfcie a haste polida.

Ao contrrio do bombeio mecnico, normalmente o BCP utiliza um mesmo dimetro de

hastes em toda a extenso da coluna, uma vez que os esforos mais crticos so os de toro.

necessrio salientar que o giro da bomba no mesmo sentido do aperto das hastes:

sentido horrio. Por isto, em condies de operao no deve haver problemas de

desenroscamento. Merece cuidado, no entanto, a possibilidade de inverso da rotao no

momento da ligao (conexo do poo com a rede eltrica) ou a ocorrncia indesejvel e

perigosa de reverso durante o desligamento da bomba.

Existem algumas alternativas s hastes de bombeio:

haste contnua: desenrolada e cortada no comprimento necessrio; acarreta menor atrito (no possui emendas, nem luvas);

BCP com acionamento eltrico de fundo: trata-se de uma bomba BCP com um motor eltrico submerso, que dispensa a utilizao de hastes, denominado BCPS;

hastes ocas: fabricadas especificamente para BCP, possuem maior resistncia toro, sem aumento de peso significativo, ao tempo em que permitem a injeo de

produtos qumicos pelo seu interior.

As hastes ocas vem sendo utilizadas com sucesso no Brasil. As hastes contnuas no

tem sido utilizadas. BCPS fabricada comercialmente, havendo registros de aplicaes com

sucesso em campos produtores em Oman. Como dispensa o uso de hastes de bombeio, uma

alternativa para produo de leos pesados e viscosos em poos submarinos.

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3.2.2. Coluna de tubos

Tambm conhecida como coluna de produo ou tubing, assim como em outros

mtodos de elevao, tem a funo de conduzir os fluidos do fundo do poo at a superfcie.

Seu dimetro depende essencialmente da vazo de produo, embora limitado

externamente pelo dimetro interno do revestimento e internamente pelos dimetros das luvas

das hastes e do rotor da bomba.

Normalmente, a coluna de produo apresenta o mesmo dimetro em toda a sua extenso,

porm nos casos das bombas de maior dimetro (3 1/2" ou maiores) faz-se necessrio que o

primeiro tubo acima dela seja de 3 1/2", para evitar esforos de flexo na coluna de hastes (e

conseqentemente fadiga de hastes), devido excentricidade do eixo do rotor.

O giro da coluna de hastes no sentido horrio provoca uma resultante no sentido contrrio

na coluna de tubos (anti-horrio), o que pode provocar o seu desenroscamento. Por isto, de

fundamental importncia a aplicao do torque mximo durante instalao da coluna,

respeitando o limite suportvel por cada tipo de tubo, de maneira a impedir a ocorrncia de

desenroscamento de tubos durante a operao normal do poo.

A coluna de produo tem como caractersticas, ainda, elevada resistncia presso

(fornecida pela bomba), bem como a trao, suportando o seu peso prprio mais o peso dos

fluidos produzidos.

comum a instalao de um ou mais tubos abaixo da bomba (denominados tubos de

cauda), com o objetivo de aprofundar a admisso da coluna e favorecer a separao de gs, bem

como para proteger a bomba durante a instalao.

Normalmente so utilizadas colunas de produo com dimetros nominais de 2 7/8" e 3

1/2", conforme indicado na Tabela 2.

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DIMETRO LUVAS GRAUpol MNIMO TIMO MXIMO

4,70 H-40 740 990 12404,70 J-55 970 1290 16104,70 C-75 1280 1700 2130

2 3/8 5,95 C-75 1590 2120 26504,70 N-80 1350 1800 22505,95 N-80 1680 2240 28004,70 P-105 1700 2270 28405,95 P-105 2120 2830 15406,50 H-40 940 1250 15606,50 J-55 1240 1650 20606,50 C-75 1630 2170 2710

2 7/8 8,70 C-75 2140 2850 35606,50 N-80 1730 2300 28808,70 N-80 2270 3020 37806,50 P-105 2180 2910 36408,70 P-105 3860 3810 47609,30 H-40 1300 1730 21609,30 J-55 1710 2280 28509,30 C-75 2260 3010 3760

3 1/2 12,95 C-75 3030 4040 50509,30 N-80 2400 3200 400012,70 N-80 3220 4290 53609,30 P-105 3040 4050 506012,95 P-105 4070 5430 6790

TORQUE RECOMENDADO (lbf.p)TIPOS DE TUBOS E TORQUE RECOMENDADO

Tabela 2 Caractersticas dos tubos

3.3. Bomba de fundo

Componente caracterstico do sistema, a bomba de fundo recebe o movimento de

rotao da coluna de hastes e o transforma em movimento ascendente das cavidades em seu

interior. Desta transformao de movimento a denominao do bombeio de cavidades

progressivas. Conduz os fluidos da admisso para o recalque, fornecendo a presso necessria

para que o petrleo chegue at o ponto de coleta na superfcie. A bomba relativamente simples,

constituda basicamente de duas partes, conforme mostrado na Figura 11:

rotor estator

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Figura 11 Rotor e estator de BCP

3.3.1. Principais componentes

A) Rotor

O rotor, que constitui a parte mvel da bomba, fica preso coluna de hastes, de quem

recebe o torque produzido pelo motor (a menos das perdas).

fabricado em ao especial, altamente resistente, revestido externamente com uma

camada de cromo, proporcionando resistncia a abraso e corroso, bem como reduzindo o atrito

com a borracha, quando lubrificado pelos lquidos produzidos.

B) Estator

O estator a parte fixa da bomba, acoplada coluna de tubos. Consiste de um tubo de

ao comum, reaproveitvel, revestido internamente com um elastmero de borracha, aderido

firmemente parede do tubo.

21

O elastmero moldado com o formato de hlice de passo duplo. No processo de

fabricao, a borracha injetada presso e temperatura apropriadas no anular entre o molde e o

tubo, este recoberto por uma camada de adesivo prprio para metal-borracha. Aps o processo

de resfriamento, devido ao encolhimento do elastmero, o molde facilmente removido.

Com o objetivo de orientar o posicionamento do rotor durante a instalao da bomba e o

balanceamento da coluna de hastes, existe um pino limitador ou crivo, na extremidade inferior

do estator.

3.3.2. Classificaes das bombas

So apresentados a seguir os principais tipos de bombas existentes. Entre parntesis, a

codificao constante na Norma Petrobras N-2506a.

A) Quanto ao modo de instalao

Bombas tubulares (T) Bombas insertveis (I)

As bombas tubulares so instaladas enroscadas extremidade da coluna de tubos e s

podem ser substitudas aps a remoo de todos os tubos. So as mais utilizadas e atendem a

amplas faixas de vazo e presso.

Por serem instaladas enroscadas coluna de hastes e apenas encaixadas na coluna de

tubos, as bombas insertveis simplificam sensivelmente o processo de instalao/desinstalao,

levando bem menos tempo para serem substitudas, reduzindo os custos das intervenes, pois

no necessrio remover os tubos. Sua substituio pode ser feita atravs de guindastes.

A Figura 12 apresenta uma bomba insertvel.

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Figura 12 BCP insertvel

necessrio instalar um suporte para a bomba (nipple de assentamento), na coluna de

produo. Entretanto, como para ser instalada a bomba necessita passar por dentro da coluna de

tubos, seu dimetro externo fica limitado pelo dimetro interno da coluna de produo, por isto a

sua aplicao fica restrita apenas s menores faixas de vazo.

C) Quanto temperatura mxima de operao

At 80 C (L) Acima de 80 C at 150 C (M) Acima de 150C (H)

D) Quanto espessura do elastmero

Varivel (V) Constante (C)

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A espessura do elastmero varivel nas bombas convencionais e constante nas

bombas com camada de borracha uniforme. A vantagem das bombas com espessura constante

apresentar dilatao uniforme quando aumenta a temperatura.

E) Quanto ao ajuste entre rotor e estator

Os rotores podem ser fabricados com pequenas diferenas de dimetro, proporcionando

opes de ajuste entre rotor e estator, de maneira a enfrentar diferentes condies de

temperaturas e bombear lquidos de diferentes viscosidades. Podem ser classificados em:

Oversize (O) Standard (S) Undersize (U)

O rotor Standard possui ajuste com mdia interferncia com o estator, o Undersize

possui pequena interferncia com o estator e o Oversize possui grande interferncia.

Em termos de Norma Petrobras, os ajustes esto relacionados s curvas de desempenho

obtidas em testes realizados em bancada, a condies padronizadas de referncia.

Uma bomba com rotor Undersize,(pequena interferncia) indicada para trabalhar com

lquidos mais viscosos, de menor escorregamento, a uma temperatura mais elevada. Neste caso, a

dilatao do elastmero compensa o menor ajuste da bomba. Vem sendo cada vez mais utilizado

em poos profundos. O ajuste Standard, normalmente utilizado em poos com menor

inchamento do elastmero.

F) Quanto ao tipo de elastmero do estator

As principais caractersticas desejadas do elastmero so:

Resistncia mecnica e elasticidade; Resistncia abraso; Resistncia s temperaturas de operao;

24

Resistncia aos fluidos produzidos, em especial ao petrleo e ao gs; Aderncia ao tubo acima dos esforos submetidos.

De acordo com as condies do projeto (temperatura, presso) e das substncias

produzidas, a composio do elastmero varia, de maneira a proporcionar a durabilidade

desejada e, conseqentemente, garantir o xito da aplicao.

Atualmente, os estatores fabricados com elastmeros de borracha nitrlica so os mais

utilizados por apresentarem as caractersticas desejadas de resistncia mecnica e flexibilidade,

com baixos custos de fabricao. Atendem maioria dos casos, entretanto no resistem

presena de determinados componentes no petrleo, sofrendo graves deformaes em pouco

tempo de instalao, ficando completamente inutilizados.

De acordo com a composio qumica do leo, se houver presena excessiva de

hidrocarbonetos aromticos ou gs sulfdrico, necessrio que o estator seja confeccionado com

elastmero de borracha apropriada, resistente a estas substncias. Da mesma forma, se a

temperatura no fundo do poo for excessiva, como ocorre com os poos profundos, por exemplo.

A Tabela 3 mostra alguns tipos de elastmeros fabricados no Brasil e suas principais

caractersticas:

TIPO DE TEMPERATURA TEOR DE TEOR DEELASTMERO MXIMA (C) H2S (%) AROMTICOS (%)Borracha nitrlica 100 5 5

Nitrlica hidrogenada 150 10 5Viton 150 8 10

ESTATOR

Tabela 3 Tipos de elastmeros

G) Quanto camada de cromo do rotor

A camada de cromo duro do rotor quem garante a resistncia a abraso e corroso da

bomba, como tambm favorece o deslizamento do rotor no interior do estator. Quanto maior a

sua espessura, maior a sua durabilidade. A Tabela 4 apresenta padres comuns no Brasil:

25

Normal 0,12 mmEspecial 0,30 mm

CAMADA DE CROMO DO ROTOR

Tabela 4 Espessura de cromo

3.4. Equipamentos auxiliares

So recomendados para utilizao em determinadas situaes especficas de projeto,

dos quais apresentamos os mais utilizados no Brasil, atualmente.

3.4.1. Quadro eltrico

Proporciona o fornecimento de energia eltrica ao motor, com a necessria proteo

contra oscilaes de tenso e controle (acionamento e desligamento).

Sua configurao pode variar conforme o grau de funes desejado, a depender do grau

de proteo requerido e da receita fornecida pelo poo.

Podemos citar alguns componentes do quadro eltrico:

sistema de partida manual ou automtica, com tempo de retardo; rel trmico; elemento fuzvel; rel de falta de fase; temporizador (timer).

3.4.2. Variador de velocidade

Dispositivo eletrnico que permite alterar as condies de bombeio do poo, atravs da

mudana da rotao do motor. utilizado um conversor de freqncia, o que dispensa a

instalao de quadro eltrico e permite o acoplamento com dispositivos inteligentes, para

monitoramento e controle contnuo do poo (em tempo real).

26

3.4.3. Centralizadores de hastes

Para impedir que ocorra atrito excessivo entre as colunas de hastes e de tubos nos poos

desviados, provocando desgastes e ocasionando vazamentos e quebras de hastes, recomendvel

a utilizao de centralizadores de hastes.

3.4.4. ncora de torque

Tem a funo de transferir os esforos da coluna de tubos para o revestimento, impedindo

a aplicao de torque excessivo sobre a bomba, prevenindo contra desenroscamento da coluna de

tubos. So indicadas para poos profundos ou poos que produzem altas vazes.

3.4.5. Separador de gs de fundo

Em poos com razo gs-leo elevada, tem a finalidade de impedir a entrada de gs na

bomba, o que prejudicaria a sua eficincia. Aps a separao, o gs produzido desloca-se at a

superfcie pelo espao anular entre revestimento e coluna de produo.

Entretanto, sempre que possvel, deve-se preferir a utilizao de ncora natural (admisso

da bomba posicionada abaixo dos intervalos canhoneados), a maneira mais eficiente de separar o

gs nos poos.

27

4. Dimensionamento do sistema

Somente a realizao de um projeto de dimensionamento adequado s caractersticas do

poo pode proporcionar um perfeito funcionamento dos equipamentos de elevao instalados. O

dimensionamento do sistema BCP implica na verificao da resistncia de cada componente,

submetido s condies crticas de operao. Os dados preliminares necessrios so os seguintes:

vazo total esperada presso mxima na cabea do poo profundidade da zona produtora (topo e base) composio dos fluidos produzidos (BSW, viscosidade, teor de aromticos, presena

de contaminantes)

dados do revestimento (dimetro, perfil direcional, profundidade do poo).

Com base nestes dados realizado o projeto de dimensionamento, basicamente, de

acordo com o fluxograma apresentado na Figura 13.

Figura 13 Projeto de dimensionamento do sistema

28

4.1. Vazo da bomba

A vazo terica da bomba (QTEOR), calculada considerando uma eficincia de 100%,

determinada com base na sua geometria e na velocidade de bombeio. Nas Figuras 14 e 15 esto

representadas as dimenses de uma bomba de cavidades progressivas>

Figura 14 - Geometria da bomba (seo transversal)

Figura 15 - Geometria da bomba (seo longitudinal)

DR = Dimetro do rotor

e = Excentricidade do rotor

AR = rea do rotor

4D

A2R

R=

AE = rea aberta do estator

AE = AR + 4.e. DR

AC = rea da cavidade

AC = AE - AR

PE = Passo do estator

PR = Passo do rotor

PE = 2.PR

v = velocidade de fluxo

N = rotao da bomba

29

Considerando as variveis definidas nas Figuras 14 e 15, pode-se determinar a vazo

terica da bomba atravs das seguintes equaes:

NPD.QTEOR = onde:

PD - deslocamento volumtrico da bomba (pump displacement);

N velocidade de bombeio.

O deslocamento volumtrico (PD) calculado em funo da geometria da bomba pela

equao:

ER PDeD ...4P = onde:

e excentricidade do rotor

D dimetro do rotor

PE passo do estator (PE = 2PR)

PR passo do rotor

Portanto, a vazo terica de bombeio pode ser calculada diretamente pela equao, tanto para

unidades do Sistema Mtrico como para unidades do Sistema Ingls, utilizando a constante C

adequada:

NPDeCQ ERTEOR ....=

VARIVEL MTRICO INGLS

QTEOR m3/d bbl/d

e mm pol

DR mm pol

PE mm pol

N rpm rpm

C 5,76x10-6 5,94x10-1

Pode-se observar que a vazo da bomba depende apenas da sua geometria (passo do

estator, dimetro e excentricidade do rotor) e da sua rotao. Como a geometria uma

30

caracterstica de cada modelo, pode-se tabelar, para cada tipo de bomba, a vazo como o produto

de uma constante pela rotao desejada.

NteconsQTEOR .tan=

Uma considerao que deve ser feita a de que a vazo real de bombeio ser inferior

vazo terica calculada acima, uma vez que a eficincia de bombeio inferior a 100%. De forma

a prever no projeto o escorregamento do fluido na bomba e perdas em geral, deve-se considerar a

vazo terica como sendo:

QQTEOR.100=

onde:

Q vazo desejada do poo, m3/d ou bl/d,

- eficincia de bombeio, em %.

A velocidade de bombeio deve ser determinada em funo da viscosidade do fluido. Na

Tabela 05 esto apresentadas as velocidades timas e mximas em funo da viscosidade do

fluido a ser bombeado. Velocidades mais baixas so recomendadas para aumentar o tempo de

vida da bomba, das hastes, da coluna de produo e do equipamento de superfcie. Esta prtica

tambm minimiza as perdas de eficincia na suco da bomba quando se est bombeando fluidos

muito viscosos.

VISCOSIDADE (CP) VELOC. TIMA (RPM) VELOC. MXIMA (RPM)

5000 100 250

Tabela 05 Velocidades Recomendadas de Bombeio

31

4.2. Presso na bomba

A presso fornecida pela bomba no pode ultrapassar a presso mxima admissvel e

calculada pelo balano de foras atuantes no sistema. A distribuio de fluidos no poo est

representada na Figura 16:

Figura 16 Distribuio de fluidos no poo

A presso a ser fornecida pela bomba pode ser determinada por:

PerdasPPP admissoadescbomba += arg Sendo que a presso na admisso da bomba e a presso na descarga podem ser determinadas, de

acordo com a distribuio de fluidos na Figura 16:

revgs.lqadmisso PPPP ++= cabfhaargdesc PPPP ++=

onde:

bombaP = presso fornecida pela bomba ao sistema

admissoP = presso na admisso da bomba (presso de suco)

aargdescP = presso na descarga da bomba (presso de recalque)

.lqP = presso devido ao peso da coluna de lquido no anular

gsP = presso devido ao peso da coluna de gs no anular

32

revP = presso no revestimento (medida na superfcie)

hP = presso hidrosttica do fluido na coluna de produo

cabP = presso na cabea do poo (tubing)

fP = perdas de carga (frico) durante o escoamento no tubing

Perdas = perdas de carga na bomba

A presso na cabea do poo funo da presso de separao e das perdas de carga na

linha de produo, que dependem da distncia do poo at a estao coletora, da vazo de

escoamento, das propriedades dos fluidos (como viscosidade e ponto de fluidez) e das condies

topogrficas e ambientais. Os equipamentos devem ser capazes de suportar as condies de

operao, caso contrrio, podero sofrer danos irreversveis.

Merece nota o fato de que, por segurana, a presso na cabea do poo (Pcab) no deve ser

considerada sempre igual presso no revestimento (Prev) pois, devido ao da vlvula de

reteno instalada na sada do revestimento, a presso na cabea do poo pode ser superior

presso no revestimento, sobrecarregando a bomba. Este caso pode acontecer em poos que

produzem leo parafnico, quando noite h uma queda significativa de temperatura, uma

deposio de parafina na linha de produo com conseqente aumento da perda de carga na

superfcie.

4.2.1. Clculo da presso de admisso da bomba

Como visto anteriormente, a presso de admisso ou presso de fluxo na entrada da

bomba depende da submergncia da bomba, do peso da coluna de gs e da presso do anular na

superfcie:

revgslqadmisso PPPP ++= .

.. .. lqllq hgP = ou .. .. lqliqgualq hdGP = gsggs hgP ..= ou gsgasaguags hdGP ..=

33

onde: =l peso especfico do lquido =g peso especfico do gs

g = acelerao da gravidade =.lqh altura de lquido = h - ND =gsh altura do gs = ND

=h profundidade da bomba =ND nvel dinmico de lquido, medido a partir da superfcie.

G - gradiente de presso da gua doce = 0,1 (kgf/cm2)/m ou 0,433 psi/ft

dliq. densidade do lquido em relao gua

dgas densidade do gs em relao gua (ar = 1,293 kg/m3)

A Figura 18 apresenta uma forma expedita de calcular a presso da coluna hidrosttica do

lquido e do gs a partir da massa especfica do fluido e das profundidades. importante

salientar que na Figura 18 as profundidades esto em metros, as presses em kPa para o gs e

MPa para o lquido, e as massas especficas em kg/m3 para o gs e ton/m3 para o lquido.

gua = 1,0 ton/m3gs = 1,293 kg/m3

000000

.7

.81.0

1.1 = 1.3

0

10

20

30

40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Profundidade

Pre

sso

(MP

a ou

kP

a)

Coluna de lquido: MPaColuna de gs: kPa

Figura 18 Correlao entre a presso, densidade e profundidade

4.2.2. Clculo da presso de descarga da bomba

Como visto anteriormente, a presso de descarga ou presso de bombeio na sada

da bomba depende da hidrosttica do fluido que est na coluna de produo, das perdas por

frico durante o escoamento do fluido na coluna e da presso na cabea do poo:

34

cabfhaargdesc PPPP ++= onde

... lqlh hgP = ou ... lqliqguah hdGP =

4.2.2.1. Clculo das perdas de carga (frico) na coluna de produo (Pf)

Inicialmente, necessrio calcular o Nmero de Reynolds (Re), para determinar se o fluxo

laminar ou turbulento.

dv..Re =

ou:

2..4..RedQd

=

onde:

= massa especfica do fluido produzido

d = dimetro hidrulico da seo

= viscosidade do fluido

v = velocidade aparente de escoamento

Q = vazo de produo

Como o escoamento se processa no espao anular entre a coluna de tubos e as hastes de

bombeio, a relao fica ento:

( )( ) ( )htht ht ddQ

ddddQ

+==

...4...4Re 22

onde:

td = dimetro interno dos tubos

hd = dimetro das hastes

Portanto, o nmero de Reynolds para fluxo anular pode ser calculado usando a equao:

)(

..Rehi

ANULAR ddQC+=

onde C escolhido de acordo com o sistema de unidades utilizado, conforme a tabela a seguir:

35


Q m3/d bbl/d

kg/m3 lb/ft3

cp cp

di mm pol

dh mm pol

C 14,74 1,478

Para fluxo anular, o nmero de Reynolds considerado para a transio de fluxo laminar

para turbulento 2 100, ou seja, abaixo deste valor o fluxo considerado laminar e acima deste

valor considerado turbulento. Considerando que quanto maior a viscosidade menor o nmero de

Reynolds, para aplicaes em poos que produzem fluidos viscosos h uma tendncia maior de

ocorrer fluxo em regime laminar.

Calculado o Nmero de Reynolds pela equao acima e determinado o regime de fluxo, o

prximo passo a determinao das perdas de carga por frico (Pf) utilizando correlaes

disponveis na literatura.

As seguintes equaes permitem o clculo das perdas por frico considerando fluxo em

regime laminar e turbulento.

Para fluxo laminar:

( ) ( )2221 ... hthtf ddddhQCP =

Para fluxo turbulento:

( ) ( ) 8,1222,18,08,12,0

2 ....

htht

fdddd

hQCP =

onde h a profundidade de assentamento da bomba.

36

De acordo com o sistema de unidades utilizado, a tabela abaixo fornece os valores das constantes

C1 e C2 das equaes.

VARIVEL MTRICO INGLES

P KPa psi

Q m3/d bbl/d

h m ft

kg/m3 lb/ft3

cp cp

di mm pol

dh mm pol

C1 707,4 1,194x10-5

C2 16,10 4,317x10-8

As equaes para o clculo das perdas por frico relativas ao escoamento do fluido na

coluna de produo devem ser corrigidas para levar em considerao a excentricidade da coluna

de hastes dentro da coluna de produo. Para escoamento laminar, reduo de 40% nas perdas

nas luvas e centralizadores e 25% no corpo das hastes so valores razoveis. Para fluxo

turbulento, redues de 10% nas luvas e centralizadores e 5% para o corpo das hastes.

A Tabela 6, a seguir, fornece informaes sobre as dimenses dos tubos das colunas de produo

utilizadas na produo por BCP. As informaes esto tanto no Sistema Mtrico como no

Sistema Ingls de unidades.

Coluna de Produo Dimetro Interno Coluna de Produo Dimetro Interno

2 3/8 x 4,7 lbf/ft EUE 2,00 pol 60,3 mm x 6,99 kgf/m EUE 50,7 mm



4 x 11,0 lbf/ft EUE 3,48 pol 101,6 mm x 16,37 kgf/m EUE 88,3 mm


Tabela 6 Especificaes da coluna de produo

37

A Tabela 7, a seguir, fornece informaes sobre as dimenses das colunas de hastes

utilizadas na produo por BCP. As informaes esto tanto no Sistema Mtrico como no

Sistema Ingls de unidades. As dimenses das luvas referem-se aos tipos standard e delgadas.

Possuem o mesmo comprimento, porm dimetros externos diferentes.

COLUNA DE HASTES

(Dimetro)

DIMETRO LUVAS

(Standard)

DIMETRO LUVAS

(Delgadas)

COMPRIMENTO DAS

LUVAS

pol mm pol mm pol mm pol mm

5/8 15,9 1,5 38,1 1,25 31,8 4 101,6

3/4 19,1 1,63 41,3 1,50 38,1 4 101,6

7/8 22,2 1,81 46,0 1,63 41,3 4 101,6

1 25,4 2,19 55,6 2,00 50,8 4 101,6

1 1/8 28,6 2,37 60,3 - - 4,5 114,3

Tabela 7 Especificaes das luvas da coluna de hastes

4.2.3. Clculo das cargas na coluna de hastes

Em um sistema de BCP, a coluna de hastes deve ser capaz de suportar uma carga axial e

transmitir torque para o rotor da bomba. Se a carga axial e o torque resultam num esforo acima

da capacidade das hastes, considerando dimetro e grau do ao, as hastes iro se partir. Portanto,

a carga nas hastes que determinar o dimetro mnimo da coluna de hastes e o grau do ao a ser

utilizado.

Os principais esforos a que as hastes so submetidas num poo de petrleo so:

trao: esforo devido ao peso prprio mais o peso da coluna de fluido; toro: esforo fornecido pelo motor para girar o rotor da bomba; flexo: conseqncia do desalinhamento do poo;

Estes esforos esto representados na Figura 18. Os carregamentos sero analisados nos

pontos em que ocorrem os maiores esforos.

38

Figura 18 Principais esforos nas hastes

4.2.3.1. Esforos devidos trao ():

Este esforo corresponde soma do peso prprio das hastes (Ph ) mais a carga

relacionada ao deslocamento do fluido na coluna de produo (Fbomba).

= Ph + Fbomba O peso prprio da coluna de hastes (Ph) pode ser calculado por:

Rh WhP .=

O peso linear das hastes (WR) padronizado pela norma API, conforme a Tabela 8,

abaixo:

Dim etro(pol) lb/p kg/m5/8 1,13 1,6823/4 1,63 2,4257/8 2,22 3,3041 2,90 4,316

HASTESPeso linear (W R)

Tabela 8 - Peso das hastes, por unidade de comprimento

39

A carga correspondente ao deslocamento do fluido (Fbomba) na coluna de produo o

resultado da presso diferencial na bomba (Pbomba) atuando no rotor. Existe alguma controvrsia

quanto a forma desta presso atuar sobre o rotor, o que resulta em vrios modelos para calcular a

carga correspondente nas hastes. A seguinte correlao proporciona uma boa aproximao para o

clculo desta carga:

Fbomba=C[(Pdescarga-Padmisso)(2DR+13eDR+16e2)-Pdescargadh2]

O valor de C a ser utilizado depende do sistema de unidades adotado. Na tabela abaixo o valor

de C considerando as unidades normalmente utilizadas na indstria do petrleo.


Fbomba N lbf

Pdescarga kgf/cm2 psi

Padmisso kgf/cm2 psi

DR mm pol

e mm pol

dh mm pol

C 7,9x10-3 0,79

4.2.3.2. Esforos devido toro ()

O esforo de toro na coluna de hastes o somatrio das seguintes parcelas:

Torque devido potncia hidrulica da bomba (Th) Torque devido ao atrito viscoso do lquido com a coluna de hastes (Tv) Torque devido ao atrito do rotor com o estator (Tb)

bvh TTT ++=

O torque hidrulico da bomba prov a energia para deslocar o fluido produzido da

presso de admisso da bomba at a presso de descarga da bomba. O torque hidrulico

40

diretamente proporcional ao deslocamento volumtrico da bomba e do diferencial de presso na

bomba. Pode ser calculado pela equao:

( ) ( )descadmdescadmTEORdescadmh PPPDCNPPQC

NPPQCT === ...

.)(.

onde: Th = torque hidrulico, N.m ou lbf.ft

Q = vazo da bomba, m3/d ou bbl/d

QTEOR = vazo terica de bombeio, m3/d ou bbl/d

PD = deslocamento volumtrico da bomba, (m3/d)/rpm ou (bbl/d)rpm

N = rotao da bomba, rpm

Padm = presso na admisso da bomba, kgf/cm2 ou psi

Pdesc = presso na descarga da bomba, kgf/cm2 ou psi

= rendimento da bomba (~95 %)

C = constante igual a 10,88 ou 8,97x10-2

O torque devido ao atrito viscoso do fluido com a coluna de hastes pode ser determinado

pela equao:

( )( )ht

hv dd

NhdCT =..3

onde:

dh = dimetro das hastes, mm ou pol

dt = dimetro da coluna de produo, mm ou pol

h = profundidade da bomba, m ou ft

= viscosidade do fluido, cp

N = velocidade de bombeio, RPM

C = 1,643x10-10 ou 2,381x10-8

Esta correlao aplicada tanto para fluxo laminar como para fluxo turbulento e no

necessita ser ajustada para a excentricidade da coluna de hastes na coluna de produo. Fluidos

com viscosidade abaixo de 1000cp resultam em reduzido incremento no torque das hastes,

podendo normalmente ser desprezado.

O torque devido ao atrito na bomba entre o rotor e o estator funo de vrios

parmetros como o comprimento da bomba, interferncia do rotor no elastmero, capacidade de

lubrificao da superfcie de contato rotor/estator pelo fluido produzido, entre outros. Testes em

bancada tm demonstrado que o torque devido ao atrito pouco influenciado pelo diferencial de

41

presso na bomba e pela velocidade de bombeio. Entretanto varia significativamente para

diferentes bombas. A melhor forma de estimar o valor do torque devido ao atrito na bomba

atravs do teste em bancada, medindo o torque total no eixo da bomba e diminuir o torque

hidrulico, facilmente calculado.

O torque a ser fornecido pela coluna de hastes para a bomba o somatrio do torque

devido potncia hidrulica da bomba (Th) e do torque devido ao atrito do rotor com o estator

(Tb). A potncia requerida pela bomba funo do torque a ser fornecido bomba e da

velocidade de bombeio e pode ser calculada por:

Potbomba = C.(Th+Tb).N

onde:

Potbomba = potncia requerida pela bomba, kW ou HP

Th = torque devido potncia hidrulica, N.m ou lbf.ft

Tb = torque devido ao atrito entre o rotor e o estator, N.m ou lbf.ft

N = velocidade de bombeio, rpm

C = 1,05x10-4 ou 1,91x10-4

4.2.3.3. Esforos devido flexo (F)

Em conseqncia da excentricidade da bomba e de desvios do poo, a coluna de hastes

efetua um movimento de translao no interior do tubo, provocando esforos de flexo na coluna

de hastes. O ponto mais crtico a conexo com a cabea de acionamento (eixo rgido), na

primeira haste e na haste polida, mais sujeitas ruptura por fadiga, devido alternncia dos

esforos a cada giro. O esforo devido flexo determinado em funo da flexo, dimetro e

comprimento da haste, alm da excentricidade da bomba.

Como este efeito mais pronunciado em poos direcionais e horizontais, no ser

considerado na determinao dos esforos na haste neste estudo.

42

4.2.3.4 - Esforos Combinados de Trao e Toro:

O esforo combinado de trao e toro na coluna de hastes pode ser calculado atravs da

seguinte equao:

622

242

21

)()( hh DC

DC

+=

onde:

esforo combinado nas hastes (MPa ou kpsi)

- carga axial nas hastes (trao) (N ou lbf)

esforo de toro nas hastes (torque) (N.m ou lbf.ft)

Dh dimetro das hastes (mm ou pol)

C1 igual a 16 no sistema mtrico ou 3,594x10-6 no sistema ingls.

C2 igual a 7,68x108 no sistema mtrico ou 0,1106 no sistema ingls.

Como as luvas so mais resistentes do que o corpo da haste, o dimensionamento deve

ser feito considerando o corpo da haste. Experimentos mostram que a principal componente que

influencia no dimensionamento das hastes o esforo de toro. Quando a carga de torque

reduzida observa-se uma maior influncia da carga axial (trao) nas hastes. Como neste estudo,

vrios autores no consideram a carga de flexo.

Diferentemente do Bombeio Mecnico onde as cargas na coluna de hastes so

cclicas, no Bombeio de Cavidades Progressivas as cargas so praticamente constantes. Como

conseqncia, neste caso os esforos podem se aproximar da tenso de escoamento do material,

sem grandes riscos de falhas. A exceo ocorre quando as hastes so utilizadas em poos

desviados ou horizontais. Tenses de escoamento mnimas para hastes grau C, K e D so 60 000,

70 000 e 100 000 psi.

No dimensionamento de instalaes de BCP comum adotar-se um fator de

segurana para as hastes de pelo menos 20% para eventuais aumentos de carga provocados por:

areia, inchamento do elastmero do estator e frico no instante da partida. Este fator de

segurana serve, tambm, para levar em considerao possveis redues de dimetro das hastes

devido a desgastes em pontos de contato com a coluna de produo.

43

Finalizando, de posse destes clculos, devem-se selecionar os equipamentos adequados a

resistirem aos esforos solicitados pelas condies do poo.

O software PC-Pump foi desenvolvido no Canad pelo C-FER (Centre for Frontier

Engineering Research), especificamente para verificao do dimensionamento de poos

equipados com BCP. Para um determinado conjunto de equipamentos especificados pelo

usurio, este software verifica o atendimento s condies requeridas pelo poo.

44

5. Aplicaes

O uso comercial do BCP como mtodo de elevao artificial de petrleo iniciou-se no

princpio da dcada de 80 para bombeamento de leo pesado em poos rasos e de baixas vazes.

Inicialmente, os equipamentos apresentaram uma srie de problemas, principalmente no estator,

tais como:

deformao da borracha por incompatibilidade com os fluidos produzidos; falta de aderncia parede do tubo; dilatao da borracha devido alta temperatura de operao;

Com a soluo destas dificuldades iniciais, o sistema demonstrou apresentar uma srie de

vantagens sobre outros mtodos de elevao artificial, incentivando um maior desenvolvimento

tecnolgico nesta rea. Atualmente, so fabricadas bombas para praticamente todas as condies

de vazo e presso, atendendo a amplas faixas do mercado. Com a evoluo dos elastmeros,

possvel bombear leo leve, com maiores teores de H2S e hidrocarbonetos aromticos, operando

a temperaturas mais elevadas.

Comparado com outros mtodos de elevao, para condies semelhantes, o BCP

apresenta as seguintes vantagens:

menor investimento inicial; rapidez e facilidade de instalao; manuteno mnima; pequenas dimenses dos equipamentos de superfcie; baixo consumo de energia; facilidade de ajuste para diversas vazes de produo.

5.1. Limitaes do BCP

Como qualquer equipamento, devem ser tomados cuidados com relao aos fatores que

podem provocar danos e perda de eficincia. Somente o perfeito conhecimento do sistema,

resultando em um projeto de dimensionamento adequado, associado a um monitoramento das

45

condies de operao, podem assegurar o sucesso na realizao de uma instalao,

proporcionando uma excelente continuidade operacional.

necessrio enfatizar ainda que, para obteno do perfeito diagnstico de eventuais

falhas, indispensvel que sejam inspecionados todos os equipamentos substitudos,

proporcionando a identificao e bloqueio das causas dos problemas.

5.1.1. Produo de areia

Pela prpria concepo do sistema, a camada de cromo do rotor possui resistncia

mecnica adequada para resistir abrasividade e o elastmero deforma-se temporariamente para

permitir a passagem de gros de areia. Portanto, o sistema BCP permite operar normalmente com

fluidos com areia. Entretanto, a combinao de fatores, tais como, altas vazes de lquido com

frao de gua elevado, associadas a elevadas rotaes da bomba e presena de fluidos

corrosivos - como gua salgada e H2S - podem agravar a presena de elevada quantidade de areia

no petrleo, provocando desgaste prematuro do rotor e do estator.

No caso da produo excessiva de areia causar problemas bomba, a recomendao

adotar os seguintes procedimentos:

instalar bomba de maior dimetro e limitar sua rotao, para reduzir o atrito; utilizar rotor com camada de cromo de maior espessura.

5.1.2. Produo de gs

Freqentemente, os poos de petrleo apresentam produo excessiva de gs. Neste caso,

o esperado seria que todo o gs fosse ventilado atravs do espao anular entre a coluna de

produo e o revestimento. Entretanto, uma parte do gs transita pela bomba, causando

acentuada perda de eficincia. O gs pode provocar a queima da bomba, por dificultar a

passagem de lquido, pode impedir a lubrificao e aumentar o atrito entre rotor e estator,

superaquecendo os equipamentos.

46

Para evitar problemas com o gs, o mais recomendvel o posicionamento da bomba

abaixo da base dos canhoneados, a denominada ncora natural, ou se isto no for possvel, a

instalao de um separador de gs na sua admisso.

5.1.3. Atrito entre a coluna de haste e a coluna de produo

Se os poos fossem perfeitamente verticais e no existisse a excentricidade do rotor, o

tracionamento devido ao peso prprio das hastes e ao da coluna de lquido transportada tenderia

a manter as hastes suficientemente afastadas da coluna de tubos. No entanto, devido aos desvios

comumente existentes nos poos perfurados e, o que mais grave, aos dog legs dos poos

direcionais, ocorrem preocupantes pontos de atrito entre as luvas das hastes e os tubos.

Trabalhando com elevadas rotaes e com produo de fluidos corrosivos como gua salgada, o

desgaste inevitvel, acarretando quebra de hastes e furos nos tubos, como pode ser visto na

Figura 19.

Figura 19 Atrito entre haste e tubo:

seqncia de desgaste at o aparecimento de um furo

De maneira a maximizar a vida til de hastes e tubos, em caso de poos com desvios

acentuados, podem ser adotadas as seguintes providncias:

instalao de centralizadores de hastes nos pontos crticos, onde a mudana de inclinao do poo mais acentuada (dog legs);

47

alterao dos pontos de contato entre hastes e tubos, atravs da adoo do reposicionamento peridico da bomba, que pode ser elevada em at 30 cm;

rotao peridica da coluna de tubos.

5.1.4. Baixa presso de admisso na subsuperfcie

Trabalhar com presso excessivamente baixa na admisso da bomba pode provocar o

denominado pump off (bombeamento a seco). Como conseqncia, pode causar danos ao estator,

conforme a seqncia abaixo:

1- falta de fluxo suficiente de lquido, por falta de abastecimento do poo (vazo da

bomba superior produo bruta do poo);

2- entrada de gs na bomba, por falta de lquido;

3- aumento do atrito entre o rotor e o estator, por falta de lubrificao;

4- aumento da temperatura da bomba;

5- queima do estator e parada de produo.

Trata-se de um problema extremamente grave, pois acarreta a perda do equipamento e a

conseqente paralisao da produo, que pode acontecer a qualquer momento da vida produtiva

do poo, devido variao das condies de reservatrio.

Entretanto, perfeitamente possvel evitar este problema atravs de procedimentos

adequados, que protegem e prolongam a vida til dos equipamentos:

monitoramento peridico da presso dinmica no fundo do poo; sempre que necessrio, ajuste da vazo da bomba produo do reservatrio, de

acordo com a presso dinmica de fundo;

em determinados casos, promover o redimensionamento da bomba, substituindo-a por uma de vazo adequada (menor) atravs de uma interveno preventiva.

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5.1.5. Excessiva contra-presso sobre a bomba

Cada bomba possui uma capacidade limitada de presso, em funo do nmero de

estgios, fornecendo uma presso de descarga conhecida e desejada. Devem ser respeitadas

sempre as limitaes do equipamento. A viscosidade do leo aumenta em proporo inversa

temperatura. Em particular, a viscosidade aumenta significativamente durante a noite,

provocando maior dificuldade de escoamento, devido ao crescimento das perdas de carga na

tubulao de superfcie.

Deve-se conhecer a presso mxima atingida e impedir o funcionamento da bomba alm

de sua capacidade, sob pena de danificar parcial ou totalmente o estator. Procedimentos para

evitar danos por excesso de presso sobre a BCP:

medio da presso de fluxo na superfcie (um ciclo completo de 24 h); determinao da presso mxima de trabalho; sobredimensionamento do poo levando em considerao a presso mxima; se necessrio, assegurar o desligamento da bomba nos perodos crticos.

5.1.6. Elevada temperatura de operao

Altas temperaturas podem ocorrer por diversas circunstncias:

em poos profundos, devido ao gradiente geotrmico (~1 C a cada 30 m); em poos submetidos injeo de vapor, empregada para reduzir a viscosidade do

leo;

no caso de circulao de leo quente, para remoo de parafina.

A exposio da bomba ao calor provoca uma expanso do elastmero, aumentando o

ajuste do rotor, podendo prend-lo. Temperaturas muito elevadas (acima de 100 C), podem

provocar queima do estator, levando a danos permanentes na bomba.

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Assim, vemos que necessrio conhecer a temperatura de operao e respeitar os limites

indicados pelos fabricantes. Para temperaturas muito elevadas, como em poos que sofrem efeito

de injeo de vapor, no indicado instalar BCP.

5.1.7. Reverso da rotao das hastes

Como citado anteriormente, a inverso do sentido de rotao da bomba provoca

desenroscamento da coluna de hastes. Existem dois momentos em que este risco especialmente

crtico:

ao instalar o motor - o sentido de rotao depende da ordem de ligao dos cabos eltricos trifsicos, por isto, necessrio realizar um teste antes de deixar os equipamentos em

funcionamento;

ao desligar o motor - durante a operao, uma grande quantidade de energia armazenada na coluna de hastes, devido ao torque. Ao cessar o movimento, esta energia

acumulada tende a ser devolvida em forma de reverso a altssima velocidade, colocando vidas

em risco e causando danos aos equipamentos.

Por segurana, para impedir a reverso, os cabeotes so dotados de freio anti-rotacional,

cujo funcionamento deve ser periodicamente aferido e assegurado.

5.1.8. Ataque qumico ao elastmero

O contato da bomba com determinadas substncias qumicas freqentemente presentes no

petrleo, tais como hidrocarbonetos aromticos (benzeno, xileno, tolueno), pode provocar o

inchamento do elastmero, aumentando a interferncia entre o rotor e o estator, o que tende a

elevar o torque na bomba at tranc-la, provocando danos irreversveis ao estator.

Caso no se conhea previamente a composio dos fluidos produzidos (pois varia de

acordo com a zona produtora) ou haja suspeita de ataque qumico, devem ser adotadas as

seguintes aes:

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1. Anlise qumica do petrleo produzido (teor de HC aromticos);

2. Anlise de compatibilidade dos fluidos produzidos (Teste da deformao de diversos

elastmeros com corpos de prova mergulhados em amostra de petrleo do poo -

inchamento);

3. Escolha do elastmero apropriado para trabalhar com os fluidos produzidos;

5.1.9. Vibrao excessiva da cabea de acionamento

Quando se opera com rotaes mais elevadas e principalmente com os cabeotes

verticais, pode ocorrer vibrao excessiva da cabea de acionamento. Com o tempo, pode

provocar a quebra da haste polida ou vazamentos. necessrio verificar a altura da cabea de

produo e as instalaes de superfcie. Se necessrio, instalar suporte do motor e reforar o

contraventamento das instalaes de superfcie.

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6. Concluso

Com base nos trabalhos publicados e em uma experincia consolidada pelas aplicaes

prticas de campo, podemos afirmar a respeito do BCP:

o nmero de poos operando por este mtodo cresceu uma vez que vem sendo utilizado em profundidades e produes cada vez maiores;

alm de trabalhar com fluidos viscosos, o mtodo vem sendo empregado com sucesso em poos com elevada frao de gua;

as bombas trabalham com fluidos contendo abrasivos, com melhores resultados que os demais mtodos bombeados. Neste caso, menores rotaes prolongam a vida til

dos equipamentos;

um dos pontos problemticos do sistema a coluna de hastes, que foram fabricadas originalmente para bombeio mecnico. Elas so submetidas a elevados esforos de

toro. As coluna de hastes ocas so mais adequadas para altos esforos de toro.

fundamental o acompanhamento dos poos, especialmente do nvel dinmico, para evitar falhas precoces do sistema, como a queima do elastmero que compe o

estator.

Para otimizar o desempenho dos poos e maximizar a vida til dos equipamentos

necessrio observar os seguintes aspectos:

Elaborar um projeto de dimensionamento do sistema adequado s condies de cada poo;

Monitorar contnua ou periodicamente as condies de operao, atravs das seguintes variveis: nvel dinmico e nvel esttico, presso na cabea do poo e

presso no revestimento, vazo de produo e composio qumica dos fluidos;

Promover, sempre que necessrio, os ajustes necessrios das condies operacionais do sistema atual capacidade de produo do poo;

Documentar e manter registros do histrico do poo, para que possam ser tomadas no futuro as melhores decises.

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7. Referncias Bibliogrficas

ASSMAN, Benno Waldemar: Bombeio de Cavidades Progressivas. Apostila Petrobras. 2005.

BROWN, Kermit E.: The technology of artificial methods - Volume 2- Introduction of artificial

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CARVALHO, Paulo C. G.: Gerenciamento do Bombeio de Cavidades Progressivas. Unicamp,

Dissertao de Mestrado, 1999.

CORRA, Jos Francisco S.: Bombeio de cavidades progressivas. Apostila Petrobras, 3

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DUNN, Lonnie and MATTHEWS, Cam P.: Progressing cavity pump systems: Design,

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FARIA, Rogrio Costa: Estudo experimental do gradiente de presso em tubulaes anulares

concntricas e excntricas com e sem rotao. Unicamp, Dissertao de Mestrado, 1995.

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Results and new developments. Paper SPE 88136, 1988.

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SAVETH, Kenneth J. and KLEIN, Steven T.: The progressing cavity pump: Principles and

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Documents

Apostila BCP