UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO CENTRO TECNOLGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

JONATHAN DA SILVA NUNES

ESTUDOS, MODELAGEM E SIMULAO DE INSTALAES DE PRODUO DE PETRLEO NO SIMULADOR PIPESIM COM NFASE NA OTIMIZAO DE GAS-LIFT CONTNUO

Vitria 2008

JONATHAN DA SILVA NUNES

ESTUDOS, MODELAGEM E SIMULAO DE INSTALAES DE PRODUO DE PETRLEO NO SIMULADOR PIPESIM COM NFASE NA OTIMIZAO DE GAS-LIFT CONTNUO

Projeto de Graduao apresentado ao Departamento de Engenharia Mecnica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, como requisito parcial para obteno do ttulo de Engenheiro Mecnico. Orientador: Prof. Dr. Joo Luiz Marcon Donatelli. Co-orientador: Dr. Oldrich Joel Romero.

Vitria 2008

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JONATHAN DA SILVA NUNES

ESTUDOS, MODELAGEM E SIMULAO DE INSTALAES DE PRODUO DE PETRLEO NO SIMULADOR PIPESIM COM NFASE NA OTIMIZAO DE GAS-LIFT CONTNUO

Projeto de graduao apresentado ao Departamento de Engenharia Mecnica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, com requisito parcial para obteno do ttulo de Engenheiro Mecnico.

Aprovado em 10/07/2008

Comisso Examinadora____________________________________________ Prof. Dr. Joo Luiz Marcon Donatelli - Orientador Universidade Federal do Esprito Santo ___________________________________________ Prof. Dr. Oldrich Joel Romero Co-orientador Universidade Federal do Esprito Santo ___________________________________________ Prof. Dr. Edson Jos Soares Universidade Federal do Esprito Santo __________________________________________ Prof. Dr. Juan Srgio Romero Saenz Universidade Federal do Esprito Santo

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Dedico este trabalho aos meus avs Leonor Duarte da Silva (in memorian), Expedito Moreira da Silva (in memorian), Sifrnio Pereira Nunes (in memorian) e Margarida Monteiro Carvalho Nunes (in memorian), que muito me ensinaram e contriburam para o que sou hoje.

v

AGRADECIMENTOSAgradeo primeiramente a Deus por sua infinita fidelidade comigo, ao conceder tudo o que me foi necessrio para a concluso deste curso de graduao.

Aos meus orientadores, Dr. Joo Luiz Marcon Donatelli e Dr. Oldrich Joel Romero, pela pacincia e dedicao a este trabalho.

Aos meus pais Joo Pereira Nunes e Maria de Ftima da Silva Nunes, pelo apoio em todos os momentos, desde a deciso de cursar engenharia mecnica, at concluso do meu curso.

minha namorada Leiliane da Silva, que muito me apoiou nos momentos difceis, dando-me fora para continuar.

Ao amigo Juarez Maral pelo apoio e correo ortogrfica do projeto. Valeu por acreditar em mim.

Aos parentes e amigos que oraram por mim e prestaram opoio durante esta caminhada.

ANP Agncia Nacional do Petrleo pelo suporte financeiro atravs da bolsa de pesquisa do programa PRH-29. Esta foi fundamental para o desenvolvimento do projeto.

Schlumberger pela concesso da licena do software Pipesim.

Ao Marcus Rossi da Schlumberger pela ajuda com o software.

vi

Espera

no

Senhor,

anima-te

e

ele

fortalecer o teu corao; espera, pois, no Senhor. Salmos 27:14

vii

RESUMOEste trabalho apresenta a utilizao de um simulador computacional comercial, o Pipesim da Schlumberger, para o desenvolvimento de modelagens e simulaes de instalaes de produo de petrleo equipadas com elevao artificial por gas-lift contnuo. A instalao modelada composta por um poo nico produzindo um nico reservatrio de petrleo, isto , uma nica regio de canhoneados, localizado na plataforma continental (produo on-shore). Uma extensa reviso bibliogrfica sobre mtodos artificiais de elevao, com nfase em gas-lift contnuo, foi conduzida neste trabalho antes da definio do problema a ser tratado e do domnio do software utilizado. Como suporte realizao desta pesquisa, foi necessrio realizar um amplo estudo sobre engenharia de instalaes de produo de petrleo bem como sobre simuladores de processo, tanto os aplicados indstria do petrleo, quanto os aplicados s indstrias de potncia e qumica. Atravs do software utilizado (Pipesim) foram determinados parmetros

operacionais e de projeto timos de um sistema de gas-lift contnuo, tais como: a presso tima do gs de injeo, a vazo tima de injeo de gs na coluna de produo, o mnimo diferencial de presso de abertura da vlvula operadora e a posio tima de alocao da vlvula operadora na coluna de produo. Outras aplicaes foram desenvolvidas atravs do software a fim de analisar a influncia de outros parmetros na produo de hidrocarbonetos, tais como: a razo gs-leo (RGO), a percentagem de gua produzida (WaterCut), o grau API do leo produzido e a presso esttica do reservatrio (Pe).

Palavras-chave: Gas-lift contnuo. Simuladores de processo. Elevao artificial. Petrleo.

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ABSTRACTThis research sets out to examine the use of a commercial computer simulator, the Pipesim of Schlumberger for the development of modeling, and simulations of petroleum production facilities equipped with continuous gas-lift. The production facilities consist of a single well and a single reservoir located on the continental shelf. An extensive literature review about artificial lift methods was conducted before the definition of the problem and the software practice, emphasizing continuous gas-lift. As a support, it was necessary an extensive review about petroleum production facilities, as well as petroleum industry computer simulator, chemical computer simulator and power industry computer simulator. It was obtained through the Pipesim software the optimum operations and design parameters of a gas-lift system, such as injection gas surface pressure, injection gas rate, minimum valve injection drop pressure and the optimum valve position in the tubing. Other applications were developed through the software in order to analyze other parameters and their influence on petroleum production, such as gas-oil rate (GOR), watercut, API degree and the static reservoir pressure.

Keywords: Continuous gas-lift. Process simulators. Artificial lift. Petroleum.

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LISTA DE FIGURASFigura 1.1 Ttulo Distribuio de utilizao dos mtodos artificiais de elevao no mundo...................................................................................................18 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Exemplo de tela de trabalho no simulador IPSEpro.............................35 Exemplo de tela de trabalho no simulador GATECYCLE.....................37 Exemplo de tela de trabalho no simulador Aspen Plus.........................38 Exemplo de tela de trabalho no simulador PIPEPHASE......................40 Tela de trabalho no simulador OLGA2000............................................43 Simulao de um reservatrio realizada no simulador Eclipse.............44 Ambiente de trabalho no simulador Pipesim.........................................47 Caracterizao de um modelo black oil no Pipesim...........................47 Caracterizao de um modelo Composicional no Pipesim...................48 Ambiente de trabalho no Pipesim mostrando um envelope de fases traado........................................................................................49 3.11 3.12 4.1 Tela de trabalho mostrando relatrios de produo.............................50 Tela de trabalho mostrando a utilizao da anlise de redes...............50 Diagrama de fases dos fluidos presentes em um reservatrio de petrleo.................................................................................................53 4.2 4.3 Curva de IPR para reservatrios saturados modelo linear................59 Curva de IPR para reservatrios subsaturados modelo de Vogel................................................................................................60 4.4 4.5 4.6 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Oposio de solicitaes no fundo do poo..........................................62 Padres de fluxo vertical multifsico.....................................................63 Padres de fluxo horizontal multifsico.................................................65 Esquema de um poo operando por surgncia....................................67 Esquema de um poo equipado com BCS...........................................68 Esquema de um poo operando com Bombeio Mecnico...................70 Esquema de um poo equipado com BCP...........................................71 Esquema de poos operando com GLC e GLI.....................................73 Desenho esquemtico de um sistema de elevao por injeo contnua de gs....................................................................................75 Pgina

x

Figura 5.7

Ttulo

Pgina

Etapas bsicas para a partida de um poo equipado com gas-lift contnuo................................................................................................76

5.8

Tpica curva de desempenho de elevao para um poo operando via injeo contnua de gs..................................................................78

5.9 5.10 6.1 6.2

Vlvulas de gas-lift contnuo...............................................................81 Vlvulas de gas-lift..............................................................................82 Esquema simplificado de um poo de produo de petrleo...............84 Janela inicial mostrando a modelagem do problema a ser simulado com o software Pipesim........................................................................85

6.3 6.4 6.5

Abertura de uma nova tela de trabalho no Pipesim..............................89 Tela em branco para incio de uma modelagem...................................90 Ambiente de simulao com os elementos interconectados, mostrando a localizao do tubing e do reservatrio na barra de ferramentas..........................................................................................91

6.6

Ambiente de simulao com os elementos interconectados, mostrando a localizao do cone de anlise nodal e do n que representa a cabea do poo...............................................................92

6.7

Menu de entrada utilizado para caracterizar os dados do fluido......................................................................................................93

6.8

Janela para entrada de dados de caracterizao dos fluidos produzidos............................................................................................94

6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15

Dados das Propriedades do black oil.................................................94 Dados de viscosidade do fluido produzido...........................................95 Dados de calibrao PVT.....................................................................95 Caracterizao da profundidade do poo.............................................96 Caracterizao da profundidade do poo.............................................97 Caracterizao do gradiente geotrmico atuante.................................97 Caracterizao dos diferentes dimetros presentes na coluna de produo...............................................................................................98

6.16 6.17

Instalao do sistema de gas-lift no tubing..................................... 99 Tela mostrando a localizao da opo de anlise nodal na barra de ferramentas....................................................................................100

xi

Figura 6.18 6.19

Ttulo

Pgina

Tela para entrada de dados no mdulo Nodal Analysis...................101 Tela para entrada de dados no mdulo Artificial Lift Performance......................................................................................102

6.20

Localizao do mdulo Lift Gas Response Curves na barra de ferramentas do Pipesim......................................................................103

6.21

Tela para entrada de dados do mdulo Lift Gas Response Curves................................................................................................104

7.1

Grfico mostrando as curvas IPR e TPR do sistema simulado..............................................................................................106

7.2

Curvas IPR e TPR simuladas considerando-se escoamento monofsico..........................................................................................107

7.3

Grfico mostrando vrias curvas IPR simuladas a partir de diferentes presses de reservatrio...................................................108

7.4

Grfico mostrando a influncia da vazo de injeo de gs na produo de hidrocarbonetos.............................................................109

7.5

Anlise de sensibilidade entre presso de reservatrio e vazo de injeo de gs.....................................................................................111

7.6

Anlise de sensibilidade entre RGO e vazo de injeo de gs......................................................................................................113

7.7

Grfico mostrando a influncia da percentagem de gua na produo de hidrocarbonetos.............................................................113

7.8

Grfico mostrando a influncia do grau API na produo de hidrocarbonetos..................................................................................114

7.9

Grfico mostrando a influncia do DP na produo dos hidrocarbonetos..................................................................................116

7.10

Grfico mostrando a influncia da presso do gs de injeo na produo dos hidrocarbonetos...........................................................117

xii

LISTA DE TABELASTabela 3.1 Ttulo Informaes tcnicas e comerciais sobre simuladores de processo..............................................................................................31 4.1 4.2 4.3 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 7.1 Intervalo de valores dos parmetros black oil. .................................54 Propriedades dos fluidos e correlaes PVT.......................................55 Correlaes de fluxo vertical multifsico.............56 Dados do modelo black oil................................................................86 Propriedades do ponto de bolha..........................................................86 Dados do ponto de bolha.....................................................................86 Correlaes PVT utilizadas..................................................................87 Dados do poo.....................................................................................87 Gradiente geotrmico..........................................................................88 Dados da coluna de produo.............................................................88 Dados do reservatrio..........................................................................88 Valores obtidos da anlise de diferencial de presso de abertura da vlvula operadora.........................................................................117 7.2 7.3 Valores obtidos da anlise de presso do gs de injeo.................118 Parmetros timos de operao do sistema de gas-lift contnuo.............................................................................................118 Pgina

xiii

LISTA DE SMBOLOSSmbolo BCS BM BCP GLC GLI CAPE CPES CHESS MIT PC OLE GCO GNL PSE MDK HRSG PVT Bo API IPR AOFPqPe Psat

Descrio Bombeio centrfugo submerso Bombeio mecnico Bombeio por cavidades progressivas gas-lift contnuo gas-lift intermitente Computer aided process engineering Chemical process evolution system Chemical engineering simulation system Massachusetts Institute of Technology Personal computer Object linking and embedding Global CAPE-OPEN Gs natural liquefeito Process simulation environment Model development kit Heat recovery steam gererator Presso, temperatura e presso Fator volume de formao do leo American Petroleum Institute Inflow performance relationship Absolute open flow potential Vazo de produo Presso esttica do reservatrio Presso de saturao do leo Presso de fluxo no fundo do poo Tubing pressure requirement ndice de produtividade Injection pressure operated valves Production pressure operated valves Unidade de processamento de gs natural

Pwf

TPR IP IPO PPO UPGN

xiv

Ab AVPv PV 0

rea do fole (bellow) rea do orifcio da vlvula Presso de gs no espao anular, na profundidade da vlvula Presso de gs no espao anular, na profundidade da vlvula com a mesma aberta

Pvc

Presso de gs no espao anular, na profundidade da vlvula com a mesma fechada

Pbt

Presso de gs no fole na temperatura da profundidade de assentamento da vlvula

Pt

Presso na coluna de produo na profundidade da vlvula Relao entre as reas de orifcio da vlvula e do fole (Av /Ab) Razo gs-leo True Vertical Depth Measured Depth Stock tank barrel (Barris por dia em condies padro) Milhes de ps cbicos Standard por dia Mnimo diferencial de presso para abertura da vlvula operadora

R

RGO TVD MD stb mmscf/d DP

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SUMRIOAGRADECIMENTOS ................................................................................................ v RESUMO................................................................................................................. vii ABSTRACT............................................................................................................ viii LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ ix LISTA DE TABELAS .............................................................................................. xii LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................... xiii CAPTULO 1 INTRODUO............................................................................... 17 CAPTULO 2 REVISO BIBLIOGRFICA.......................................................... 20 CAPTULO 3 SIMULADORES DE PROCESSO ................................................. 23 3.1 INTRODUO SIMULAO DE PROCESSOS ................................... 23 Definio............................................................................................ 23 Breve Histrico da Evoluo da Simulao de Processos................. 24 Importncia da Simulao de Processos........................................... 27 Vantagens e Limitaes do Uso de Simuladores de Processos ........ 27

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2

ARQUITETURA BSICA DOS SIMULADORES DE PROCESSO ........... 28 Tipos de Simuladores Existentes (Classificao) .............................. 28

3.2.1 3.3 3.4

SIMULADORES COMERCIAIS EXISTENTES ......................................... 31 SIMULADORES APLICADOS S INDSTRIAS DE POTNCIA E

QUMICA. ............................................................................................................ 34 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 IPSEpro ............................................................................................. 34 GATECYCLE ..................................................................................... 35 ASPEN PLUS .................................................................................... 37

SIMULADORES APLICADOS INDSTRIA DE PETRLEO E GS..... 39 PIPEPHASE....................................................................................... 39 OLGA2000 ......................................................................................... 40 ECLIPSE............................................................................................ 42

3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.6

O SIMULADOR COMPUTACIONAL PIPESIM ......................................... 45

CAPTULO 4 ESCOAMENTO MULTIFSICO NA PRODUO DE PETRLEO...51 4.1 MISTURAS MULTIFSICAS COM MULTICOMPONENTES ................... 51

xvi

4.2 4.3 4.3

TIPOS DE RESERVATRIOS DE PETRLEO ....................................... 52 FLUXO NO MEIO POROSO..................................................................... 57 FLUXO NA COLUNA DE PRODUO..................................................... 61 Padres de Fluxo Vertical Multifsico ................................................ 62

4.3.1 4.4

FLUXO NA SUPERFCIE.......................................................................... 64

CAPTULO 5 MTODOS DE ELEVAO DE PETRLEO................................ 66 5.1 5.2 ELEVAO NATURAL OU SURGNCIA ................................................ 66 MTODOS ARTIFICIAIS DE ELEVAO ................................................ 67 Bombeio Centrfugo Submerso.......................................................... 68 Bombeio Mecnico ............................................................................ 69 Bombeio por Cavidades Progressivas ............................................... 70

5.2.1 5.2.1 5.2.2 5.3

GAS-LIFT ............................................................................................... 71 Tipos de Gas-Lift ............................................................................. 72 Sistema de Gas-Lift Contnuo.......................................................... 74 Partida de um Poo Equipado com Gas-Lift Contnuo .................... 75 Descrio do Funcionamento em Regime Permanente..................... 77 Vantagens e Limitaes do Gas-Lift Contnuo ................................ 78 Vlvulas de Gas-Lift ........................................................................ 80

5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6

CAPTULO 6 DESCRIO E MODELAGEM DO PROBLEMA NO AMBIENTE DO PIPESIM.................................................................................................................. 83 6.1 6.2 6.3 6.4 DESCRIO DO PROBLEMA ................................................................. 83 DESCRIO DOS DADOS UTILIZADOS ................................................ 85 MODELAGEM DO PROBLEMA NO AMBIENTE DO PIPESIM ................ 89 OBTENO DOS RESULTADOS NO SIMULADOR ............................... 99

CAPTULO 7 RESULTADOS E DISCUSSES................................................. 105 7.1 7.2 7.3 ANLISE DE SURGNCIA..................................................................... 105 ANLISE DE INJEO DE GS ............................................................ 109 PARMETROS TIMOS PARA O SISTEMA DE GAS-LIFT

CONTNUO........................................................................................................ 115 CAPTULO 8 CONSIDERAES FINAIS E SUGESTES .............................. 119 CAPTULO 9 REFERNCIAS ........................................................................... 122

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CAPTULO 1 INTRODUO

Com a crescente demanda mundial por energia e a importncia do petrleo na matriz energtica mundial, cada vez mais necessrio aumentar a disponibilidade de petrleo no mercado mundial. Como a descoberta de novas reservas no acompanha o aumento na demanda, cada vez mais as indstrias petrolferas investem em meios de recuperar a maior quantidade possvel de hidrocarbonetos de um determinado reservatrio. Normalmente, no incio da vida produtiva de um poo de explotao de petrleo, o mesmo possui energia suficiente para elevar os fluidos da formao at as instalaes de processamento. Mas com o aumento da produo acumulada, a energia do reservatrio naturalmente comea a decrescer, o que ao longo do tempo, faz com que a vazo de produo obtida no seja mais economicamente vivel. Muitos so os mtodos utilizados para suplementar a energia de um reservatrio, o que permite um maior aproveitamento de uma determinada jazida de petrleo, aumentando-se assim a oferta de petrleo no mercado. Quando um reservatrio necessita de energia suplementar para elevar os fluidos at a superfcie, dentre outros mtodos pode-se utilizar um Mtodo Artificial de elevao. O mtodo artificial de elevao normalmente utilizado de forma combinada com outras prticas de manuteno do nvel de energia do reservatrio. Na indstria do petrleo existem diferentes mtodos artificiais de elevao que podem ser utilizados, cada um aplicvel a uma realidade diferente bem como s caractersticas do campo produtor. Os mtodos artificiais de elevao mais utilizados so: Bombeio Centrfugo Submerso (BCS), Bombeio Mecnico (BM), Bombeio por Cavidades Progressivas (BCP) e o gas-lift Contnuo e Intermitente (GLC e GLI). A Figura 1.1, mostra a distribuio de utilizao destes mtodos de elevao no mundo.

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GLC (2%)

BM (87%)

Figura 1.1 - Distribuio de utilizao dos mtodos artificiais de elevao no mundo Fonte: Nascimento (2005).

O grfico da Figura 1.1 mostra que o mtodo mais utilizado no mundo o bombeio mecnico (87% dos poos no mundo so equipados com esta tcnica), que tambm o mais antigo e utilizado somente em poos localizados em terra. Com o desenvolvimento da tecnologia, novos mtodos foram desenvolvidos, os quais so aplicados onde o bombeio mecnico no traz bons resultados, ou no se aplica, por exemplo, em poos off-shore (poos de produo no mar). A necessidade de se conhecer estes mtodos de elevao e de produzir uma bibliografia especfica sobre o assunto motivou o desenvolvimento deste trabalho, onde um destes mtodos, o gas-lift contnuo, estudado, modelado e simulado computacionalmente com o auxlio de um simulador comercial. Apresenta-se neste trabalho um amplo estudo sobre este assunto, no qual consta extensa reviso bibliogrfica da literatura existente bem como a utilizao de um simulador comercial para o estudo e otimizao de sistemas de elevao artificial de petrleo pelo mtodo do gas-lift contnuo.

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As modelagens e simulaes computacionais foram desenvolvidas utilizando-se o simulador Pipesim da Schlumberger, o que possibilitou a otimizao do processo de injeo contnua de gs em um poo de produo de petrleo em terra (on-shore). Desta forma, no foi necessrio desenvolver uma modelagem prpria para o clculo do escoamento multifsico que ocorre neste tipo de instalao. Aps uma introduo ao assunto tratado neste trabalho, apresenta-se uma reviso bibliogrfica, na qual so apresentadas e discutidas referncias bibliogrficas que abordam engenharia de instalaes de produo de petrleo, o uso de simuladores de processo, projeto e otimizao de sistemas trmicos e a utilizao de alguns dos mtodos artificiais de elevao mais utilizados, com nfase no mtodo de gas-lift contnuo. A tecnologia dos simuladores de processo mereceu um captulo a parte. Sendo apresentadas vrias caractersticas destas ferramentas computacionais bem como sua utilizao em projetos de sistemas trmicos, projetos na indstria qumica e principalmente na indstria do petrleo, com nfase na modelagem e simulao do escoamento multifsico que ocorre na coluna de produo. A seguir, apresentada uma reviso terica sobre os padres de escoamento multifsico encontrados nas instalaes de produo de petrleo e nos reservatrios de petrleo bem como a classificao dos reservatrios. Tambm apresentada uma descrio sobre os principais mtodos de elevao artificial utilizados na indstria petrolfera e uma reviso detalhada sobre o mtodo de injeo contnua de gs. O problema proposto neste trabalho consta de uma instalao de produo de petrleo on-shore composta por um poo nico produzindo um reservatrio, ou seja, uma nica regio de canhoneados. Atravs do software foram realizadas simulaes que permitiram obter os parmetros de operao e de projeto timos do sistema de gas-lift contnuo bem como dados que possibilitaram verificar a influncia de outros parmetros na produo do reservatrio. Os resultados obtidos so apresentados e discutidos no Captulo 7, seguido dos comentrios, concluses e sugestes para trabalhos futuros no ltimo captulo.

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CAPTULO 2 REVISO BIBLIOGRFICA

O desenvolvimento de poderosas ferramentas computacionais para a simulao de instalaes de produo de petrleo tem crescido muito nas ltimas dcadas, o que permitiu s indstrias petrolferas melhorarem seus processos de explorao e explotao de hidrocarbonetos bem como aumentar a eficincia no transporte por tubulaes. Na dcada de 70, a indstria petrolfera tinha a sua disposio ferramentas de simulao de fluxo multifsico baseadas em correlaes empricas. Estas correlaes tambm eram utilizadas para determinar o comportamento do fluxo multifsico em tubulaes j existentes quando sujeitas mudana nas vazes de produo. Estes softwares desempenhavam bem o seu papel quando as correlaes eram utilizadas em condies de operao para as quais haviam sido desenvolvidas. Nas dcadas seguintes os simuladores ganharam mais confiabilidade quando estes passaram a ser desenvolvidos com base nas equaes de massa, momentum e energia e ainda mais com o desenvolvimento de ferramentas de simulao em regime transiente, o que permitiu realizar o projeto de novas linhas de tubulaes bem como analisar o escoamento de fluxos multifsicos e multicomponentes (gua, leo e gs) em regime transiente, Heskestad (2005). Existe hoje no mercado vrios simuladores de processo comerciais aplicados a diferentes ramos da indstria, tais como: Indstria petrolfera, petroqumica, qumica, siderrgica, gerao de potncia entre outras. possvel encontrar nos sites dos fabricantes desses simuladores muitas informaes a respeito dos simuladores e a aplicabilidade de cada um deles. Muitas ferramentas de simulao tm sido desenvolvidas, no apenas por grandes empresas como a ScandPower, Schlumberger, Simsci-Esscor ou GE, mas tambm como resultados de projetos de pesquisa. No Brasil, Nascimento (2005) desenvolveu uma ferramenta para simulao de poos operando com bombeio mecnico. Vidal (2005) desenvolveu uma ferramenta computacional para a simulao de poos que

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operam com elevao artificial por bombeio por cavidades progressivas. Moura (2004) mostra o desenvolvimento de um simulador computacional para poos que operam por gas-lift contnuo. Outros trabalhos tambm tm sido realizados, no desenvolvendo ferramentas computacionais, mas utilizando simuladores comerciais, dentre os quais podem ser citados o trabalho desenvolvido por Oliveira (2003) utilizando o simulador Pipesim e o trabalho realizado por Heskestad (2005), utilizando o software OLGA2000. No que diz respeito ao projeto, modelagem e otimizao de sistemas trmicos, h na literatura uma grande quantidade de livros que tratam deste assunto, dentre os quais podem ser citados os trabalhos de Bejan, Tsatsaronis e Moran (1996), Dargan e Perz (1998), Hodge e Taylor (1998), Jaluria (1998), Stoecker (1989) e Suryanarayana e Arici (2003). Os mesmos tm sido utilizados como referncia em trabalhos que apresentam estudos de anlise exergoeconmica, termoeconmica, projeto e otimizao de sistemas trmicos, o que pode ser visto em Donatelli (2002). No Brasil, no que tange a assuntos relacionados engenharia de petrleo, uma referncia bsica e fundamental o livro editado por Thomas (2004) que traz uma abordagem completa sobre engenharia de instalaes de produo de petrleo, ou seja, uma descrio geral sobre todas as etapas de gerao e prospeco do petrleo, perfurao e completao de poos, anlises de reservatrios, aplicao de mtodos artificiais de elevao, anlise das formaes produtoras e instalaes de processamento primrio. Em Rosa et al. (2006) encontra-se uma descrio completa sobre engenharia de reservatrios de petrleo. Neste livro encontrada uma detalhada abordagem sobre vrios tpicos relacionados aos reservatrios, tais como: classificao, mecanismos de produo, balano de materiais, fluidos de petrleo entre outros. No que diz respeito s propriedades dos fluidos de petrleo, McCain (1990) traz uma abordagem bem detalhada. Este livro conta tambm com tpicos relacionados engenharia de reservatrios. Com relao ao mtodo de gas-lift contnuo, Spndola (2003), Plucnio (2003), Oliveira (2003), Nascimento (2005), Moura (2004) e Vidal (2005) trazem uma

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descrio completa sobre este mtodo artificial de elevao, tanto o aspecto tcnico, quanto o aspecto econmico associado implantao destes sistemas. Thomas (2004) tambm traz informaes sobre este assunto, mas de forma geral.

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CAPTULO 3 SIMULADORES DE PROCESSO3.1 INTRODUO SIMULAO DE PROCESSOS

Nas ltimas dcadas, a simulao de processos cada vez mais utilizada nas indstrias qumicas, petroqumicas e nas empresas de projeto de equipamentos, principalmente no que diz respeito ao projeto de novas unidades de produo, estudos de ampliao de capacidade de processamento, avaliao de unidades existentes e na concepo e avaliao de novas tecnologias. A simulao tambm muito de utilizada e para fazer anlises requeridas trmicas, para o

dimensionamento,

anlise

custos

otimizaes

desenvolvimento do projeto de um sistema trmico. Os avanos na computao tm impulsionado uma nova onda de aplicaes da simulao de processos o que tem permitido melhorar os processos j existentes bem como, conceber novos projetos de maneira eficaz a custos reduzidos. A tecnologia tambm conhecida genericamente como CAPE (Computer Aided Process Engineering) est conquistando novas fronteiras que extrapolam o projeto de processos, tais como sua aplicao para otimizao em tempo real, predio de propriedades on-line e interao com ferramentas de suporte tomada de decises.

3.1.1 Definio

Suryanarayana (2003) define simulao como a predio de uma ou mais variveis de um componente ou sistema sob diferentes condies de operao. Nascimento (2005) diz que a simulao computacional um processo de experimentos em sistemas ou fenmenos fsicos, realizados atravs de modelos matematicamente computadorizados, os quais representam caractersticas observadas em sistemas reais. Pode-se perceber ento que as definies dadas pelos autores so correlatas.

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Atravs da simulao computacional possvel analisar diferentes tipos de sistemas, o que possibilita: Analisar a implantao de novas tecnologias sem a necessidade da construo fsica; Conhecer melhor e dominar as vrias etapas de um determinado processo; Melhorar o desempenho de um sistema; Obter informaes do processo em tempo real sem precisar parar a operao da planta; Treinamento de operadores; Outras aplicaes.

3.1.2 Breve Histrico da Evoluo da Simulao de Processos

A tecnologia de simulao de processos, que pode ser descrita brevemente como a reproduo em computador do comportamento de uma unidade de processos, teve seus marcos iniciais na dcada de 50. Os primeiros desenvolvimentos tiveram escopo bastante limitado, restrito modelagem de equipamentos mais simples (como trocadores de calor) simulados de forma individual, ou seja, desconectados de um fluxograma completo. Coube, na poca, a empresas integradas como a DuPoint o desenvolvimento das aplicaes iniciais de CAPE, como foi o caso do CPES (Chemical Process Evolution System) escrito em linguagem FORTRAN. Este sistema e outros como o FlowTran (originalmente desenvolvido pela Monsanto) eram executados em computadores mainframe como os IBM 1620, 7090 e 7094.1. Na dcada de 60, com o aprimoramento de tais programas e surgimento de outros, iniciou-se a discusso acadmica sobre o desenvolvimento de um aplicativo flexvel de simulao, chegando-se ento aos primeiros simuladores modulares de estado estacionrio que podiam ser executados de forma robusta. Os testes de simuladores em problemas industriais reais, no entanto, apresentaram muitos fracassos neste estgio inicial de desenvolvimento.

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Em 1968, os Drs. Rudy Motard e Ernest Henley concluram na Universidade de Houston o desenvolvimento da primeira verso do CHESS (Chemical Engineering Simulation System), a partir de um financiamento da Marinha norte-americana. Na mesma poca o Departamento de Energia dos EUA financiou o desenvolvimento de um outro simulador de processos no MIT (Massachusetts Institute of Technology). Este simulador daria origem nos anos seguintes a dois produtos comerciais de simulao, um dos quais incorporou o cdigo FlowTran. Aos poucos empresas especializadas em simulao (normalmente formadas a partir das universidades norte-americanas) tomaram o lugar da indstria na dianteira do desenvolvimento. Na dcada de 70, cresceu a aceitao da tecnologia e muitos clientes que compravam novas plantas qumicas (como plantas de amnia) passaram a exigir que o produto fosse simulado durante o seu projeto. Foi um perodo de amadurecimento dos produtos comerciais (que s chegariam com fora total ao mercado no incio da dcada seguinte), baseado em avanos na modelagem termodinmica e melhores mtodos numricos para soluo das equaes. Em 1983, o simulador CHESS (renomeado para MicroCHESS) tornou-se um dos primeiros simuladores a poder ser executado em um PC (Personal Computer). Logo seria seguido pelos demais e, at meados da dcada, os simuladores j faziam parte do desktop dos engenheiros de processo. Um dos principais avanos neste perodo, alm dos algoritmos computacionais, foi a interface grfica com o usurio, disponibilizando-se, por exemplo, bibliotecas de operaes unitrias a partir das quais os fluxogramas podiam ser elaborados. Nos anos 90, aprimorou-se a interface grfica dos produtos e iniciou-se o grande impulso para a integrao dos aplicativos de CAPE com outras ferramentas computacionais como: planilhas de clculo, softwares de desenho de engenharia e editores de texto, entre outros. Os simuladores adentraram a Era Windows e incorporaram a automao OLE (Object Linking and Embedding) s suas funcionalidades. Alm disso, foram lanados mdulos especficos para simulao dinmica de processos e clculos de redes de escoamento. Tais avanos pavimentaram o caminho para aplicaes at ento no-convencionais de tecnologia de simulao.

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O padro tecnolgico em desenvolvimento, o GCO (Global CAPE-OPEN), que permitir a integrao de simuladores de diferentes fabricantes e o clculo de propriedades fsico-qumicas de substncias puras e misturas a partir da estrutura tridimensional das molculas via mecnica estatstica so algumas das tendncias da simulao de processos no sculo XXI. Segundo Heskestad (2005), na dcada de 70, as empresas de petrleo e gs costumavam aplicar correlaes empricas nas ferramentas de simulao de fluxo multifsico que eram usadas para o projeto de novas tubulaes. As correlaes empricas tambm eram usadas para determinar o comportamento do fluxo nas tubulaes em face de possveis mudanas nas taxas de produo. Os softwares desempenhavam bem o seu papel enquanto eram utilizados em tubulaes que mantinham seu projeto original ou em condies de operao para as quais as correlaes empricas foram desenvolvidas. Com o passar do tempo, mais simuladores de fluxo confiveis foram desenvolvidos, mas agora, tendo como base as equaes de conservao da massa, momentum e energia para leo e gs. Estes foram utilizados para simular escoamento em regime permanente sob quaisquer condies. Entretanto, no foram suficientes para o projeto confivel de novas linhas de tubulaes ou para antecipar o comportamento transiente nas linhas existentes. A soluo apresentada pelas indstrias de petrleo foi a introduo de simuladores de fluxo multifsico em regime transiente, que permitiu grandes avanos no estudo do escoamento dos hidrocarbonetos (leo, gs e gua). O prximo passo tende ao desenvolvimento de simuladores que permitem a simulao de quatro fases, onde a quarta fase seriam os hidratos. Mas antes da introduo desta nova tecnologia, os simuladores multifsicos j existentes oferecem uma demanda muito grande de avaliao/aplicao.

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3.1.3 Importncia da Simulao de Processos

Grande

parte

dos

eventos

fsicos,

os

quais

podem

ser

simulados

computacionalmente, no mundo real, consomem muito tempo para se realizar, s vezes dias, meses ou at anos. Em um computador a simulao destes eventos pode ser realizada em poucos minutos, o que permite diminuir o tempo na fase de anlise do projeto. Com o advento da simulao computacional, anlises que antes s poderiam ser feitas atravs de tabelas e nmeros, hoje so feitas de forma visual atravs da interface grfica que existe nos simuladores, o que permite entender melhor o processo e consequentemente obter melhores resultados. Sem os simuladores de processo, os engenheiros e cientistas precisariam recorrer a clculos matemticos e probabilsticos complicados, que muitas vezes possuem muitas simplificaes e aproximaes que podem levar os resultados obtidos para longe dos valores corretos, conforme Nascimento (2005).

3.1.4 Vantagens e Limitaes do Uso de Simuladores de Processos

Nascimento (2005) relaciona algumas vantagens e limitaes do uso da simulao de processos. Dentre as vantagens citadas anteriormente, pode ser acrescentado:

A realizao de experincias em curto intervalo de tempo; A fcil demonstrao do processo.

Dentre as principais limitaes, cita-se:

Uma simulao no pode dar resultados precisos quando os dados de entrada forem imprecisos; A simulao no pode dar respostas fceis para problemas complexos; A simulao no pode solucionar problemas por si s.

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O termo usado na literatura para a impreciso de dados de sada pelo fato de os dados de entrada serem imprecisos garbage in, garbage out (lixo entrando, lixo saindo), o que mostra que para a obteno de bons resultados em uma simulao, no basta ter uma poderosa ferramenta computacional, mas tambm saber como utilizar os dados disponveis e que os mesmos sejam compatveis com o modelo que est por trs do simulador. Jaluria (1998) diz que se o modelo uma boa representao do sistema sob considerao, os dados de sada caracterizaro o comportamento do sistema em anlise, mas se os dados de entrada no forem bem utilizados, de nada adiantar a boa modelagem feita.

3.2

ARQUITETURA BSICA DOS SIMULADORES DE PROCESSO

Os simuladores de processo so programas computacionais projetados para oferecer ao usurio, normalmente um engenheiro, um ambiente adequado para a modelagem de processos e sistemas trmicos. Desta forma, essa modelagem torna-se uma tarefa rpida e fcil para o engenheiro, propiciando economia de tempo e dinheiro. Concluda a modelagem, possvel efetuar a simulao do sistema ou processo, que fornece o balano de massa, energia e exergia bem como valores para as variveis especficas includas nos modelos usados. Neste trabalho a simulao requisitada pelo procedimento de injeo contnua de gs em um poo equipado com o mtodo de elevao de petrleo gas-lift, mas vrias outras aplicaes dos simuladores tambm so possveis.

3.2.1 Tipos de Simuladores Existentes (Classificao)

Stoecker (1989) e Jaluria (1998) classificam os tipos de simuladores atravs de alguns parmetros, dentre eles pode-se citar: Sistema contnuo ou discreto; Anlise determinstica ou estocstica (probabilstica);

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Sistema em regime permanente ou em regime transiente.

O modelo contnuo est relacionado com o fluxo constante de material, por exemplo, o fluxo de gases quentes e energia trmica. J o modelo discreto, foca em itens individuais tratados como um nmero certo de inteiros, por exemplo, a anlise do fluxo de pessoas em um supermercado. O modelo pode tambm ser classificado quanto maneira como a entrada de dados ser realizada. Nos modelos determinsticos, as variveis de entrada so precisamente especificadas, portanto, estes modelos predizem o comportamento do sistema com certeza enquanto que os modelos estocsticos (probabilsticos), normalmente utilizam distribuies de probabilidade para determinar as variveis de entrada, portanto, atravs destes modelos, estudam-se as influncias probabilsticas que cercam um determinado sistema. O sistema modelado, tambm pode ser classificado quanto ao regime de operao. Se as propriedades e as variveis de operao no variam com o tempo, o sistema dito estar em regime permanente, mas se a dependncia do tempo includa, o sistema dito estar em regime transiente. Como visto no item 3.1.2, os simuladores de processo sofreram uma evoluo ao longo do tempo. No incio, era comum o desenvolvimento de modelagens especficas, s vezes muito detalhadas e precisas considerando o sistema trmico como um todo. Mas atualmente, o que parece uma tendncia clara, a utilizao de uma estrutura modular. Assim, desenvolveram-se modelos para descrever o fenmeno fsico e s vezes o comportamento econmico, para os equipamentos e processos. Do desenvolvimento de ferramentas para a simulao, projeto e otimizao de sistemas ou processos mais flexveis, isto , passveis de serem aplicadas a diferentes sistemas, surgiram os simuladores de processo com estrutura modular. Donatelli (2002) diz que trs tipos de abordagens podem ser claramente utilizadas na construo destas ferramentas, isto , modular seqencial, modular orientada a projeto e modular orientada a equaes.

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Modular Seqencial:

Na abordagem modular seqencial a estrutura do

programa modular e as variveis interagidas so variveis de fluxo de recirculao. Nessa abordagem vrias suposies so feitas para a obteno da soluo do problema. So elas: 1. As variveis associadas aos componentes, isto , as variveis de projeto, devem sempre ser definidas e no devem ser tratadas como incgnitas. A mesma suposio feita para variveis associadas com os fluxos que entram no processo. 2. O fluxo de informaes no modelo matemtico deve coincidir com os fluxos fsicos da planta. Essa suposio possibilita agrupar as variveis em sub-vetores associados com o fluxo fsico e selecionar para cada funo uma varivel associada com o fluxo de sada deixando o componente.

Essa abordagem apropriada para a simulao de sistemas e processos. Entretanto, as suposies feitas tornam o seu uso inadequado para o projeto e otimizao de sistemas e processos.

Modular orientado a projeto:

A estrutura do programa modular e as variveis

interagidas so variveis de fluxo de recirculao e variveis de projeto no especificadas. Atravs da estrutura modular orientada a projeto, possvel, com limitaes, aplic-la ao projeto e otimizao de sistemas trmicos.

Modular orientado a equaes:

Nesta abordagem, apesar da sistemtica de

soluo no ser modular, que o critrio de classificao usado em Bejan, Tsatsaronis e Moran (1996), aqui considera-se a estrutura como sendo modular, visto que cada componente usado na configurao do sistema, modelado separadamente. No entanto, a modelagem do sistema trmico como um todo, realizada atravs da seleo e interligao adequada dos componentes (mdulos), produz um grande sistema de equaes algbricas no lineares. Na soluo desse sistema de equaes as iteraes so feitas simultaneamente sobre todas as incgnitas. Desta forma, tem-se total liberdade na definio das incgnitas, o que torna essa abordagem mais apropriada para projeto e otimizao de sistemas trmicos.

31

3.3

SIMULADORES COMERCIAIS EXISTENTES

Existe no mercado uma vasta gama de simuladores para diferentes aplicaes. A Tabela 3.1 relaciona alguns desses softwares bem como algumas de suas aplicaes:Tabela 3.1 - Informaes tcnicas e comerciais sobre simuladores de processo.software / Fabricante Classificao Principais Aplicaes Observaes

PIPESIM /SCHLUMBERGER

Regime Permanente

- Simulao de poos; - Anlise nodal; - Otimizao de elevao artificial; - Modelagem de tubulaes e instalaes de processo; - Planejamento do campo exploratrio. - Projeto de novas instalaes de tubulaes; - Possibilidade de reformulao da grande variedade de sistemas existentes.

uma poderosa ferramenta para simulao de instalaes de produo de petrleo. Possui interface com os simuladores ECLIPSE, da prpria Schlumberger e com o HYSYS da AspenTech. Resolve facilmente os problemas de sistemas que envolvem redes com lquidos monofsicos ou multifsicos em velocidades elevadas ou no fluxo crtico. O software utiliza um modelo rigoroso e a tecnologia de reconciliao de dados para calcular parmetros de desempenho validados. O ARPM pode ser aplicado para o monitoramento do desempenho de plantas de processamento de leo e gs, refinarias, petroqumicas e indstrias qumicas.

INPLANT/SIMSCI-ESSCOR

Regime Permanente

ARPM /SIMSCI-ESSCOR

Regime Transiente

- Diagnstico das causas para queda no desempenho da planta; - Antecipa necessidade de execuo de manuteno; - Determina impacto econmico no caso de queda no desempenho da planta, processo ou equipamento; - Identifica falhas na instrumentao.

DYNSIM /SIMSCI-ESSCOR

Regime Transiente

- Reduo de carga e alvio de coluna de destilao; - Estudos de partida de compressores; - Anlise de despressurizao; - Sistema de controle de vapor em Refinarias; - Anlise de Sistemas de Flare.

Possui interface com o simulador OLGA2000 da ScandPower.

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Tabela 3.1 - Informaes tcnicas e comerciais sobre simuladores de processo (continuao). Atravs do OLGA2000 possvel obter: a deteco de vazamentos, a anlise da passagem do PIG por uma tubulao, perfis de temperatura e presso nas tubulaes, monitoramento da formao de hidratos, indicao do regime de fluxo, etc.

OLGA2000 /SCANDPOWER

Regime Transiente

- Estudos de aplicabilidade; - Projeto de processos; - Projeto conceitual; - Projeto de sistemas de controle; - Planejamento de operaes; - Treinamento de operadores.

OLGA2000 /SCANDPOWER Combinado com

Regime Transiente

Idem ao anterior para respostas em tempo real.

Idem ao anterior para respostas em tempo real.

APIS /PREDIKTOR

ECLIPSE /SCHLUMBERGER

Sem Informao

- Anlise de reservatrios utilizando modelos de escoamento trifsico em meio poroso (leo, gua e gs); - Considera quatro fases, onde a quarta fase um fluido utilizado para ajudar na recuperao de hidrocarbonetos; - Anlise do comportamento composicional dos fluidos do reservatrio em relao a vrios parmetros; - Anlises trmicas do reservatrio.

Possui interface com vrios simuladores dentre eles cita-se: PVTi, SCAL, COUGAR e SimOpt, todos da Schlumberger.

OFM /SCHLUMBERGER

Sem Informao

- software de anlise de reservatrio utilizado para controlar a produo e planejar a explorao da jazida.

O OFM permite que as curvas de tendncia de produo, curvas de bolha (bubble plotting) e anlise das curvas de declnio sejam controladas em nico ambiente de trabalho.

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Tabela 3.1 - Informaes tcnicas e comerciais sobre simuladores de processo (continuao). - Modela rigorosamente o fluxo multifsico em redes de leo e gs e em sistemas de tubulaes; - Tubulaes de distribuio e transmisso de gs natural; - Estudos da gerncia e planejamento dos recursos do campo produtor; - Anlise de gas-lift; - Anlise da transferncia de calor em tubulaes contendo leo pesado; - Anlise de formao de hidratos em tubulaes. - Projeto de plantas de gerao de potncia tanto a vapor quanto a gs; - Projeto de plantas de ciclo combinado; - Projeto de sistemas de cogerao; - Projeto de Retrofitting. - Simulao, projeto, anlise de desempenho, otimizao e planejamento econmico de indstrias qumicas, petroqumicas e indstrias de materiais. - Suprimento de energia (plantas convencionais e combinadas de gerao de potncia); - Modelagem de equipamentos (turbina a gs, turbina a vapor); - Outros processos industriais (processo de refrigerao, processo de destilao); - Energia alternativa (produo energia solar, processamento de biomassa). O PIPEPHASE cobre uma grande quantidade de fluidos encontrados na indstria de petrleo, incluindo os monofsicos e os black oil bem como misturas de diversas composies. Pode ser aplicado tambm a redes de injeo de vapor ou CO2. Possui interface com os simuladores ROMeo e ARPM da prpria SIMSCIESSCOR. Este software possui uma extensa biblioteca de equipamentos para projeto de uma planta de potncia, mas tambm permite o projeto componente por componente para um determinado equipamento. Possui interface com o MSExcel.

PIPEPHASE /SIMSCI-ESSCOR

Regime Permanente

GATECYCLE /GE

Sem Informao

ASPEN PLUS /ASPENTECH

Regime Permanente

Possui estrutura modular orientada a equaes.

IPSEpro /SIMTECH

Regime Permanente

Possui interface com o MSExcel

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Tabela 3.1 - Informaes tcnicas e comerciais sobre simuladores de processo (continuao). - Simulao de perfurao de poos; - Simulao da produo de hidrocarbonetos; - Simulao de redes de coleta; - Simulao de plantas de gs e GNL; - Simulao de plantas de processamento de leo pesado. possvel utilizar este software tanto para projeto de equipamentos (em regime permanente), quanto para anlise de produo (regime transiente). Possui estrutura modular orientada a projeto.

HYSYS /ASPENTECH

Regime Permanente ou Regime Transiente

3.4

SIMULADORES APLICADOS S INDSTRIAS DE POTNCIA E QUMICA

3.4.1 IPSEpro

O IPSEpro um programa computacional que oferece um ambiente flexvel para a simulao de processos e sistemas trmicos, em regime permanente, o qual proporciona facilidades para a criao de modelos dos componentes, para o estabelecimento de modelos de equipamentos ou de uma planta de potncia completa e para a soluo destes modelos, Dargam e Perz (1998). O ambiente IPSEpro dividido em dois mdulos principais, que so o mdulo de simulao de processo (PSE Process Simulation Environment) e o mdulo destinado ao desenvolvimento de modelos dos componentes (MDK Model Development Kit) e um mdulo de integrao (PSExcel) para uma troca de dados dinmica com o MS-Excel.

Algumas das reas onde o IPSEpro utilizado so: Suprimento de energia (plantas convencionais e combinadas de gerao de potncia); Modelagem de equipamentos (turbina a gs, turbina a vapor); Outros processos industriais (processo de refrigerao, processo de destilao e dessalinizao);

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Energia alternativa (produo de energia solar, processamento de biomassa).

A Figura 3.1 mostra uma tela de trabalho no simulador IPSEpro.

Figura 3.1 - Exemplo de tela de trabalho no simulador IPSEpro.

3.4.2 GATECYCLE

Com o software GateCycle, possvel analisar o desempenho em condies de projeto e fora das condies de projeto de plantas de ciclo combinado, caldeiras que utilizam combustveis fsseis, sistemas de cogerao, ciclos avanados de turbinas a gs e muitos outros sistemas de energia. O referido software encontra-se em desenvolvimento, pela General Electric Power Systems, desde 1981 e muito utilizado para o projeto e simulao de plantas de potncia.

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O GateCycle pode ser usado para avaliaes rpidas, projeto, engenharia detalhada, retrofitting e testes de aceitao de plantas de gerao de potncia. O software GateCycle uma ferramenta poderosa para projeto e anlise tanto de plantas de potncia a gs quanto a vapor bem como plantas de ciclo combinado. Para modelar uma turbina a gs, possvel selecionar da biblioteca de turbinas a gs ou construir componente por componente a turbina desejada. No segundo caso pode-se construir a turbina com seus componentes bsicos: compressor, cmara de combusto e carretis expansores (expander spools). Assim, pode-se facilmente modelar e analisar: intercooler, reaquecedor, armazenamento de ar comprimido e turbinas em cascata. Para o lado vapor, colocado disposio do usurio um conjunto completo de cones de componentes, o que permite modelar precisamente a caldeira de recuperao de calor HRSG (heat recovery steam gererator) considerando a possibilidade de mltiplos nveis de presso, sees paralelas e perdas de presso. possvel criar modelos da planta com diversas turbinas a gs e HRSGs em diferentes configuraes. O software ainda possui a ferramenta CycleLink, que permite ao usurio analisar dados do programa no MS-Excel. A Figura 3.2 mostra uma tela de trabalho no simulador GateCycle.

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Figura 3.2 - Exemplo de tela de trabalho no simulador GateCycle.

3.4.3 ASPEN PLUS

O software Aspen Plus resolve grande parte dos problemas crticos de engenharia juntamente com os problemas operacionais que aparecem durante todo o ciclo de vida de um processo qumico, tal como o projeto de um novo processo, a pesquisa de defeitos de uma unidade de processo ou a otimizao das operaes de um processo completo tal como os de uma planta de cido acrlico. As potencialidades deste simulador de processos permitem aos engenheiros predizer o comportamento de um processo usando relaes bsicas de engenharia tais como balanos de massa e energia, equilbrio de fase e qumico e cintica das reaes. O Aspen Plus possui interface grfica que permite ao usurio visualizar todas as etapas do processo que est sendo montado bem como todos os dados de entrada que esto sendo inseridos pelo usurio, o que permite uma melhor compreenso do processo que est sendo projetado.

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O programa dispe de um grande nmero de modelos de propriedades fsicas, dados e mtodos de estimativa que cobrem grande parte dos processos de comportamento simples e ideal bem como os processos com misturas no ideais. O software faz tambm uma anlise de convergncia que analisa automaticamente e sugere cortes timos no fluxo, mtodos de convergncia do flowsheet e a seqncia de soluo para a maior parte dos flowsheets com mltiplos fluxos e recirculao de dados. O Aspen Plus capaz de fazer uma anlise de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os grficos que mostram como o desempenho do processo varia com mudanas feitas nas especificaes do equipamento e nas condies de operao selecionadas. Atravs das especificaes de projeto, o programa calcula condies de operao ou parmetros de equipamentos para encontrar o desempenho desejado. O software pode ainda determinar as condies de operao que maximizaro qualquer funo objetivo especificada, incluindo a taxa de produo do processo, o uso de energia, pureza dos fluxos, a economicidade do processo e promover um ajuste do modelo do processo aos dados reais da planta para assegurar uma representao exata, validando a planta real. A Figura 3.3 mostra uma das telas de trabalho no Aspen Plus.

Figura 3.3 - Exemplo de tela de trabalho no simulador Aspen Plus.

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3.5

SIMULADORES APLICADOS INDSTRIA DE PETRLEO E GS

3.5.1 PIPEPHASE

O PIPEPHASE modela rigorosamente o fluxo multifsico em regime permanente em redes de petrleo e gs e em sistemas de tubulaes. uma poderosa ferramenta, flexvel o suficiente para modelar as aplicaes que variam desde anlises de sensibilidade de parmetros chave em um poo simples at o planejamento em longo prazo de instalaes para um campo inteiro. O software cobre uma escala completa dos lquidos encontrados na indstria do petrleo, incluindo os monofsicos, o black oil ou volumtrico (onde admite-se que cada uma das fases - gua/leo/gs - eventualmente presentes seja constituda de um nico componente, ou seja, considera-se que a fase leo formada por um nico componente denominado simplesmente de leo, embora se saiba que o leo composto de diversos hidrocarbonetos), Rosa et al. (2006). O programa capaz tambm de fazer simulaes considerando misturas em diferentes composies bem como anlise de redes de injeo de vapor ou CO2. O programa possui um conjunto completo de mtodos empricos e tericos, que so padres na indstria, para analisar o escoamento multifsico em dutos. Juntamente com uma grande quantidade de modelos de fluidos, um rigoroso balano de energia e com uma detalhada anlise de transferncia de calor, o PIPEPHASE uma ferramenta flexvel para avaliao de fluxos monofsicos e multifsicos, modelagem de redes de poos conectados, tubulaes e instalaes associadas. A depleo do reservatrio tambm pode ser analisada neste simulador, o que pode ser feito atravs de curvas de declnio, enquanto que, as condies de operao da instalao podem ser mudadas com o tempo para que se possa refletir sobre a estratgia de desenvolvimento do campo. A Figura 3.4 mostra uma das telas de trabalho no simulador PIPEPHASE.

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Figura 3.4 - Exemplo de tela de trabalho no simulador PIPEPHASE.

3.5.2 OLGA2000

O simulador OLGA2000 um programa sofisticado de simulao dinmica, que com preciso modela escoamentos multifsicos em poos, tubulaes e instalaes de processo. Solues em regime permanente do o gradiente de presso do oleoduto e a vazo lquida a uma taxa de fluxo constante, mas no cobre as caractersticas do escoamento dinmico importantes e as instabilidades vistas durante a operao. Para avaliar ambientes de produo como na partida, parada, descargas, mudanas de taxa e pigging, utiliza-se um simulador multifsico em regime transiente. A produo eficiente envolve o transporte multifsico de leo, gs e gua do reservatrio, por poos e tubulaes, para as instalaes de processo. O OLGA2000

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modela o fluxo de produo usando simulaes complexas que predizem o comportamento do escoamento. A Interface grfica permite um eficiente fluxo de trabalho, pois d fcil acesso ao usurio visualizar e traar seus projetos em configuraes 2D/3D. O software pode ser usado em estudos de viabilidade, estudos conceituais e projetos detalhados, essenciais para definir procedimentos operacionais e esquemas de controle.

Exemplos de aplicao:

Transiente termohidrulico durante a partida e parada; Projeto timo para mximo envelope operacional; Processo e projeto de sistema de controle; Segurana do fluxo, pesquisa de hidratos, parafinas, corroso, emulso, escalas e areia; Inventrio lquido durante pigging e mudanas de taxa de produo.

Sistemas de escoamentos que podem ser modelados

leo e fluxo de gs natural; Gs mido e linha de fluxos de condensado; Fluxo nos poos; Linhas de fluxo da fase densa; Linha de fluxo de fase nica de gs ou lquido; Experincias de laboratrio.

Simulaes transientes identificam instabilidades e problemas de escoamento, dando um melhor entendimento do desempenho global do poo, possibilitando uma maior recuperao total. A utilizao de uma ferramenta de anlise transiente tornase mais valiosa nas seguintes fases:

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No planejamento, anlise e projeto de caractersticas cruciais

Elevao de gs; Escoamentos; Clculos trmicos, anlise de formao de hidratos e parafinas; Acumulao de gua, corroso e seleo de material; Controle da curva de elevao para ambos os tipos de escoamentos permanente e transiente.

Na Fase de Operao

Previso de problemas de escoamentos e instabilidades, lista de dificuldades e aes corretivas apropriadas; Previso da carga de lquido; Listagem de dificuldade operacional; Procedimentos operacionais (partida e fechamento de poo); Otimizao da elevao artificial.

A Figura 3.5 mostra uma tela de trabalho no simulador OLGA2000.

3.5.3 ECLIPSE

O simulador Eclipse uma poderosa ferramenta computacional para a anlise de reservatrios de petrleo. Permite a modelagem dos fluidos do reservatrio sob diferentes condies, o que torna os resultados mais reais. O programa oferece dois modelos diferentes para a anlise dos fluidos do reservatrio. Um deles o black oil, que consiste em modelar os hidrocarbonetos como uma mistura de trs componentes (leo, gua e gs) em trs fases (lquido gs e gs em soluo), podendo estes componentes ser miscveis em diversas propores. Este modelo utilizado quando as reservas de leo e a quantidade de leo recupervel necessitam ser determinadas, mas a influncia da composio das fases no comportamento do fluxo no considerada.

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Figura 3.5 - Tela de trabalho no simulador OLGA2000.

Atravs deste software possvel tambm a simulao de sistemas com mais de quatro componentes, onde este quarto componente pode vir da injeo de fluidos que sejam miscveis aos hidrocarbonetos do reservatrio. O modelo composicional do ECLIPSE til quando uma equao de estado requerida para descrever o comportamento fluido da fase do reservatrio ou as mudanas composicionais associadas com a profundidade. Este modelo a escolha correta para estudar condensados, leos muito volteis, programas da injeo do gs e estudos secundrios da recuperao. O conhecimento do comportamento composicional requerido tambm para o exato planejamento e projeto das instalaes de produo de superfcie.

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Por causa das densidades, das elevadas viscosidades e da fsica complicada envolvida quando mudanas macias ocorrem na temperatura do reservatrio e na energia calorfica, mtodos trmicos avanados de recuperao so requeridos tipicamente para o leo pesado, extra-pesado e reservatrios de betume, diante desses fatores, o Eclipse oferece tambm um mdulo para simulao trmica do reservatrio. A simulao trmica feita pelo Eclipse, utiliza uma hierarquia implcita e multinvel para gerar um modelo de fluxos cruzados (crossflow) do poo para um maior realismo da simulao. Isto permite a anlise do leo, do gs, da gua e dos comportamentos dos slidos (til com reaes qumicas), assim como modelos de leo morto ou leo vivo. O simulador ECLIPSE modela o fluxo do vapor e dos lquidos, o fluxo da gua quente ou fria, combusto in situ e qualquer outro fenmeno trmico, incluindo leos espumosos. A Figura 3.6 mostra uma simulao em 3D realizada no Eclipse.

Figura 3.6 - Simulao de um reservatrio realizada no simulador Eclipse.

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3.6

O SIMULADOR COMPUTACIONAL PIPESIM

O Pipesim uma ferramenta computacional para anlise de sistemas de produo de leo e gs em regime permanente. O software possui mdulos individuais que podem ser usados para uma larga escala de aplicaes, incluindo: modelagem de poos, anlise nodal, otimizao da elevao artificial, modelagem de instalaes de produo e de tubulaes bem como planejamento de explorao de um campo produtor. Oliveira (2003) diz que estes mdulos permitem as seguintes opes de anlise para um sistema de produo:

Sistema de Perfis de Temperatura e Presso (System Temperature and Pressure Profiles) Permite que o perfil de presso e temperatura seja determinado ao longo de todo o sistema. Ambos os perfis so gerados n a n; Anlise do Sistema (System Analysis) Este mdulo permite uma anlise operacional, na qual o usurio pode variar as condies de operao do sistema, caso a caso, de acordo com a anlise de sensibilidade; Anlise Nodal (Nodal Analysis) O Pipesim foi concebido como uma ferramenta de anlise nodal, em vez de apenas fornecer solues para um nico ponto dos problemas individuais de fluxo, o modelo permite ao usurio realizar estudos de sensibilidade e gerar curvas de desempenho do sistema. Tais tcnicas de anlises grficas do sistema so essenciais em modelagem de desempenho de poos e otimizao de sistemas complexos de dutos; Comparao entre Correlaes de Fluxo (Flow Correlation Matching) Mdulo utilizado para determinar as corretas correlaes a serem utilizadas atravs da comparao com dados PVT; Interface com Dados de Simuladores de Reservatrios (Reservoir Tables) Permite ao usurio gerar curvas com dados de entrada provenientes de um simulador de reservatrios. Estes dados suprem o simulador com as

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informaes necessrias para definir a presso no fundo do poo, na coluna de produo e na cabea do poo como funo da vazo, razo gs/leo, razo gua/lquido (watercut), presso na superfcie e vazo de injeo de gas-lift, onde aplicvel; Comprimento timo para Completao Horizontal (Optimum Horizontal Completion Length) Permite ao usurio determinar o comprimento econmico de produo de uma completao horizontal; Desempenho de Elevao Artificial (Artificial Lift Performance) Permite ao usurio realizar anlises de desempenho do sistema quando este encontra-se equipado com mtodos artificiais de elevao. O Pipesim permite a modelagem de instalaes equipadas com sistemas de GLC e BCS.

O Pipesim possui um mdulo destinado especialmente para a modelagem de desempenho de elevao artificial (Artificial Lift). Esta opo permite ao usurio analisar os efeitos da aplicao de um sistema de elevao artificial. possvel modelar sistemas que operam por: bombeio mecnico, bombeio centrfugo submerso e o gas-lift contnuo. Assim como no Eclipse, o Pipesim possui dois modelos para a caracterizao dos fluidos. Um destes modelos o black oil e o outro o Composicional. Para o modelo black oil, correlaes empricas precisam ser utilizadas para determinar os parmetros que no podem ser obtidos por meio de medio fsica. Para isto, faz-se o uso dos parmetros que podem se obtidos atravs de anlises PVT. Estes dados devem ser utilizados para ajustar as curvas das correlaes empricas, o que permitir uma correta seleo das correlaes que melhor representam o sistema. A Figura 3.7 mostra o ambiente de trabalho no simulador Pipesim.

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Figura 3.7 - Ambiente de trabalho no simulador Pipesim.

A Figura 3.8 mostra como feita a caracterizao dos fluidos atravs do modelo black oil.

Figura 3.8 - Caracterizao de um modelo black oil no Pipesim.

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A Figura 3.9 mostra como feita a caracterizao dos fluidos de petrleo atravs da modelagem Composicional, onde a frao dos componentes do fluido modelado so os dados de entrada.

Figura 3.9 - Caracterizao de um modelo Composicional no Pipesim.

Mdulos avanados

O Pipesim possui mdulos avanados de simulao que so: Network, Well Performance Analysis e o Pipeline and Facilities.

Mdulo de Anlise de Redes (Network) Atravs deste mdulo possvel modelar redes complexas que podem incluir vrios poos de coleta, distribuio ou injeo de fluidos no reservatrio;

Mdulo de Anlise de Desempenho de poos (Well Performance Analysis) Este mdulo usado para analisar o desempenho de sistemas compostos por um nico poo;

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Mdulo de Anlise de Tubulaes e Instalaes de Superfcie (Pipeline and Facilities) Atravs deste mdulo so realizadas modelagens para anlise de sistemas de injeo de gs (gas-lift), bombeio centrfugo submerso e bombeio mecnico, o que permite otimizar a aplicao de cada mtodo de elevao.

A Figura 3.10 mostra uma tela de trabalho no Pipesim onde um envelope de fases foi traado.

Figura 3.10 - Ambiente de trabalho no Pipesim mostrando um envelope de fases traado.

A Figura 3.11 mostra uma tela de trabalho onde dados foram gerados atravs de uma simulao.

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Figura 3.11 - Tela de trabalho mostrando dados gerados em uma simulao.

A Figura 3.12 mostra a utilizao do mdulo de anlise de redes.

Figura 3.12 - Tela de trabalho mostrando a utilizao da anlise de redes.

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CAPTULO 4 ESCOAMENTO MULTIFSICO NA PRODUO DE PETRLEO4.1 MISTURAS MULTIFSICAS COM MULTICOMPONENTES

Normalmente esperado que os fluidos produzidos de um reservatrio de petrleo apresentem-se sob a forma de uma mistura multifsica, composta na maioria das vezes por leo, gs e gua e, ocasionalmente, certa quantidade de areia tambm pode vir a ser produzida. Ao longo do caminho percorrido por esses fluidos desde o reservatrio at as instalaes de produo, no s, depsitos orgnicos, tais como, parafinas e hidratos de gs podem se formar, mas tambm, depsitos inorgnicos, como incrustaes de sulfato de brio, Oliveira (2003). Os fluidos de petrleo so compostos orgnicos de carbono e hidrognio, podendo apresentar tomos de enxofre, nitrognio e oxignio. A composio qumica destes fluidos depende de vrios fatores, entre eles da profundidade do reservatrio e das caractersticas da bacia sedimentar que os contm. Se as cadeias moleculares existentes forem pequenas, os fluidos se apresentaro sob uma forma gasosa, caso as cadeias sejam grandes, um leo mais pesado e viscoso se apresenta. O estado em que o petrleo se apresenta na formao depende da composio qumica do mesmo bem como das caractersticas de presso e temperatura do reservatrio, podendo ento ser encontrado no estado monofsico (leo com todo gs dissolvido na fase lquida) ou bifsico (leo e gs livre), Oliveira (2003). Na indstria do petrleo, no se faz uma rigorosa distino entre fase e componente, pois em uma mistura de leo (fase lquida), gs (fase gasosa) e gua (fase lquida), diz-se estar diante de uma mistura multifsica, apesar de que, na realidade, tem-se uma mistura bifsica de multicomponentes.

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4.2

TIPOS DE RESERVATRIOS DE PETRLEO

Rosa et al. (2006) diz que os reservatrios de petrleo podem ser classificados quanto aos fluidos neles contidos. Dessa forma pode-se dizer que existem reservatrios de lquido, tambm chamados de reservatrios de leo, reservatrios de gs e reservatrios com as duas fases em equilbrio. De maneira geral, as acumulaes podem ser separadas em reservatrios de leo ou reservatrios de gs, o que vai depender se a temperatura for maior ou menor do que a temperatura crtica da mistura. Quando os hidrocarbonetos presentes na acumulao encontram-se no estado gasoso, diz-se ter um reservatrio de gs, mas quando esses hidrocarbonetos apresentam-se na fase lquida ou numa mistura bifsica de gs e lquido, diz-se ter um reservatrio de leo. De acordo com a reduo do volume do lquido em decorrncia da liberao do gs associado ao mesmo, causada pela passagem do fluido das condies de reservatrio para as condies de superfcie, o leo pode ser classificado em leo de baixa contrao e leo de alta contrao. A contrao se deve basicamente liberao das fraes mais leves (geralmente o etano, o metano, o propano, etc), de onde se conclui que misturas com grandes percentuais de fraes leves apresentam alta contrao, enquanto que misturas que apresentam percentuais pequenos, sofrem menor contrao. Os hidrocarbonetos mais leves so chamados tambm de mais volteis, logo, leos de alta contrao, tambm so chamados de leos volteis, Rosa et al. (2006). O comportamento de um reservatrio, no que tange s caractersticas dos fluidos nele contido, pode ser descrito, de forma aproximada, atravs de um diagrama de fases (P x T) para um sistema de vrios componentes, sendo P a presso e T a temperatura. A Figura 4.1 mostra um diagrama de fases dos fluidos presentes em um reservatrio de petrleo. Na figura, o termo bubble point refere-se ao ponto de bolha, isto o ponto onde a primeira bolha de gs comea a aparecer; e dew-point ao ponto de orvalho, onde a ltima bolha de gs passa para a fase lquida.

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Figura 4.1 - Diagrama de fases dos fluidos presentes em um reservatrio de petrleo. Fonte: Oliveira (2003)

Segundo Rosa et al. (2006) e McCain (1990), de acordo com o diagrama de fases de um sistema multicomponente e as condies de presso e temperatura, cinco tipos de fluidos podem ser encontrados nos reservatrios, o que permite classificlos em:

Reservatrio de leo do tipo black oil; Reservatrio de leo voltil; Reservatrio de gs seco; Reservatrio de gs mido; Reservatrio de gs condensado retrgrado (o termo retrgrado usado devido ao fenmeno de vaporizao, quando de uma expanso isotrmica, ao invs de uma condensao).

O ponto crtico (PC) representa o ponto que separa a curvas de ponto de bolha (bubble point) e ponto de orvalho (dew point) e passa a ser definido como o ponto onde as propriedades do gs e do lquido tornam-se idnticas.

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Aquelas misturas que no se classificam nem como de alta contrao nem como de baixa contrao recebem o nome de leo normal ou black oil. Oliveira (2003) diz que tais leos so caracterizados por possurem um grau de encolhimento pequeno, grau API menor que 45, razo gs-leo (RGO) inicial inferior a 400 m/m e fator volume formao (Bo) inferior a 2 m/m. Na abordagem numrica chama-se de modelagem black oil aquela que pode ser assumida uma composio constante para o leo durante sua vida produtora. A abordagem black oil largamente utilizada na prtica e a grande maioria dos estudos de simulaes de reservatrio e de escoamento adotam esta modelagem simplificada. Nesse tratamento para determinao das propriedades das misturas, os componentes so traduzidos por propriedades intrnsecas, dependentes do estado termodinmico ocorrente, em combinao com formulaes relacionais que traduzem o grau de mistura existente entre tais componentes e suas conseqncias na determinao das propriedades da mistura. Oliveira (2003) apresenta uma tabela que relaciona algumas faixas de valores correspondentes aos principais parmetros utilizados para caracterizar um leo do tipo black oil.

Tabela 4.1 - Intervalo de valores dos parmetros black oil.

ParmetrosDensidade API Razo Gs-leo Produzido (RGO) Densidade do Gs Produzido (gt) Razo gua-leo Produzido (RAO) Fonte: Oliveira (2003)

Intervalos25,7 a 55,9 API 261 a 46139 scf / Std 0,618 a 0,931 0 a 0,153 Std / Std

Quando outros parmetros precisam ser usados para a modelagem do escoamento de leo do tipo black oil, faz-se o uso de correlaes empricas para a determinao dos mesmos. A Tabela 4.2 lista, a ttulo de exemplificar, o conjunto completo de propriedades requeridas numa caracterizao do tipo black oil, a denominao e os smbolos utilizados para tais propriedades e ainda, as correlaes mais largamente utilizadas na determinao de algumas dessas propriedades, Oliveira (2003).

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Tabela 4.2 - Propriedades dos fluidos e correlaes PVT. Propriedade Fator volume de formao do leo Fator volume de formao do gs Fator volume formao da gua Solubilidade do gs no leo Solubilidade do gs na gua Fator de compressibilidade do gs Viscosidade do gs Viscosidade do leo Viscosidade do lquido Viscosidade da gua Densidade do gs dissolvido Densidade do gs produzido Densidade da gua Densidade do leo Massa especfica do lquido Tenso interfacial gs-leo Tenso interfacial gs-gua Tenso interfacial gs-lquido Presso crtica do gs Temperatura crtica do gs Grau API do leo Razo gs-lquido de produo Razo gua-lquido de produo Presso de saturao do leo Compressibilidade do leo Densidade do gs livre Fonte: Oliveira (2003). Smbolo Bo Bg Bw Rs Rsw Z Mtodo / Correlao Standing e Vazquez-Beggs Z Gould Lasater, Standing e Vazquez-Beggs Katz Hall-Yarborough Lee et al. Beggs-Robinson e Vazquez-Beggs Equao Van Wingen Katz Valor fornecido Valor fornecido Equao API Equao Baker-Swerdloff Hough-Rzasa Equao Brown Brown Valor fornecido Valor fornecido Valor fornecido Lasater, Standing e Vazquez- Beggs Vazquez-Beggs Balano de material

g o l wgd gt w o l w lPc Tc API RGL WC Pb Co

fg

A Tabela 4.3 mostra algumas das correlaes para fluxo vertical multifsico presentes na literatura bem como a aplicabilidade de cada uma.

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Tabela 4.3 - Correlaes de fluxo vertical multifsico.Correlao Poos verticais Poos de leo altamente desviados Poos de gs/condensado Dutos de leo Dutos de gs/condensado

Duns & Ros Sim Orkiszewski Sim Hagedorn & Brown Sim Beggs & Brill Sim Revised Beggs & Brill Sim Original Mukherjee & Brill Sim Govier, Aziz& Sim Forgasi NoSlip Sim OLGAS Sim Ansari Sim BJA for X Condensates AGA & Flanigan X Oliemans X Gray X Gray Modified X Xiao X Fonte: Banco de dados do Pipesim.

Sim X X Sim Sim Sim Sim Sim X X X X X X X

Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim X X Sim Sim X

Sim X X Sim Sim Sim Sim Sim Sim X X X Sim X X Sim

Sim X X Sim Sim Sim Sim Sim Sim X Sim Sim Sim X X Sim

As correlaes de fluxo vertical so utilizadas para caracterizar e determinar as perdas de presso e os mapas de fluxo ao longo da coluna de produo. Foram desenvolvidas empiricamente para facilitar os clculos de fluxo multifsico. Segundo Oliveira (2003) e Thomas (2004) estas correlaes podem ser classificadas em trs grupos, que so:

Correlaes do Tipo I

Estas correlaes no consideram nem o escorregamento existente entre as fases nem os vrios padres de fluxo. A densidade da mistura determinada em funo da razo gs-lquido total, uma vez que considera o gs e o lquido escoando a uma mesma velocidade. As correlaes amplamente difundidas na literatura e propostas por Poetmann & Carpenter, Baxendell & Thomas e Fancher & Brown so todas desse Tipo I.

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Correlaes do Tipo II

Neste tipo de correlao considerado o escorregamento entre as fases, porm desprezado o regime de fluxo. Os volumes ocupados pelo gs e pelo lquido devem ser determinados para cada ponto, uma vez que se deslocam a velocidades diferentes. As correlaes encontradas na literatura e propostas por Hagedorn & Brown, Gray & Asheim so todas desse Tipo II.

Correlaes do Tipo III

Alm do escorregamento entre as fases, estas correlaes consideram tambm, o padro de fluxo existente. A partir da determinao do padro de fluxo para cada ponto, so calculados todos os outros parmetros relacionados com a densidade mdia dos fluidos e os fatores de frico. As correlaes encontradas na literatura e propostas por Duns & Ros, Orkiszewski, Aziz, Grovier & Fogarasi, Chierici, Ciucci & Sclocchi, Beggs & Brill e Mukherjee & Brill so classificadas como sendo do Tipo III.

4.3

FLUXO NO MEIO POROSO

Para caracterizar a capacidade de fluxo de um poo, utiliza-se um parmetro chamado ndice de Produtividade (IP), que definido pela seguinte expresso:

IP =

q Pe Pw

(4.1)

onde, q vazo de produo medida na regio dos canhoneados; Pe Presso esttica (ou mdia) do reservatrio; Pwf Presso de fluxo no fundo do poo.

O ndice de produtividade pode ser utilizado para estimar a vazo do poo para diferentes presses de fluxo, correspondentes a diferentes aberturas nos reguladores de fluxo (chokes).

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O valor do IP pode ser estimado atravs de testes de fluxo realizados no poo. Quando os fluidos chegam s instalaes de superfcie, o fluido produzido durante o teste passa pelos equipamentos reguladores de fluxo, estes, podem ser fixos ou ajustveis, dependendo das caractersticas de controle requeridas. As vazes do teste e as presses na cabea do poo so controladas pela restrio imposta ao fluxo, Thomas (2004). A equao 4.1 pode ser rescrita da seguinte forma:

Pwf = Pe

q IP

(4.2)

Considerando

que

o

ndice

de

produtividade

permanea

constante,

independentemente da vazo de lquido, a equao acima representada por uma linha reta, denominada de IPR (Inflow Performance Relationship). Esta curva conhecida como modelo linear e adequada para representar o escoamento monofsico no reservatrio, o qual ocorre quando o fluido encontra-se a uma presso acima da presso de bolha. Nestas condies o gs presente est completamente dissolvido no leo e o reservatrio caracterizado como sendo subsaturado. A Figura 4.2 mostra uma tpica curva de IPR para o modelo linear.

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Figura 4.2 - Curva de IPR para reservatrios saturados modelo linear.

O ponto onde a curva de IPR intercepta a abscissa (vazo de produo) conhecido como potencial do poo ou AOFP (Absolute Open Flow Potential). Este ponto representa a mxima vazo do reservatrio para presso de fluxo no fundo igual a zero. Porm, esta vazo apenas terica, pois na prtica no possvel reduzir a presso de fluxo no fundo a zero, j que um gradiente de presso necessrio para permitir o escoamento no interior da coluna de produo, Nascimento (2005). Thomas (2004) diz que o modelo de IPR linear no se aplica quando as presses no meio poroso esto abaixo da presso de saturao do leo, pois neste caso o gs sai de soluo aumentando a saturao. Neste caso, se faz necessria a utilizao do modelo de Vogel, que representado pela seguinte equao:

q q max

Pwf = 1 0,2 Pe

Pwf 0,8 Pe

2

(4.3)

onde, qmax vazo mxima de produo (AOFP).

O modelo de Vogel aplicado em reservatrios de gs em soluo com presso igual ou abaixo da presso de saturao, considerando somente o fluxo bifsico de leo e gs, mas tambm pode ser aplicado satisfatoriamente em reservatrios que

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operam por capa de gs ou fraco influxo de gua, desde que a percentagem de gua no seja muito elevada, Thomas (2004). A Figura 4.3 mostra uma tpica curva de IPR para o modelo de Vogel.

Figura 4.3 - Curva de IPR para reservatrios subsaturados modelo de Vogel.

Caso a presso esttica Pe seja menor que a presso de saturao Psat , deve-se analisar o potencial do reservatrio utilizando uma curva de Vogel. Porm, se a Pe maior que a Psat necessrio utilizar uma curva composta (IPR Linear + Vogel), Nascimento (2005). Na anlise das curvas IPR, observa-se o diferencial de presso necessrio para o fluxo de fluidos do reservatrio para o poo possa ocorrer. Portanto, ocorrer fluxo do meio poroso para o poo, quando Pwf for menor que Pe . Nascimento (2005) diz que a escolha do melhor mtodo de elevao para um poo est associada ao estudo da capacidade de produo atual do reservatrio, o desempenho futuro de produo do mesmo entre muitos outros fatores. O bom conhecimento destes parmetros atravs das curvas de IPR implica na realizao de projetos sem superdimensionamento dos equipamentos de produo e sem limitaes ou restries ao fluxo.

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4.3

FLUXO NA COLUNA DE PRODUO

Para que os fluidos cheguem at os separadores na superfcie, necessrio que a presso de fluxo no fundo do poo seja suficiente para vencer a coluna hidrosttica do fluido na coluna de produo, as perdas por frico, as perdas nas restries (regulador de fluxo, vlvulas, etc.), as perdas na linha de produo e a presso nos equipamentos de separao. O gradiente de presso dentro da coluna de produo, quando em fluxo, o resultado da soma do gradiente devido elevao, do gradiente devido frico e do gradiente devido acelerao. O gradiente devido elevao corresponde ao gradiente hidrosttico do fluido que est escoando e funo unicamente da sua densidade, j o gradiente devido frico existe sempre que houver movimentao de fluidos e depende das caractersticas dos fluidos, do dimetro e da rugosidade da coluna de produo bem como da vazo, Thomas (2004). O gradiente devido acelerao depende da quantidade de gs produzida, pois quando a razo gs-lquido for baixa, poder considera-se ter o escoamento de um fluido incompressvel, onde no haver variao de velocidade no interior da tubulao, o que tornar esse gradiente nulo. A Figura 4.4 mostra uma curva de IPR interceptada pela curva de TPR (Tubing Pressure Requirement). O ponto de intercesso representa o ponto de no qual o sistema deve operar e depende das caractersticas do poo e do reservatrio.

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Figura 4.4 - Oposio de solicitaes no fundo do poo

4.3.1 Padres de Fluxo Vertical Multifsico

Segundo Thomas (2004), quando o fluido sai do reservatrio, este possui certa quantidade de gs em soluo e vem acompanhado de gs livre e gua. Sendo assim, a determinao do gradiente de presso uma tarefa complicada, uma vez que ocorre um fluxo multifsico complexo e difcil. A diferena de velocidade entre as fases e a geometria das fases lquida e gasosa so os fatores determinantes para a classificao dos regimes de fluxo multifsico. Os padres de fluxo geralmente aceitos para o fluxo vertical multifsico so: bolha, golfada, transio (catico) e anular nevoeiro, conforme mostrado na Figura 4.5.

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Figura 4.5 - Padres de fluxo vertical multifsico Fonte: Oliveira (2003).

O padro de fluxo tipo bolha ocorre geralmente prximo ao fundo do poo, pois onde ocorrem as maiores presses na coluna de produo. Neste padro de fluxo, a fase gasosa encontra-se dispersa na fase lquida sob a forma de pequenas bolhas. medida que a mistura se eleva na coluna, ocorre uma reduo na presso e conseqente liberao dos gases dissolvidos na fase lquida. Com o aumento das bolhas de gs, ocorre o coalescimento dessas bolhas, formando-se ento bolses de gs separados por golfadas de lquidos. Com a contnua elevao pela coluna de produo, menores presses so alcanadas, a velocidade do lquido aumenta uma maior quantidade de gs encontra fora de soluo. A golfada de lquido ento, tende a desaparecer e uma quantidade significativa de lquido encontra-se disperso na fase gasosa. O gs com o lquido em suspenso tende a se movimentar mais rapidamente pelo centro da coluna, enquanto a fase lquida tende a aderir s paredes da coluna de produo, formando um anel. Apesar de a fase lquida ainda influenciar no escoamento e no gradiente de

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presso, neste padro de fluxo tipo transio, efeito da fase gasosa muito mais pronunciado, Thomas (2004). Posteriormente, a quantidade de gs dissolvido e a velocidade do gs liberado so tais, que a fase lquida, apesar de ainda existir molhando as paredes da coluna, no influencia o gradiente de presso, que agora totalmente dependente da fase gasosa. Dependendo das caractersticas dos fluidos produzidos, das presses envolvidas e das profundidades dos poos, podem ocorrer mais de um padro de fluxo no mesmo poo.

4.4

FLUXO NA SUPERFCIE

Esta etapa corresponde ao deslocamento do fluido desde a cabea do poo at os equipamentos de separao. Da mesma forma como na coluna de produo, nesta etapa de fluxo a presso tambm ir diminuir continuamente, fazendo com que as propriedades dos fluidos tenham que ser calculadas ponto a ponto. Considerando a geometria das fases e o grau de escorregamento entre o gs e o lquido, os padres de fluxo horizontal mais aceitos so: segregado, intermitente e distribudo, isto segundo o aumento da velocidade, tal como mostrado na Figura 4.6. Thomas (2004) diz que a determinao do padro de fluxo muito importante para o clculo do gradiente de presso, pois mudando a geometria das fases, altera-se, principalmente, o gradiente devido frico. Algumas correlaes para fluxo horizontal multifsico foram desenvolvidas com equaes especficas para cada regime de fluxo, uma abordagem mais aprofundada sobre este assunto foge ao escopo deste trabalho.

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Figura 4.6 - Padres de fluxo horizontal multifsico Fonte: Oliveira (2003).

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CAPTULO 5 MTODOS DE ELEVAO DE PETRLEO

Durante o processo de explorao de um reservatrio de petrleo, vrios so os mtodos empregados para trazer superfcie os fluidos presentes na formao. Um parmetro fundamental para a escolha do mtodo de elevao a presso esttica do reservatrio, que define se a elevao se d to somente pela energia natural do reservatrio (conhecida como surgncia) ou se mtodos artificiais so necessrios para complementar essa energia e elevar os fluidos desde o fundo do poo, at as instalaes de produo.

5.1

ELEVAO NATURAL OU SURGNCIA

No incio da vida produtiva de um reservatrio, normalmente, a produo dos fluidos (gua, leo e gs) s