Controle de pressão na perfuração de poços de petróleo utilizando

Controle de pressão na perfuração de poços de petróleo utilizando-se a válvula de
choke
1
2
2
3
Frederico R. B. Vieira, Wylmar C. Perezynski, Natália R. Greco, Márcia Peixoto Vega
1.
Discente do PPGEQ/UFRRJ
Discente do curso de Engenharia Química/UFRRJ
3
Professor da UFRRJ
2.
1,2,3
Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, BR465, km7, 23890-000,
Seropédica, RJ, Brasil
e-mail: [email protected]
RESUMO - O presente trabalho tem por objetivo controlar a pressão anular de fundo, alterando
a abertura da válvula choke (variável manipulada), através de uma estratégia de controle PI.
Foram realizados estudos de simulação e testes em uma unidade experimental que apresenta
os fenômenos mais relevantes do processo real.
Palavras-Chave: petróleo, controle, pressão anular de fundo
INTRODUÇÃO
O balanço de pressão entre a rocha
reservatório e o poço é uma variável muito
importante durante a perfuração de poços de
petróleo. Caso a pressão no poço seja maior que
a pressão nos poros do reservatório, o fluido de
circulação penetra na formação porosa. Caso a
formação seja permeável e a pressão no poço
menor que a pressão nos poros no reservatório,
ocorrerá invasão em direção ao poço. Durante a
perfuração do poço, há distúrbios que causam
flutuações na pressão. Como por exemplo, o
aumento da pressão com o aumento do
comprimento
do
poço.
Parâmetros
do
reservatório, como permeabilidade e pressão de
poros, influenciam o influxo dos fluidos do
reservatório para o poço, alterando a densidade e
a vazão da mistura fluida, e consequentemente
alterando a pressão no mesmo. A técnica de
perfuração convencional consiste em manter a
pressão no poço superior à pressão nos poros do
reservatório, evitando a ocorrência de kicks e
blowouts (influxos controláveis e incontroláveis
dos fluidos nativos do reservatório em direção ao
poço, respectivamente). No entanto, o fluido terá
a tendência de invadir a rocha reservatório, o que
pode causar um dano irreversível ao mesmo,
reduzindo sua permeabilidade original e afetando
a produção do poço.
Durante a perfuração, há frequentemente
distúrbios que causam flutuações na pressão do
poço. Por exemplo, o aumento do comprimento
do poço, durante o processo de perfuração,
produz um aumento da pressão do poço.
Parâmetros do reservatório, como densidade da
formação, permeabilidade e pressão nos poros,
influenciam o influxo dos fluidos do reservatório
para o poço, alterando a densidade e a vazão da
mistura fluida do poço, e consequentemente
alterando a pressão no mesmo. O procedimento
de conexão dos tubos, que é realizado durante a
perfuração, em intervalos de tempo iguais, é outra
fonte de perturbação. Durante a junção dos tubos,
interrompem-se a perfuração e o bombeamento
de fluido de perfuração. Em seguida, um novo
segmento de duto é conectado, e somente então
o bombeamento de fluido de perfuração é
reiniciado, assim como a perfuração. Este
procedimento, especialmente a interrupção e o
reinício de operação do bombeamento do fluido
de perfuração, produz flutuações de vazão e, por
conseqüência, perturbações na pressão do poço.
Para compensar as flutuações de pressão,
podem ser modificadas a densidade do fluido de
perfuração, a vazão de entrada do fluido de
perfuração e a velocidade de perfuração,
produzindo uma mudança na composição, tempo
de residência do fluido de perfuração no poço e
concentração
de
sólidos
no
anular,
respectivamente, que finalmente alteram a
pressão. Entretanto, a pressão no poço não é
modificada instantaneamente, já que há um
tempo morto para que as modificações sejam
sentidas ao longo de todo o poço. Uma outra
forma de se alterar a pressão no poço é mudar a
abertura da válvula, situada na superfície, por
onde escoa o fluido vindo da região anular do
poço. Este elemento final de controle produz uma
rápida resposta na variável controlada (pressão).
A literatura reporta trabalhos onde há
controle manual (Perez-Tellez et al., 2004; Suter,
1999; Jenner, 2004) e estratégias de controle
automático, motivadas pela existência de poços
com janelas operacionais, referentes a pressões
de poros e de fratura, cada vez menores (Eikrem
et al., 2004; Nygaard et al., 2004a; Nygaard et al.,
2004b).
Nygaard et al. (2006) apresentaram um
esquema de controle PI e preditivo não linear para
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
estabilizar a pressão anular de fundo, durante o
processo de perfuração de poços de petróleo. O
modelo
fenomenológico
baseou-se
em
escoamento bifásico (gás-líquido). Os parâmetros
do controlador PI foram estimados através do
método de Ziegler-Nichols em malha fechada. Os
resultados evidenciaram que o esquema de
controle manual apresentou desempenho inferior
aos esquemas de controle PI e preditivo. No
entanto, no esquema de controle PI, foi
necessário re-estimar os parâmetros do
controlador quando as condições de operação se
afastavam das condições originais.
O presente trabalho implementou um
controlador clássico PI (proporcional-integral) para
regular a pressão de fundo durante o processo de
perfuração de poços. O esquema de controle
utilizou a abertura da válvula de choke, situada na
superfície, por onde escoa o fluido vindo da região
anular do poço (Figura 1), como variável
manipulada.
da válvula choke e parâmetros do controlador são
armazenados por um sistema de aquisição de
dados. O sistema dispõe de um medidor de vazão
mássica acoplado a um transmissor que envia os
dados de vazão para o sistema de aquisição de
dados. A foto da unidade de controle de pressão
anular de fundo pode ser vista na Figura 2.
Figura 2 - Unidade de perfuração de poços de
petróleo
Figura 1 - Representação esquemática da
perfuração de poços de petróleo
UNIDADE EXPERIMENTAL
A unidade experimental é composta por
dois reservatórios: um com fluido de perfuração
de alta densidade e outro com água. Ambos os
tanques de alimentação estão conectados a uma
bomba helicoidal de deslocamento positivo que
movimenta os fluidos através de uma tubulação
de ferro galvanizado, onde estão instalados
medidores de vazão e pressão e uma válvula
proporcional para controle de vazão, simulando a
válvula de choke do processo real. A válvula é
acionada via computador, permitindo fazer o
controle da pressão anular de fundo da unidade,
manipulando-se a sua abertura. A bomba é
acionada por um inversor de freqüência. O
dispositivo que mede o valor da variável
controlada do processo (pressão anular de fundo)
é um transdutor de pressão manométrica. Foi
desenvolvido um programa computacional de
monitoramento e controle em linguagem C++,
sendo que os dados de vazão, pressão, abertura
RESULTADOS
Simulação
Um
modelo
fenomenológico
de
escoamento, baseado em balanços de massa e
de momento, incluindo as fases gás-líquidosólido, foi produzido, gerando um modelo a
parâmetros concentrados. O acoplamento poçoreservatório foi modelado através de uma
formulação simples, chamada índice de
produtividade, que estabelece que o fluxo entre
poço-reservatório é proporcional à diferença de
pressão entre os mesmos. Este modelo
fenomenológico
foi
empregado
para
implementação de um controlador PI.
A Figura 3 ilustra a implementação de uma
estratégia de controle PI, através da manipulação
da válvula de choke, situada na superfície, por
onde escoa o fluido vindo da região anular do
poço.
0,025
a
vd, [m/s]
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
0,0
4
4,0x10
4
5
8,0x10
1,2x10
Tempo de amostragem
30
b
25
Wpump, [kg/s]
Implementam-se
perturbações
na
velocidade de perfuração (Fig. 3a), sendo que a
Fig. 3b evidencia o fato de o bombeamento ser
interrompido durante o procedimento de conexão
de tubos. A Fig. 3c ilustra os movimentos da
variável manipulada (mudança na abertura da
válvula de choke). Na Fig. 3d observa-se a
implementação de um teste de controle servo,
com mudança do set point do controlador para
300
bar.
Em
seguida,
analisa-se
o
comportamento do controlador frente a uma
rejeição de perturbação (a pressão do
reservatório diminui, simulando uma invasão de
fluido de perfuração no mesmo). Por fim, pode ser
observado que o controlador foi eficaz em mais
dois testes de controle regulatório: rejeição de
perturbação degrau positivo na velocidade de
perfuração e rejeição de distúrbios produzidos
pelas interrupções de perfuração e de vazão de
entrada de fluido de perfuração, durante o
procedimento de conexão de tubos.
20
15
10
5
0
0,0
4,0x10
4
8,0x10
4
1,2x10
5
Tempo de amostragem
1,0
c
0,8
0,6
0,4
4
0,0
4,0x10
8,0x10
4
5
1,2x10
Tempo de amostragem
Variável controlada
Pbot, [Pa]
Foram implementados testes degrau
positivo/negativo na unidade de perfuração, para
diferentes vazões (Figura 4), com o objetivo de
verificar se a planta apresenta alguma não
linearidade.
Observa-se que a magnitude e forma da
resposta ao degrau positivo/negativo foram
diferentes, evidenciando que o processo
apresenta alguma não linearidade e não obedece
ao princípio da superposição, indicando que o uso
de uma estratégia de controle clássico (PI, por
exemplo)
pode
apresentar
desempenho
insatisfatório, podendo ser necessário efetuar a
sintonia do controlador para diferentes níveis
operacionais ou partir para uma estratégia de
controle não linear, caso o desempenho da malha
continue inadequado.
A Figura 5 ilustra o comportamento da
unidade (razão entre pressão de fundo e o ganho
estático, k e a magnitude do degrau, M) quando
da implementação de diferentes perturbações na
abertura da válvula de choke (95-25 %; 95-35 %;
95-55 %), variando-se, ainda, os níveis de vazão
através do inversor de freqüência (30 Hz; 40 Hz;
50 Hz; 60 Hz). Observa-se que o tempo morto
cresce ligeiramente à medida que as magnitudes
das perturbações degrau na abertura da válvula
crescem, indicando que este atraso é inerente ao
tempo de resposta do equipamento (válvula).
Verifica-se ainda que à medida que o nível de
pressão aumenta, seja pelo fechamento da
válvula ou pelo aumento da vazão de operação, o
sistema responde mais rápido (a constante de
tempo do sistema é menor), isto é, uma
modificação na entrada (abertura da válvula)
produz um rápido efeito na saída do sistema
(pressão). Desse modo, observa-se claramente a
transição do sistema de superamortecido para
Variável manipulada
abertura da válvula, [0-1]
Experimental
4,0x10
7
3,5x10
7
3,0x10
7
2,5x10
7
2,0x10
7
d
0,0
4,0x10
4
4
8,0x10
1,2x10
5
Tempo de amostragem
Figura 3. Controle da Pressão de fundo
através da manipulação da válvula de choke.
sub-amortecido, quando da implementação de
degrau de 95-25 % na abertura da válvula de
choke.
Os ajustes do controlador PI foram
calculados empregando-se o método de ZieglerNichols e, em seguida, implementados na
unidade experimental com ligeiras mudanças
(ajuste de campo). A Figura 6 ilustra a
implementação bem sucedida de testes de
controle servo (mudança de set point de pressão),
através da manipulação da abertura da válvula de
choke.
Degrau de amplitude de 35% na abertura da válvula "choke" a 30 Hz
Curva de reação para degrau de 95-25% na abertura da válvula "choke"
40
2
30 Hz
40 Hz
50 Hz
60 Hz
20
P/KM
Pressão (psi)
Degrau positivo
Degrau negativo
0
0
1
1
0
0,00
2
Tempo (min)
0,15
Degrau de amplitude 35% na abertura da válvula "choke" a 40 Hz
Curva de reação para degrau de 95-35% na abertura da válvula "Choke"
70
2
Degrau positivo
Degrau negativo
30 Hz
40 Hz
50 Hz
60 Hz
35
P/KM
Pressão (psi)
0,30
Tempo (min)
1
0
0
1
2
0
0,00
Tempo (min)
0,15
0,30
Tempo (min)
Degrau de amplitude 35% na abertura da válvula "choke" a 50 Hz
100
Curva de reação para degrau de 95-55% na abertura da válvula "choke"
2
30 Hz
40 Hz
50 Hz
60 Hz
50
P/KM
Pressão (psi)
Degrau positivo
Degrau negativo
1
0
0
1
2
0
0,00
Tempo (min)
0,15
0,30
Tempo (min)
Degrau de amplitude 35% na abertura da válvula "choke" a 60 Hz
140
Pressão (psi)
Degrau positivo
Degrau negativo
Figura 5 - Análise da unidade de perfuração de
poços
70
0
0
1
2
Tempo (min)
Figura 4 - Resposta ao degrau positivo e
negativo na abertura da válvula de choke
CONCLUSÃO
Teste servo para frequência de 30 Hz
Pressão (psi)
40
20
Set Point
0
0,00
1,25
2,50
Tempo (min)
Teste servo para a frequência de 40 Hz
80
Neste trabalho o modelo fenomenológico
de escoamento bifásico de Nygaard e Naevdal
(2006) foi modificado para levar em consideração
a fase sólida, visando à implementação de um
controlador clássico PI (proporcional-integral) para
regular a pressão anular de fundo durante o
processo de perfuração de poços. Foram
investigadas
estratégias
via
simulação,
empregando-se como variável manipulada a
abertura da válvula de choke. Para fins de
implementação experimental, foi empregada uma
unidade de perfuração que utilizou a abertura da
válvula de choke como variável manipulada.
Foram realizados, com sucesso testes de
identificação e controle (teste servo).
Pressão (Psi)
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
40
Set Point
0
0,00
1,25
2,50
Tempo (min)
Teste servo para frequência de 50 Hz
Pressão (psi)
90
45
Set Point
0
0,00
1,26
Tempo (min)
Teste servo para frequência de 60 Hz
Pressão (psi)
150
75
Set Point
0
0,00
1,25
Tempo (min)
2,50
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AGRADECIMENTOS
FINEP/PETROBRAS
Figura 6 - Teste servo