BR102012006900B1 - Sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo - Google Patents

Abstract

sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo a presente invenção refere-se a um sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso de petróleo por meio de ajuste de frequência de alimentação do motor elétrico da bomba, de modo a aprimorar a vazão produzida e proteger o sistema de bombeio quanto a condições operacionais que venham a comprometer a vida útil da bomba. o ajuste é implementado com base em uma algoritmo de controle difuso, o qual emprega pelo menos seis atributos de entrada, e está programado para fornecer uma conduta para cada um dos cenários representativos que se espera ocorrer em um poço de petróleo, de modo a melhorar a produção de óleo, uma vez que o poço entra em regime no menor tempo possível, mantendo permanentemente as condições operacionais dentro de limites aceitáveis, garantindo a maior vida útil possível do equipamento, com produção máxima e custos operacionais mínimos.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um sistema de controle automático do bombeio centrífugo submerso de petróleo por meio de ajuste de frequência de alimentação do motor elétrico da bomba, de modo a aprimorar a vazão produzida e proteger o sistema de bombeio quanto a condições operacionais que venham a comprometer a vida útil da bomba.

O sistema é capaz de melhorar a produção de óleo, uma vez que o poço entra em regime no menor tempo possível, mantendo permanentemente as condições operacionais dentro de limites aceitáveis, garantindo a maior vida útil possível dos equipamentos, com produção máxima e custos operacionais mínimos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Na indústria petrolífera é de conhecimento geral, que o fluido petrolífero extraído de um poço e que é tratado genericamente por petróleo, na verdade constitui-se por diversos compostos naturais, destacando-se entre eles os hidrocarbonetos, com um real valor comercial (de agora em diante denominado óleo), e a água.

Mas o petróleo, por ser uma mistura de hidrocarbonetos, também apresenta componentes leves que podem constituir uma fase gasosa naturalmente livre, ou serem liberados em determinadas condições de pressão e temperatura.

Dentre as formas de se disponibilizar a produção na superfície, bombas de fundo são empregadas nos poços, as quais podem ser mecânicas e elétricas.

Na produção de petróleo através de poços munidos de bombas elétricas, o bombeio centrífugo submerso é vastamente aplicado, e tem por característica um conjunto motor/bomba centrífuga, alimentado via cabo elétrico com energia suprida da superfície.

A bomba centrífuga na indústria petrolífera, tal qual em outras aplicações industriais, é projetada para acionamento somente por meio de líquidos, sendo indesejável a presença de gás livre na sucção da bomba.

No início da operação, logo após a fase de completação, o poço encontra-se amortecido, isto é, o anular e a coluna encontram-se com fluido de completação que equilibra a pressão estática, de modo que a vazão oriunda do reservatório é nula.

Ao se iniciar a operação de bombeio, à medida que a bomba succiona o fluido presente no anular, a pressão diminui e, eventualmente, cai abaixo da pressão de saturação, dando inicio a formação de bolhas. Neste momento há escoamento bifásico na sucção da bomba, porém, a redução na pressão de fundo também implica em aumento da vazão do reservatório.

Assim, fica estabelecido um cenário antagônico. Enquanto a vazão da bomba for maior que a do reservatório, o líquido no espaço anular terá uma boa produção, mas, consequentemente, a submergência da bomba e a pressão de sucção tendem a diminuir, permitindo o aumento da fração de gás livre na sucção da bomba.

A redução na pressão de fundo é necessária para aumentar a vazão do reservatório, porém, implica em aumento da fração de gás livre na sucção da bomba. A presença do gás reduz a eficiência volumétrica da bomba até que sua operação torna-se instável, com redução da vida útil dos conjuntos de fundo. Em casos extremos a bomba pode ficar completamente bloqueada pelo gás, impedindo o bombeio da produção, e, por consequência, o poço pode ficar sem produzir.

Nestas condições extremas, apesar do motor elétrico continuar a funcionar, o fluido não está sendo bombeado, interrompendo a troca térmica do equipamento. Estas adversidades levam os motores e bombas a falhar por superaquecimento.

Outro cenário desfavorável e possível de ocorrer, está relacionado à capacidade da bomba. Quando a capacidade de sucção excede a capacidade de produção/alimentação do reservatório, em poços com pouco ou nenhum gás livre, o nível dinâmico de fluido no anular pode atingir a sucção da bomba. Nesta condição, conhecida como “pump off’ ou bloqueio de gás, a bomba praticamente fica fora de operação.

O controle de bombeio da produção em um poço petrolífero, equipado com elevação artificial é bastante diferente do bombeio de uma aplicação industrial convencional, onde há, por exemplo, o interesse no controle da vazão de uma determinada bomba ou no controle do nível de um determinado vaso. No caso da indústria petrolífera, especificamente em poços petrolíferos, as incertezas são muito maiores.

Uma vez localizado um reservatório, antes da perfuração, completação e teste de uma determinada zona, não se dispõe de um conjunto mínimo de variáveis requeridas para a modelagem do comportamento da produção do referido reservatório. Dispõe-se apenas de informações oriundas das fases anteriores, tais como: perfilagem, testemunhos, amostras de calha, correlações com poços vizinhos e testes de produção, quando disponíveis.

A partir da expectativa de comportamento do reservatório é definida uma vazão que servirá de base para o projeto do sistema de elevação, que inclui a especificação dos principais equipamentos a serem descidos no poço. A bomba centrífuga é selecionada de modo que a vazão de projeto esteja próxima do ponto de melhor eficiência e dentro da faixa recomendada pelo fabricante do equipamento.

Após a instalação de todos os equipamentos, o poço deve “partir” e operar dentro das condições previstas no projeto, para que seja alcançada a maior vida útil do sistema. Estas condições, porém, nem sempre são possíveis, porque dependem do comportamento real do reservatório e da confirmação das propriedades dos fluidos produzidos. Para se evitar problemas de bloqueio ou interferência severa de gás, deve ser mantida uma submergência mínima de operação.

Podemos citar algumas tecnologias que estão sendo pesquisadas e desenvolvidas por algumas empresas do ramo, e reveladas pelos documentos: US 5,015,151, US 6,585,041, PI 0603403-9 e US 2009/0223662.

O documento US 5,015,151 - Motor Controller for Electrical Submersible Pumps - trata de um método para desligamento automático do poço em caso de bloqueio de gás ou “pump off1 a partir do monitoramento da corrente média do motor. No entanto a vida útil do sistema de bombeio depende do número de partidas e paradas, portanto, esta técnica apresenta o efeito colateral da redução da vida útil do motor que aciona a bomba de fundo.

O documento US 6,585,041 - Virtual Sensors to Provide Expanded Downhole Instrumentation for Electrical Submersible Pumps - trata de aplicação de simulação computacional para estimar valores de parâmetros úteis no controle da produção. O documento não revela quais variáveis seriam obtidas pela simulação numérica nem descreve o algoritmo de controle ou os modelos usados para estimar as variáveis.

O documento PI 0603403-9 - A Sistema de Controle de Processo por Meio da Variação Automática de Rotação de Bomba Centrifuga Associada do Posicionamento de Válvula de Controle - trata de um controle de vazão através da associação da variação da rotação da bomba à abertura ou fechamento de uma válvula de controle. Este documento não trata da aplicação específica de bombas centrífugas em poços de petróleo para produção de óleo cru.

No caso do poço de petróleo, devido ao pequeno diâmetro do poço para alojar motores de alta potência num ambiente de alta temperatura, a introdução da válvula de controle implica em maiores demandas de potência do motor e maiores dissipações em forma de calor, o que não é desejável. Assim, parâmetros importantes como a proteção contra a alta temperatura do motor e o escoamento de fluidos sob interferência de gás simplesmente não são abordados.

O documento US 2009/0223662 - System, Method and Aparatus for Controlling the Flow Rate of an Electrical Submersible Pump Based on Fluid Density - trata de invenção aplicável à operação e controle de sistemas de separação gás-líquido e bombeamento submarino, no qual a medição da fração de gás livre na sucção da bomba é fundamental. Esta medição é feita de forma indireta com base em alterações de propriedades físicas, como a densidade média ou a capacitância do fluido. O documento não trata da aplicação da técnica a poços de petróleo, onde o diâmetro do poço é pequeno em relação aos requisitos de vazão e potência do motor, de modo a resolver problemas específicos, como a interferência de gás nas bombas centrífugas ou o controle da temperatura do motor elétrico.

Nos documentos citados, parâmetros como temperatura de funcionamento da bomba, são considerados apenas para desligar o motor em casos limítrofes de segurança do próprio equipamento, não sendo considerado em um controle fino do bombeio.

O espaço reduzido disponível para a instalação do equipamento de bombeio dentro do tubo de revestimento, colabora para aumentar a perda de carga requerida para o escoamento na vazão solicitada pela bomba. A pressão na sucção pode cair abaixo do ponto de bolha. O reduzido espaço anular tubo-revestimento facilita a rápida perda de submergência, parâmetros também não considerados nos cálculos de controle da técnica atual.

Os controles, quando representativos para um cenário da indústria petrolífera, resumem-se em sistemas de proteção, dos tipos: proteção contra superaquecimento do motor, contra vazão fora da faixa recomendável, bloqueio de gás ou interferência de gás. Tais condições resultam em oscilações na corrente de alimentação do motor, o qual é protegido por meio de intertravamento, que, em último aspecto, resulta em uma atuação binária, liga-desliga, que reduz drasticamente a vida útil do equipamento de bombeio.

A invenção agora proposta decorre da contínua pesquisa neste segmento, cujo enfoque objetiva dimensionar e estruturar um sistema de bombeio significativamente mais eficiente, capaz de otimizar a produção de óleo, mantendo as condições operacionais dentro de limites aceitáveis, garantindo a maior vida útil possível do equipamento de bombeio, o que é extremamente desejável do ponto de vista econômico, visando alcançar produção máxima e custos operacionais mínimos.

As vantagens que o sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo, objeto da presente invenção, se propõem alcançar compreende: a) eliminar o controle com atuações liga-desliga o equipamento de bombeio; b) permitir automação parcial ou total do controle de bombeio; c) melhorar as condições operacionais do equipamento de bombeio; d) aumentar a vida útil do equipamento de bombeio; e) manter o nível de submergência do equipamento de bombeio sempre estável e próximo de um limite mínimo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo para ser aplicado a um equipamento de bombeio montado em um poço de petróleo.

O sistema é composto de um quadro de controle, um transformador elétrico, o qual alimenta o motor elétrico do equipamento de bombeio por meio de um cabo elétrico de potência.

Na base do motor elétrico são instalados sensores de fundo, que transmitem sinais de pressão e temperatura de fundo de poço através do cabo de potência para um módulo de filtragem de sinais, o qual por sua vez transmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle.

Na cabeça do poço também são instalados sensores de superfície capazes de transmitir sinais de pressão e vazão através do cabo de potência, também para o módulo de filtragem de sinais, o qual retransmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle.

Em um módulo de processamento primário são executadas rotinas de intertravamento e alarme, além de estimativa dos valores instantâneos das variáveis que não possuem sensores. Também neste módulo de processamento primário é feito o cálculo do coeficiente de variação da potência ativa.

O processamento de controle é executado em um módulo difuso, cujo sinal de saída é o ponto de ajuste da frequência de alimentação do motor elétrico. O referido sinal de saída é enviado a um DW (Dispositivo para Variação de Velocidade) via um módulo de comunicação serial, e a partir deste, através de uma rede de comunicação de campo pré- determinada, disponibiliza as informações de variáveis elétricas de potência elétrica ativa e de frequência elétrica para o equipamento de bombeio.

O módulo difuso opera com um algoritmo de controle difuso, o qual gera os sinais para que o motor elétrico do equipamento de bombeio possa iniciar e conservar seu funcionamento, mantendo a vazão da bomba centrífuga constantemente próxima à vazão de projeto.

O algoritmo de controle difuso emprega pelo menos seis atributos de entrada, a saber: - o erro referente à vazão; - o erro referente à submergência; - a variação do erro de vazão; - a variação do erro de submergência; - a temperatura do motor - a interferência de gás, representada pelo coeficiente de variação na potência elétrica ativa (pea);

Os sinais de saída de ajuste da frequência de alimentação do motor elétrico, inferida pelas regras difusas, são traduzidas em um valor discreto, calculado como uma média ponderada dos máximos, cujos pesos são os resultados da inferência. Este cálculo tem como resultado o incremento de frequência previsto tanto para o controle de vazão quanto para o controle de submergência, sendo que o menor entre os dois valores de incremento de frequência é selecionado para envio ao DW.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, apresentados meramente a título de exemplo, os quais acompanham o presente relatório e do qual é parte integrante.

A Figura 1 retrata uma vista esquemática do sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo, objeto da invenção.

A Figura 2 retrata uma representação esquemática do circuito do quadro de controle do sistema proposto. A Figura 3 retrata gráfico de função de pertinência de Erro de Vazão. A Figura 3A retrata gráfico de função de pertinência de Erro de Submergência.

A Figura 4 retrata gráfico de função de pertinência de Variação de Erro de Vazão. A Figura 4A retrata gráfico de função de pertinência de Variação de Erro de Submergência. A Figura 5 retrata gráfico de função de pertinência de Temperatura do Motor. A Figura 6 retrata gráfico de função de pertinência da potência elétrica ativa.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo, objeto da presente invenção, foi desenvolvido a partir de pesquisas que visam principalmente prover as condições mais 5 próximas das ideais em um equipamento de bombeio centrifugo submerso, voltado principalmente para maximizar a produção e reduzir os custos de manutenção, e até mesmo minimizar inesperadas paradas para reparo. Esta invenção viabiliza medidas radicais de automatização do controle da produção, além de aumentar as opções dos projetistas, os quais se 10 deparam com cenários econômicos cada vez mais restritos.

O sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo e respectiva forma de operação disponibiliza e concretiza meios para que seja realizado um ajuste automático e contínuo da frequência de alimentação do motor elétrico do equipamento de 15 bombeio provido ao poço de produção, levando em consideração a leitura dinâmica de variáveis elétricas, variáveis operacionais de fundo e variáveis operacionais de superfície, além da estimativa, a partir das variáveis lidas, de outras variáveis operacionais não medidas.

Neste sentido, para se obter o ajuste automático da vazão do 20 equipamento de bombeio, os valores de alimentação do motor elétrico da bomba são determinados conforme um algoritmo que é executado em um controlador lógico programável, que calcula a carga suficiente para manter o equipamento de bombeio operando dentro da faixa recomendada. Desse modo o sistema proposto contorna as ocorrências das condições 25 operacionais indesejáveis, como a interferência de gás e a elevada temperatura do motor, sem necessidade de recorrer a medidas extremas como o desligamento do motor elétrico da bomba, prática de controle, que quando adotada reduz a vida útil do equipamento de bombeio.

A estratégia das regras de controle é baseada no conhecimento dos 30 fenômenos físicos e nas experiências operacionais em poços registradas na literatura técnica. Tais regras são pré-fornecidas a um controlador de lógica difusa (Controlador Fuzzy), que compara com as leituras de parâmetros e processa o melhor resultado.

Um dos ramos da inteligência artificial é a lógica difusa (lógica fuzzy) que procura incorporar a forma humana de pensar em um sistema de controle.

A lógica difusa pode considerar infinitas graduações entre duas possibilidades extremas, e essas graduações podem ser implementadas em um controlador computacional, resultando em um desempenho equivalente ou até mais sensível do que a de um operador (controlador humano). Seguindo esta técnica um controlador computacional pode ser programado para identificar, por exemplo, no campo das temperaturas, graduações como: muito frio, frio, temperado, ideal, morno, aquecido, quente, muito quente, quente em excesso.

Controlando-se vários parâmetros por meio desta técnica, a invenção é capaz de alcançar vantagens, tais como uma melhoria da produção de óleo em níveis de excelência, uma vez que o poço entra em regime permanente no menor tempo possível, mantendo diversas condições operacionais sempre dentro de limites aceitáveis, garantindo a maior vida útil possível do equipamento de bombeio, o que é extremamente desejável do ponto de vista econômico, uma vez que, deste modo, os ganhos serão máximos e o desgaste do equipamento mínimo, pois serão reduzidos os custos operacionais e de manutenção.

O sistema pode ser mais bem visualizado e entendido acompanhando sua descrição em conjunto com a Figura 1 e a Figura 2, que representam, de forma esquemática, diagramas do sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100).

Por meio da Figura 1 é possível perceber que o sistema de controle automático (100) é instalado em um poço de petróleo (1) e composto de um quadro de controle (10), um transformador elétrico (20), que alimenta o motor elétrico (31) de um equipamento de bombeio (30), por meio de um cabo elétrico de potência (32).

Na base do motor elétrico (31) são instalados sensores de fundo (35), que transmitem sinais de pressão e temperatura de fundo de poço através do cabo de potência (32) para um módulo de filtragem de sinais (40), o qual por sua vez transmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle (10).

Na cabeça do poço também são instalados sensores de superfície (35'), que transmitem sinais de pressão e vazão através do cabo (32'), também para o módulo de filtragem de sinais (40), o qual retransmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle (10). O sistema funciona da seguinte forma: - O fluido produzido no poço (1) passa pelos canhoneados (2), escoa no espaço entre o motor elétrico (31) e o revestimento (3) entrando pela sucção (33) da bomba centrífuga (34) do equipamento de bombeio (30). - A bomba centrífuga (34) impele o fluido por dentro da coluna de produção (4) até atingir a linha de produção (5) na superfície. - O gás (6) que se separa do óleo no interior do poço (1) é ventilado na superfície a partir de uma saída (7) de gás do revestimento (3). - O fluido que entra no poço (1) oriundo da rocha reservatório de petróleo se acumula no fundo do poço (1), constituindo uma interface entre o gás (6) e o líquido conhecida como nível dinâmico (8). A distância (S) entre a sucção da bomba (33) e o nível dinâmico (8) é a submergência da bomba centrífuga (34).

Por meio da Figura 2, os componentes do quadro de controle (10) são visualizados em melhor detalhamento.

Os sinais analógicos (Sa) dos sensores de fundo (35) e dos sensores de superfície (35') transmitidos ao quadro de controle (10) são captados por um controlador lógico programável (11) através de um conversor analógico/digital (12). Por sua vez os sinais já em formato digital (Sd) são captados pelo controlador lógico programável (11) diretamente através de um módulo de comunicação serial (13).

Em um módulo de processamento primário (14) são executadas as rotinas de intertravamento e alarme, além da estimativa dos valores instantâneos das variáveis que não possuem sensores, em função das outras variáveis lidas e de informações previamente fornecidas pelo operador.

Também neste módulo de processamento primário (14) é feito o cálculo do coeficiente de variação da potência ativa, indicativo da interferência de gás na bomba.

Após o processamento primário é executada a etapa de controle em um módulo difuso (15), cujo sinal de saída é o ponto de ajuste (set point) da frequência de alimentação do motor elétrico (31). O referido sinal é então enviado a um DW (16) - Dispositivo para Variação de Velocidade (ou VSD - Variable Speed Drivers), via o módulo de comunicação serial (13).

O módulo de comunicação serial (13) também se comunica com um rádio (17) que permite o envio e o recebimento de informações a uma central supervisória redundante (não mostrada na figura).

A central supervisória encontra-se na sala de controle do campo de produção, e exerce uma função primária de interface do operador com o sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100). A central supervisória também cumpre uma função surpervisória, em que armazena o histórico de todos os sinais e comportamentos da produção do poço (1), gerando um banco de dados para eventual resgate de informações e análise de panes, ou de ajuste de produção e acompanhamento preventivo.

Os sensores de fundo (35) encontram-se conectados à base do motor (31) e são capazes de medir informações sobre variáveis no fundo do poço (1) e transmitir pelo cabo de potência (32) ao quadro de controle (10) na superfície. As variáveis monitoradas são: - Pressão de sucção (Ps); - Temperatura do fluido na sucção da bomba (Ts); - Temperatura do motor (Tm); - Pressão na descarga da bomba (Pd).

Os sensores de superfície (35') encontram-se conectados a pontos específicos da cabeça do poço (1) e são capazes de medir informações sobre algumas variáveis redundantes de controle e produção, transmitindo-as pelo cabo (32') na forma analógica ou digital ao quadro de controle (10). As variáveis monitoradas são: - Pressão no revestimento (Pch); - Pressão da tubulação medida na cabeça do poço (Pth); - Vazão de líquido (Ql).

O DW (16) permite a mudança da frequência de alimentação do motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30) a partir de comando do módulo difuso (15), pelo módulo de comunicação serial (13), através de uma rede de comunicação de campo pré-determinada, que recebe a referência de frequência assim como disponibiliza as informações de variáveis elétricas do equipamento de bombeio (30), tais como: - Potência elétrica ativa (pea) - Frequência elétrica (f)

Um algoritmo de controle difuso (algoritmo fuzzy) instalado no módulo difuso (15) gera os sinais para que o motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30) possa iniciar seu funcionamento mantendo a vazão da bomba centrífuga (34) aproximadamente igual à vazão de projeto, condição mais favorável. - módulo difuso (15) proposto é implementado com um algoritmo de controle difuso o qual emprega pelo menos seis atributos de entrada. Os atributos de entrada preferencialmente escolhidos para este controle são: - o erro referente a vazão. - o erro referente a submergência. - a variação do erro de vazão. - a variação do erro de submergência. - a temperatura do motor - a interferência de gás, representada pelo coeficiente de variação na potência elétrica ativa (pea).

Estes atributos de entrada são os inicialmente necessários para um controle sem intertravamentos, sendo possível adicionar ao algoritmo outros atributos de modo a deixar o controle mais fino.

Estes seis atributos mínimos são moldados por um processamento automático do módulo difuso (15) que utiliza um algoritmo, conforme detalhado a seguir:

Modelagem dos atributos de entrada: “Erro de vazão” e “Erro de submergência”

O “erro” é definido como a diferença entre o valor captado em campo de uma determinada variável a ser monitorada e o valor do seu ponto de ajuste ideal.

Tratando a variável de vazão (Q) por este princípio, pode-se definir:

Onde: (ev) é o erro de vazão, (Q) é a vazão m3/d e (Qsp) é o ponto de ajuste ideal de vazão m3/d.

Aplicando-se o mesmo princípio para o controle da variável submergência (S), o erro é definido como:

Onde: (es) é o erro de submergência, (S) é a submergência da bomba (34) e (Ssp) é o ponto de ajuste ideal de submergência.

Por meio dos sensores de fundo e de superfície, respectivamente (35) e (35'), as variáveis de vazão (Q) e de submergência (S) necessárias como dados de entrada nas equações, são captadas instantaneamente e então processadas conforme as fórmulas acima sugeridas.

Com os resultados obtidos, ainda dentro do módulo difuso (15) de processamento, os mesmos são aplicados em uma função e convertidos em uma graduação de erro, ou pertinência de erro.

Esta operação é feita por meio de processamento computacional, que relaciona os valores captados de vazão e submergência em função dos respectivos valores ideais resultando em um grau de erro, ou pertinência de erro, que podem ser classificados como: abaixo, acima ou na faixa do ideal.

Para fins de entendimento a função é apresentada em forma de representação gráfica, conforme Figura 3 (Erro de vazão), tanto para as 15 grandezas de vazão versus pertinência de erro.

A mesma função é utilizada na aplicação mostrada na Figura 3A (Erro de submergência), nas grandezas de submergência versus pertinência de erro.

Esta comparação resulta em uma classificação do resultado obtido com os dados captados instantaneamente e processados conforme as fórmulas acima sugeridas.

A elaboração da função de pertinência, representada pelo gráfico de pertinência de erro, foi calcada em valores extraídos da literatura e da melhor prática de controle. Assim, de acordo com este conceito, o “erro” para cada um dos resultados, erro de vazão (ev) e erro de submergência (es), quando projetados perpendicularmente a partir das abscissas dos respectivos gráficos, interceptam linhas da função de pertinência determinando o valor da pertinência para cada uma das classificações: negativa (N), zero (Z) ou positiva (P). - negativa (N) - a variável de vazão (Q) ou de submergência (S) nesta classificação encontra-se com valor abaixo do esperado. A princípio, a variável que se encontrar nesta classificação denota que providências devem ser tomadas para aumentar seu valor. - zero (Z) - a variável de vazão (Q) ou de submergência (S) nesta classificação encontra-se com valores dentro da faixa ideal. A princípio, a variável que se encontrar nesta classificação deve ser mantida. - positiva (P) - a variável de vazão (Q) ou de submergência (S) nesta classificação encontra-se com valor acima do esperado. A princípio, a variável que se encontrar nesta classificação denota que providências devem ser tomadas para diminuir o seu valor.

Os valores de pertinência de cada classificação são armazenados para posterior aplicação em regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30), que levarão em consideração outras variáveis além dessas.

Modelagem dos atributos de entrada: “Variação do erro de vazão” e “Variação do erro de submergência”

A variação do erro (Δe), propriamente dita, define-se como o quanto o valor instantâneo (e‘) do parâmetro que está sendo monitorado se altera em relação ao valor registrado imediatamente na medida anterior (e1’1). O resultado indica a tendência da leitura seguinte para o parâmetro monitorado. Assim pode-se esperar que o parâmetro continue caindo em relação a um valor ideal, aumentando, ou esteja estabilizado.

A variação do erro (Δe) será aplicada, conforme função abaixo indicada, em relação às sucessivas leituras de “erro” captadas e registradas tanto para as variáveis de vazão (Q) como para as de submergência (S).

Onde: (Δe) é a variação do erro, (e1) o valor instantâneo, (eM) a medida imediatamente anterior, que são aplicados independentemente para cada uma das variáveis vazão (Q) e submergência (S) captadas sucessivamente.

Para classificar a “variação do erro” também foi adotada a nomenclatura: negativa (N), se o valor for menor do que o medido anteriormente. Zero (Z) se o valor for igual e positiva (P) se o valor for maior do que o anteriormente registrado.

A Figura 4 apresenta graficamente a função da “pertinência da variação do erro de vazão” e a Figura 4A a “variação do erro de submergência”.

Assim, de acordo com este conceito já aplicado anteriormente, a “variação de erro” para cada uma das variáveis escolhidas de controle, vazão (Q) e de submergência (S), quando projetadas perpendicularmente a partir das abscissas dos respectivos gráficos, interceptam as linhas de função determinando o valor da pertinência para cada uma das classificações: negativa (N), zero (Z) ou positiva (P).

Os valores de pertinência são armazenados para posterior aplicação em regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30), que levarão em consideração outras variáveis além dessas.

O sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100) ora proposto é capaz de reagir constantemente, a partir da análise destes atributos de entrada, e de outros que serão apresentados mais adiante, ao detectar um cenário alterado que venha a ocorrer dentro do poço.

Desse modo, à medida que o fluido é bombeado do poço (1), a submergência (S) da bomba centrífuga (34) diminui. Se for atingido um limite mínimo de submergência (S) definido pelo operador, o que indica que a vazão de projeto é maior que a capacidade de alimentação do reservatório, o módulo difuso (15) reprocessa os novos dados automaticamente, e passa a controlar a frequência do motor elétrico (31) de modo a garantir a submergência (S) definida pelo operador, evitando que a bomba centrífuga (34) venha a operar sem a adequada alimentação de líquido.

Modelagem do atributo de entrada: “Temperatura do Motor”

A temperatura máxima admissível do motor é definida pelo fabricante na fase de projeto e não deve ser ultrapassada, sob pena de severas conseqüências em termos de redução da sua vida útil. Os quadros de comando tradicionais simplesmente desligam o motor caso sejam atingidos determinados limites. Assim, a temperatura do motor deve ser monitorada e controlada para que não atinja valores limítrofes, que possam causar o seu desligamento.

A temperatura do motor normalizada pode ser definida por:

Onde: (Tm) é a temperatura do motor (31), °K; (Tadm) é a temperatura máxima admissível para o motor (31), °K. E (Tn) é a temperatura do motor (31) normalizada.

Captada a temperatura do motor (31), o módulo difuso (15) de processamento calculará a temperatura do motor normalizada (Tn), e com este valor determinará o valor da pertinência dentro da sua classificação.

Assim, de acordo com o conceito anteriormente citado, a temperatura do motor normalizada (Tn), quando projetada perpendicularmente a partir da abscissa do gráfico de temperaturas intercepta uma das linhas de função, conforme mostrado na Figura 5, determinando o valor da pertinência para cada uma das classificações: baixa (L), média (M) ou alta (H).

Mais uma vez o valor de pertinência é armazenado para posterior aplicação em regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30), que levará em consideração esta informação como atributo de entrada, bem como as anteriormente processadas e o atributo de variação da potência ativa, que será explicado mais adiante.

O sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100) é capaz de manter a temperatura do motor sempre abaixo do seu limite.

Atualmente, os quadros de comando e proteção possuem um sistema que desliga a alimentação elétrica quando a temperatura atinge o limite previsto. Porém, os desligamentos são indesejáveis porque reduzem a vida útil do motor.

Por outro lado, o carregamento do motor é fator importante na 10 geração de calor no fundo do poço. Assim, ao invés de desligar o motor quando a temperatura deste se aproximar do valor limite, pode-se reduzir a frequência (e o carregamento), o que é realizado pela invenção proposta.

Modelagem do último atributo de entrada: Coeficiente de variação da 15 potência ativa.

Variações de corrente ativa caracterizam interferência de gás, e também são consideradas pela atual invenção na determinação da frequência de acionamento do motor elétrico (31), que faz uso de um algoritmo instalado no módulo difuso (15), evitando-se assim atingir 20 condições operacionais que determinem que o intertravamento pare desnecessariamente o equipamento de bombeio (30) devido à presença excessiva de gás.

A instabilidade na operação da bomba centrífuga (34), causada pela interferência de gás, é retratada pela ocorrência de variações bruscas na 25 massa específica do fluido bombeado, com consequentes variações bruscas na potência requerida do motor elétrico (31), e com reflexos em termos de variações bruscas de corrente e potência ativa.

Uma eventual redução na tensão é compensada por um acréscimo na corrente. Portanto, o monitoramento de variações na potência elétrica 30 ativa (pea) indicará interferência de gás.

A potência elétrica ativa (pea) pode ser determinada por equação padrão da técnica:

Onde: Vm é a tensão do motor elétrico (31), lf é a corrente em cada fase do referido motor, e cos cp o fator de potência.

Por meio dos sensores de fundo (35), as variáveis necessárias como dados de entrada na equação, são captadas instantaneamente e então processadas no módulo de processamento primário (14), conforme a fórmula acima sugerida, obtendo-se um valor de potência elétrica ativa (pea) em um determinado momento.

O módulo de processamento primário (14) calculará em um determinado período de tempo uma série de valores de potência elétrica ativa (pea) medidos em uma periodicidade temporal padrão, por exemplo, a cada segundo. A partir dos dados coletados, armazenando no mínimo uma série de dez medidas sucessivas, estabelece a média dos valores amostrados e o seu desvio padrão.

Desse modo, o módulo de processamento primário (14) efetua uma rotina de leitura, processamento e armazenamento de uma faixa de amostragem de valores de potência elétrica ativa (pea). Este conjunto de valores será utilizado para o cálculo de um coeficiente de variação (CV) da potência elétrica ativa, que será enviado para módulo difuso (15), onde será determinando o valor da pertinência correspondente. O valor do coeficiente de variação (CV) da potência elétrica ativa será considerado um atributo de entrada do algoritmo de controle difuso, juntamente com os cinco acima já apresentados.

Coeficiente de variação é um parâmetro adequado para representar as variações de uma grandeza em torno de um valor médio. Considerando uma amostra com N pontos, o coeficiente de variação (CV) da potência elétrica ativa é obtido com:

Onde: x é a média dos valores amostrados, e (Í) é o desvio padrão da amostra.

Os valores do coeficiente de variação (CV) da potência elétrica ativa são calculados pelo módulo de processamento primário (14) e repassados ao módulo difuso (15), onde será determinado o valor da pertinência dentro da sua classificação: baixo (L), médio (M) ou alto (H).

Mais uma vez, de acordo com o conceito já revelado, o valor do coeficiente de variação (CV) da potência elétrica ativa, quando projetada perpendicularmente a partir da abscissa do gráfico de “potências ativas” intercepta uma das linhas de função, conforme mostrado na Figura 6, determinando o valor da pertinência para cada uma das classificações: baixa (L), média (M) ou alta (H).

Finalmente, com o valor e classificação da pertinência dos seis atributos de entrada é possível à aplicação das regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30).

Considerando-se os seis atributos de entrada, com três estados possíveis em cada um deles, são necessárias 81 regras para cobrir todas as alternativas de controle de vazão ideal. E outras 81 regras para cobrir todas as alternativas de controle de submergência. As condutas associadas a cada regra adotada, foram obtidas a partir da melhor prática operacional disponibilizada pelos operadores ou por literatura e pesquisas do ramo.

Nesta última fase, o módulo difuso (15) apenas associará os valores/classificação dos seis atributos de entrada às regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30) por meio de um algoritmo difuso, que foi programado para fornecer uma conduta para cada uma das 162 combinações representativas de cenários que se espera ocorrer em um poço de petróleo.

A seguir, os valores das variáveis lingüísticas de saída inferidas pelas regras difusas serão traduzidos num valor discreto, calculado como uma média ponderada dos máximos, cujos pesos são os resultados da inferência. Este cálculo conduz ao incremento de freqüência previsto tanto para o controle de vazão quanto para o controle de submergência, sendo que o menor entre os dois valores de incremento de frequência é selecionado para envio ao DW (16).

Como foi mencionada inicialmente, a especificação dos atributos necessários para realizar este controle, pode ser ampliado conforme as necessidades e o desejo de refinar o controle. E as regras de condutas que serão apresentadas posteriormente, são as preferencialmente adotadas, não sendo um parâmetro limitativo ou obrigatório.

O sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100), através do DW (16), permite a mudança da frequência de alimentação do motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30). O controle é realizado a partir da conduta determinada pelo módulo difuso (15), e transmitido ao módulo de comunicação serial (13) e deste ao DW (16) que controla a velocidade do motor elétrico (31).

Em síntese, a variável manipulada será a frequência do motor elétrico, por meio do DW (16).

As variáveis controladas serão a vazão e o nível dinâmico, através de regras de conduta que consideram a temperatura do motor e a interferência do gás. Assim consegue-se evitar condições operacionais de interferência de gás e a temperatura elevada do motor, sem que haja desligamentos.

Uma exemplificação de como se comportam as regras de condutas é apresentada a seguir.

Para a combinação dos quatro valores encontrados de pertinência: - de temperatura do motor na classificação baixo (L), - interferência de gás na classificação baixo (L), - erro de vazão na classificação negativa (N), - variação de erro de vazão na classificação negativa (N), estabeleceu-se como regra de conduta um incremento frequência de valor positivo (P).

Seguindo a mesma lógica, as 162 regras de condutas podem ser mais bem visualizadas por meio da Tabela 1 - erro de vazão, e, Tabela 2 - erro de submergência, apresentadas a seguir: TABELA 1

As vantagens do sistema de controle automático de bombeio centrífugo submerso para poços de petróleo (100) não se restringem à manutenção constante das condições ideais de operação do equipamento de bombeio. Por ler e calcular constantemente diversas variáveis referente 5 às condições do poço é possível criar um histórico de comportamento da produção para eventuais ajustes do próprio sistema (100), ou para pesquisas futuras.

Durante a vida produtiva do poço ocorrem muitas variações em propriedades importantes do reservatório como a pressão estática, a razão 10 gás-óleo, a fração de água e a produtividade do poço, tanto durante a recuperação primária, onde o escoamento no meio poroso ocorre com energia própria do reservatório, como na fase de recuperação suplementar, onde o escoamento no reservatório é suplementado por fonte externa de energia. A presente invenção permite que um mesmo 15 projeto possa ser válido por mais tempo, evitando a necessidade de substituição do conjunto de fundo para fazer frente a alterações em propriedades dos fluidos, ou produtividade do reservatório, imposta pela natureza ou por projetos de recuperação suplementar.

Mas o objetivo principal da atual invenção é oferecer ao mercado um 20 modelo de sistema simples, capaz de operar com alta confiabilidade, de forma remota ou automaticamente, sem gerar perda de eficiência ou de tempo.

Finalmente, ficam também evidenciadas as possibilidades de aplicações da atual invenção, visto que por ser capaz de se auto-ajustar, constitui uma boa alternativa para as operações em poços com as mais diversas características de produção.

A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro do conceito inventivo aqui descrito.

Claims (11)

1. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, que compreende um equipamento de bombeio (30) montado em um poço de petróleo (1), caracterizado por o referido sistema (100) compreender um quadro de controle (10), um transformador elétrico (20), que alimenta o motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30) por meio de um cabo elétrico de potência (32); na base do motor elétrico (31) ter instalados sensores de fundo (35), que transmitem sinais de pressão e temperatura de fundo de poço através do cabo de potência (32) para um módulo de filtragem de sinais (40), o qual por sua vez transmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle (10); na cabeça do poço também ter instalados sensores de superfície (35') capazes de transmitir sinais de pressão e vazão através do cabo (32'), também para o módulo de filtragem de sinais (40), o qual retransmite o sinal, na forma digital, para o quadro de controle (10); os sinais analógicos (Sa) dos sensores de fundo (35) e dos sensores de superfície (35') transmitidos ao quadro de controle (10) serem captados por um controlador lógico programável (11) através de um conversor analógico/digital (12); os sinais já em formato digital (Sd) dos sensores de fundo (35) e dos sensores de superfície (35') transmitidos ao quadro de controle (10) serem captados pelo controlador lógico programável (11) diretamente através de um módulo de comunicação serial (13); em um módulo de processamento primário (14) serem executadas rotinas de intertravamento e alarme, além de estimativa dos valores instantâneos das variáveis que não possuem sensores; também neste módulo de processamento primário (14) ser feito o cálculo do coeficiente de variação da potência ativa; o processamento de controle ser executado em um módulo difuso (15), cujo sinal de saída é o ponto de ajuste da frequência de alimentação do motor elétrico (31); o referido sinal de saída ser enviado a um DVV (16) (Dispositivo para Variação de Velocidade) via o módulo de comunicação serial (13); o módulo de comunicação serial (13), através de uma rede de comunicação de campo pré-determinada, disponibilizar as informações de variáveis elétricas de potencia elétrica ativa (pea) e de frequência elétrica (f) para o equipamento de bombeio (30); o módulo difuso (15) operar com um algoritmo de controle difuso, o qual gera os sinais para que o motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30) possa iniciar e conservar seu funcionamento mantendo a vazão da bomba centrífuga (34) preferencialmente na vazão de projeto; o algoritmo de controle difuso empregar pelo menos seis atributos de entrada, a saber: - o erro referente a vazão; - o erro referente a submergência; - a variação do erro de vazão; - a variação do erro de submergência; - a temperatura do motor - a interferência de gás, representada pelo coeficiente de variação na potência elétrica ativa (pea);

2. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os sinais de saída de ajuste da frequência de alimentação do motor elétrico (31), inferidos pelas regras difusas, serem traduzidos em um valor discreto, calculado como uma média ponderada dos máximos, cujos pesos são os resultados da inferência; este cálculo resultar o incremento de frequência previsto tanto para o controle de vazão quanto para o controle de submergência, sendo que o menor entre os dois valores de incremento de frequência ser selecionado para envio ao DVV (16).

3. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “erro de vazão” ser processada dentro do módulo difuso (15) onde a variável de vazão (Q) é tratada por meio da fórmula:

Onde: (ev) é o erro de vazão, (Q) é a vazão m3/d e (Qsp) é o ponto de ajuste ideal de vazão m3/d; com os resultados obtidos e por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso; o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores captados de vazão em função de valores ideais, tendo como resultado um grau de erro da vazão (Q), ou pertinência de erro, que é classificado como: negativa (N), se o valor for menor do que o ideal, zero (Z) se o valor estiver dentro da faixa ideal e positiva (P) se o valor for maior do que o ideal.

4. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “erro de submergência” ser processada dentro do módulo difuso (15) onde a variável de submergência (S) é tratada por meio da fórmula:

Onde: (es) é o erro de submergência, (S) é a submergência da bomba (34) e (Ssp) é o ponto de ajuste ideal de submergência; com os resultados obtidos e por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso, o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores captados de submergência em função de valores ideais, tendo como resultado um grau de erro de submergência (S), ou pertinência de erro, que é classificado como: negativa (N), se o valor for menor do que o ideal, zero (Z) se o valor estiver dentro da faixa ideal e positiva (P) se o valor for maior do que o ideal.

5. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “variação de erro de vazão” ser processada dentro do módulo difuso (15) onde a variável de vazão (Q) é tratada por meio da fórmula:

Onde: (Δe) é a variação do erro, (ei) o valor instantâneo de vazão (Q), (ei-1) a medida imediatamente anterior; com os resultados obtidos e por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso, o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores calculados de variação de vazão em função dos valores já registrados, determinando a tendência da próxima leitura de vazão (Q), representado por um grau de variação de erro, ou pertinência de variação de erro, que é classificado como: negativa (N), se o valor for menor do que o medido anteriormente, zero (Z) se o valor for igual e positiva (P) se o valor for maior do que o anteriormente registrado.

6. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “variação de erro de submergência” ser processada dentro do módulo difuso (15) onde a variável de vazão (Q) é tratada por meio da fórmula:

Onde: (Δe) é a variação do erro, (ei) o valor instantâneo de submergência (S), (ei-1) a medida imediatamente anterior; com os resultados obtidos e por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso, o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores calculados de variação de vazão em função dos valores já registrados, determinando a tendência da próxima leitura de submergência (S), representado por um grau de variação de erro submergência, ou pertinência de variação de erro, que é classificado como: negativa (N), se o valor for menor do que o medido anteriormente, zero (Z) se o valor for igual e positiva (P) se o valor for maior do que o anteriormente registrado.

7. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “temperatura” ser processada dentro do módulo difuso (15) onde a variável de temperatura do motor (Tm) é tratada por meio da fórmula:

Onde: (Tm) é a temperatura do motor (31) em °K, (Tadm) é a temperatura máxima admissível para o motor (31) em °K, e (Tn) é a temperatura do motor (31) normalizada; com os resultados obtidos, ainda dentro do módulo difuso (15), por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso, o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores captados de vazão em função dos respectivos valores ideais, tendo como resultado um grau de erro de temperatura do motor, ou pertinência de erro, que é classificado como: baixa (L), se o valor for menor do que o ideal, média (M) se o valor estiver dentro da faixa ideal e alta (H) se o valor for maior do que o ideal.

8. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “coeficiente de variação da potência elétrica ativa” ser processada dentro do módulo de processamento primário (14) onde uma amostra de N valores sucessivos da variável de potência elétrica ativa (pea) é tratada por meio da fórmula:

Onde: X é a média dos valores amostrados de potência elétrica ativa (pea), e (s) é o desvio padrão da amostra; os resultados obtidos são transferidos para o módulo difuso (15), onde por meio de processamento computacional baseado em um algoritmo difuso, o referido módulo difuso (15) ser capaz de relacionar os valores de variação de potência elétrica ativa (pea) em função dos respectivos valores ideais, tendo como resultado um grau de erro da variação da potência elétrica ativa, ou pertinência de erro, que é classificado como: baixa (L), se o valor for menor do que o ideal, média (M) se o valor estiver dentro da faixa ideal e alta (H) se o valor for maior do que o ideal.

9. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a modelagem do atributo de entrada “coeficiente de variação da potência elétrica ativa” processada dentro do módulo de processamento primário (14) necessitar de pelo menos dez amostra de valores sucessivos de potência elétrica ativa (pea).

10. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo difuso (15) associar os valores/classificação dos seis atributos de entrada a regras de conduta de acerto do equipamento de bombeio (30), de forma a fornecer uma conduta para alterar a frequência do motor elétrico (31), sendo cada conduta baseada em uma das 162 combinações representativas de cenários que se espera ocorrer em um poço de petróleo.

11. SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEIO CENTRÍFUGO SUBMERSO PARA POÇOS DE PETRÓLEO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o módulo difuso (15) enviar a regra de conduta através do DVV (16), que por sua vez executa a mudança da frequência de alimentação do motor elétrico (31) do equipamento de bombeio (30).

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