INCLUIR BOMBAS MULTIFÁSICAS AO SISTEMA DE CAPTAÇÃO OTIMIZA A ELEVAÇÃO ARTIFICIAL

Desde a sua introdução na indústria do óleo e gás, o Sistema de bombeamento multifásico deu um grande avanço tanto em número de instalações como em desenvolvimento tecnológico. Com a sua capacidade única de bombear tanto gás como líquidos num único processo utilizando um único equipamento, o bombeamento multifásico tem recebido reconhecimento no apoio à produção de óleo e gás a partir de uma variedade de ativos onde anteriormente era impossível.

O bombeamento submerso nos campos de águas profundas e ultraprofundas é um dos principais motivadores futuros do bombeamento multifásico, mas a tecnologia também se consolidou em terra como instrumento de produção para melhorar o desempenho das instalações de bombeios. Tanto a concepção da bomba helico-axial como a da bomba de parafuso duplo foram aplicadas em muitos projetos de produção em terra. Em particular, nos recursos horizontais, as empresas de óleo e gás procuram cada vez mais complementar as instalações existentes com bombas multifásicas que servem sistemas de captação de vários poços em um ou mais locais de produção e ligadas a uma instalação central de processamento.

Até à data, foram instaladas mais de 500 bombas em várias aplicações, tais como xisto onshore , gás húmido e produção de petróleo pesado assistido por vapor e em campos offshore em todo o mundo. Isto inclui bombas de menor tamanho com algumas centenas de cavalos de potência para serviço de gás, bem como unidades maiores com mais de 2.000 cavalos de potência, algumas operando em paralelo como booster de um campo inteiro. O bombeamento multifásico tem demonstrado grandes benefícios para o operador como uma ferramenta poderosa para reservatórios de baixa pressão, minimizando as instalações de superfície ao bombear o fluido do poço não tratado, apoiando as considerações do ESG, e finalmente, acelerando significativamente a produção e adição à recuperação total de óleo e gás.

O bombeamento multifásico permite captar e impulsionar toda a vazão do poço para uma instalação central de processamento sem necessidade de linhas de fluxo separadas, separadores, aquecedores, tanques de armazenamento intermediários, queima de gás, compressores, instalações dedicadas ao bombeamento de óleo/gás/água, etc. A eliminação de equipamento de superfície na plataforma do poço significa instalações substancialmente reduzidas e um fluxo de produção racionalizado que transporta a vazão do poço não tratado através de um oleoduto multifásico a jusante para posterior separação e processamento. Elieminando a queima e perdas devido à infiltração de metano são pontos importantes. O tamanho reduzido das instalações e a sua complexidade, como mostrado na fig. 1, permitirão ao operador satisfazer mais facilmente as expectativas do ESG. O conceito de bloco reduzido pode também incluir medidores multifásicos e válvulas de teste rotativas para testar o poço a montante da bomba multifásica.

A pressurização com bombas multifásicas é uma ferramenta eficiente para a produção contínua de platôs e ajuda a uma melhor recuperação de petróleo. Como ilustrado na figura 2, a produção de platô é significativamente alargada e, no entanto, a recuperação final vem mais cedo na vida do poço com menos hidrocarbonetos abandonados. A produção de líquidos é essencialmente determinada pela capacidade da bomba mecânica alternativa ou da bomba submersível eléctrica. Quando uma bomba multifásica de instalada na superfície abaixa a pressão do fundo do poço, a entrada do poço aumenta. Permite que as bombas submersíveis trabalhem nas melhores condições de entrada possíveis com maior submersão, melhorando assim o seu desempenho e otimizando a produção de um poço e a recuperação da formação final.

Melhorando a elevação artificial

A tecnologia de bomba multifásica preferida é a bomba de parafuso duplo que vem da família das bombas de deslocamento positivo (figura 3). São especialmente adequadas para melhorar o funcionamento e desempenho dos sistemas convencionais de elevação artificial, incluindo ESPs, unidade de bombeio alternativa e elevação de gás.

Uma maneira simples de ilustrar o funcionamento de uma bomba de parafuso é compará-la com uma bomba de pistão imaginária com um curso de pistão infinito. Os dois rotores sólidos com perfis de parafuso são temporizados por um conjunto de engrenagens temporizadas suportadas por rolamentos lubrificados a óleo, que são protegidos de fluidos de processo por selos mecânicos. A direção oposta do fluxo na bomba equilibra as forças hidráulicas axiais, o que elimina a carga de impulso e equilibra o fluxo para reduzir as pulsações e vibrações. Graças às engrenagens sincronizadas, os rotores funcionam sem tocar na carcaça ou nos perfis dos parafusos. As folgas resultantes permitem um fluxo interno de retorno ou deslizamento, que é essencial para a condução e compressão da fase de gás do fluxo multifásico.

A capacidade da bomba de parafuso duplo para lidar com diferentes viscosidades – incluindo emulsões, parafina, e sólidos – enquanto manuseia até 97% de fracções de volume de gás (GVFs) torna-a ideal para complementar as bombas de fundo de poço e os sistemas de elevação de gás, bem como para enfrentar os desafios de WC e GOR de fim de vida útil.

A pressão de descarga da bomba não está relacionada com a pressão de entrada ou ligada a uma determinada relação de pressão. Isto é vital para baixar a captação do fluxo e anular as pressões da cabeça do poço de gás, o que, por sua vez, reduz a importante pressão do fundo do poço e a entrada do poço. Tem um efeito positivo na produção ao mesmo tempo que cria um nível mais elevado de líquido no poço para aumentar a submersão de ESPs ou SRPs, o que tem um significativo impacto positivo no tempo de funcionamento e confiabilidade da bomba do poço. Também melhora o desempenho da elevação de gás ao aumentar a velocidade da tubulação através de uma contrapressão mais baixa no poço.

Um maior número de câmaras de bombeamento é formado na bomba de parafuso duplo quando os dois rotores com perfis de parafuso de malha estão em rotação. Como mostra a figura 4, as câmaras transferem o volume de gás e líquidos contidos em cada câmara da entrada para o lado de descarga dos rotores pelos dois conjuntos opostos de perfis de parafusos.

Processamento de fases líquidas e gasosas

A fase líquida do fluxo multifásico desempenha um papel decisivo para a compressão do gás. Como resultado da rotação do parafuso, a diferença de gravidade entre gás e líquido forçará a fase líquida a separar-se da fase gasosa. Os líquidos permanecerão no anel entre o revestimento e a ponta do contorno do parafuso, enquanto o gás se acumulará ao longo do centro na raiz do perfil do parafuso. Quando o fluxo de fluxo atinge a extremidade do perfil do parafuso, este fica exposto à contrapressão da bomba e desenvolve-se uma fase líquida quase sólida.

Por causa da descarga ou contrapressão da bomba, o líquido fluirá como um deslizamento de anel na direção oposta à do fluxo principal e subsequentemente encherá uma câmara após a outra. O gás retido em cada câmara torna-se comprimido pelo refluxo e o volume de gás é reduzido significativamente à medida que a pressão aumenta na descarga da bomba.

Além disso, o líquido no fluxo de fluxo desempenha um papel importante na vedação dos parafusos, comprimindo o gás e removendo o calor da compressão. Com um GVF muito elevado (98-99%) a integridade da fase líquida já não está assegurada; o líquido pode tornar-se espumoso e o refluxo é indefinido e turbulento, ou simplesmente desaparecer. Se o fluxo de líquido for comprometido, a bomba perderá a capacidade de comprimir gás e poderá ter obstrução por vapor. Se não for suportado por líquidos adicionais, pode resultar em superaquecimento, o que pode danificar a bomba.

A fracção líquida na sucção da bomba precisa de ser mantida a um mínimo de 3-5% do fluxo de entrada. Contudo, a adição de um sistema de recirculação de líquido (figura 5) como parte integrante do pacote da bomba permite que a unidade funcione com 100% de gás na entrada do skid durante um tempo prolongado. O sistema de recirculação de líquido inclui um separador de líquido, que é concebido para reter o líquido adequado para compensar as longas golfadas de gás (slugs) e as condições instáveis de entrada. O sistema de recirculação de líquidos é também importante para partida de poços fechados e com tampas de gás, onde o gás é o fluxo inicial que contém pouco ou nenhum líquido.

Em aplicações de gás húmido e com grandes volumes de gás, o sistema eliminador de líquido também pode funcionar em paralelo com um compressor de captação onde um separador de entrada de tamanho reduzido se torna o eliminador de liquido. Ao adicionar com líquidos do depurador, a bomba multifásica transporta todos os líquidos mais volumes de gás para um re-combinador a jusante do compressor. Isto substitui o vaso receptor e coletor (blow case) e recicla o loop do compressor. A vantagem é que apenas é necessário um gasoduto para levar a produção total para a instalação de processamento de gás e todos os líquidos são eliminados na almofada de produção.

Desafios de produção

O uso crescente de bombas de fundo de poço tornou-se necessário, muitas vezes desde o início da produção de um reservatório à medida que os operadores pressionam para acelerar a recuperação do xisto e formações apertadas com taxas de declínio mais rápidas. Na América do Norte, mais de 90% de todos os poços produtores estão em alguma forma de elevação artificial. Além disso, centros de perfuração de poços múltiplos e produção de almofadas são utilizados para maximizar a eficiência operacional, limitar as preocupações de ESG e minimizar o tamanho das instalações e a pegada.

Contudo, o desenvolvimento de reservatórios não convencionais com base em blocos também pode levar a arquiteturas complexas de poços com bases horizontais longas. A complexidade acrescida torna difícil a elevação com bombas de fundo de poço convencionais e pode apresentar ao operador um conjunto complicado de problemas, incluindo fluxos de produção imprevisíveis com fluxos de rendimento instáveis devido a interrupções e custos não planeados para retrabalhos e intervenções em poços.

Para superar este cenário de produção desafiante, os operadores estão a adicionar o aumento multifásico com bombas de parafuso duplo aos sistemas existentes de elevação artificial e de elevação de gás. A instalação de uma bomba multifásica num sistema de captação multipoços oferece muitas vantagens para melhorar o desempenho de elevações artificiais. A redução da pressão superficial de escoamento reduz a contrapressão nas linhas de escoamento, cabeçotes de produção, cabeças de poços, e mais a montante, bombas de poços a jusante. A pressão superficial mais baixa resulta numa pressão inferior do fundo do poço para uma melhor afluência do poço e um aumento dos níveis de líquido no poço.

Níveis de líquido mais elevados são importantes para a elevação artificial. A submersão mais profunda das ESPs e bombeio mecânico aumenta o seu desempenho hidráulico através da melhoria da cabeça de sucção positiva líquida. Com níveis de líquido insuficientes, as bombas de fundo de poço funcionam na região do ponto de bolha ou perto dela. O gás sairá da solução e restringirá o fluxo de entrada, resultando num mau desempenho hidráulico com uma queda de pressão instantânea e possíveis danos no equipamento.

Ao reduzir a contrapressão da cabeça do poço, o nível de líquido mais elevado resultante manterá o gás em solução e permitirá que a bomba do poço funcione acima do ponto de bolha. Uma bomba de poço funcionando no seu ponto ótimo de eficiência na curva melhorará a sua capacidade de movimentação de gás e reduzirá substancialmente o risco de bloqueio de vapor e perda de head causada por gás incorporado ou livre.

Como mostra a tabela 1, depois de uma bomba multifásica ter sido instalada numa aplicação de campo, o nível mais elevado de líquido associado à pressão inferior do orifício inferior adicionou uma submersão significativa tanto de ESPs como de bombas mecânicas. O trabalho hidráulico reduzido melhora a vida útil, reduz as cargas eléctricas nos ESPs, e diminui o desgaste das hastes da bomba mecânica, acoplamentos e conectores.

Uma vantagem adicional manifestou-se numa situação em que houve problemas em manter um fluxo de produção e pressão constantes nas linhas de teste durante os testes de poços. A colocação de uma bomba multifásica a jusante do separador de poços de ensaio facilita o teste do poço, gerindo o fluxo da linha de ensaio utilizando o controle de velocidade da bomba. A Vazão é diretamente proporcional à velocidade e basicamente independente da contrapressão.

Os poços na elevação do gás também podem melhorar substancialmente a produção e a recuperação total quando são utilizadas bombas multifásicas para reduzir a contrapressão. Os poços de gás, que têm tendência para a carga líquida, podem sofrer um aumento ou um abrandamento devido ao fornecimento de gás de elevação ou ao baixo desempenho das válvulas de elevação de gás podem agora ser suportados pela contrapressão reduzida criada por uma bomba multifásica. Em poços de gás húmido, a contrapressão reduzida da cabeça do poço ajudará a descarregar os líquidos aprisionados no poço muito mais rapidamente do que é possível com os sistemas convencionais trazendo rapidamente os poços de volta à produção. A bomba multifásica baseada em BDU (unidade de purga) e PAMP (bomba multifásica de assistência ao êmbolo) são dois produtos concebidos para mitigar eficientemente os poços de gás com registo de líquidos. (Figura 6 e 7)

As bombas multifásicas assistidas por bombas de fundo de poço terão um desempenho mais eficiente quando enfrentam desafios de garantia de escoamento, tais como o manuseamento de óleo viscoso, emulsões óleo/água (WC), e altos índices de gás/óleo (GOR). Eventos imprevistos numa formação de produção podem resultar em bolsas de gás ou em rupturas de gás que são difíceis de manusear com bombas convencionais. Por vezes, os problemas de garantia de vazão são poços sujeitos a WC crescentes, onde as emulsões óleo/água podem desenvolver-se. A bomba de parafuso duplo é concebida para processar a emulsão sensível ao cisalhamento sem a agrava-la.

Qualquer uma destas condições apresenta desafios operacionais difíceis para qualquer tipo de bomba de fundo de poço. Estudos também demonstraram uma queda significativa no desempenho hidráulico quando um ESP encontra frações de gás mais elevadas, transientes, e lesmas de gás. Os contratempos no desempenho também podem ser causados por óleos brutos cerosos, onde a partida após um poço fechado ou linha de fluxo pode levar a bloqueios ou outras restrições de vazão.

Resumo

Os operadores que procuram sistemas de captação simplificados com um mínimo de equipamento de superfície e área das instalações, observando normas ESG cada vez mais rigorosas, podem ser ajudados adicionando o bombeamento multifásico às suas operações de produção em campo. Enquanto menos intervenções de poços e períodos mais longos entre o serviço e a revisão irão reduzir os custos operacionais, os mais importantes são o aumento do fluxo de receitas provenientes da produção acelerada e a adição de recuperação total de hidrocarbonetos. Uma bomba multifásica pode ser instalada num sistema de captação com pouca ou nenhuma perturbação de produção e pode ser configurada num “kidney loop” ou como um esquema de derivação. Estão disponíveis unidades removíveis e unidades portáteis alimentadas a gás natural para instalações com infra-estruturas mínimas e sem serviço de utilidades.

Uma bomba multifásica a motor elétrico ou a gás natural é auto-suportada com controle automático da velocidade da bomba, instrumentação, e parada de segurança. Foi concebida para operação remota com protocolos padrão de comunicação e controle de operação e aquisição de dados para monitorização em tempo real e acesso remoto.

A bomba multifásica traz um nível extra de segurança num cenário de rápida mudança, acrescentando um melhor controle da vazão e suporte ao funcionamento de bombas de fundo de poço e sistemas de elevação de gás.