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Análise de elastômeros usados no bombeio de cavidades preogr

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vitor teles

on 5 August 2014

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Transcript of Análise de elastômeros usados no bombeio de cavidades preogr

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA ESCOLA POLITÉCNICA
DCTM – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
CURSO DE ENGENHARIA DE MINAS HABILITAÇÃO PETRÓLEO

Análise de elastômeros utilizados no bombeio de cavidades progressivas para produção de óleo na Bacia do Recôncavo


Aluno: Vitor Teles Requião
Orientador: Dr. Luiz Carlos Lobato dos Santos


Salvador-BA
2014

INTRODUÇÃO
Poços surgentes X maduros


Bombeio de cavidades progressivas
Produção de óleos pesados e com sólidos, apresentando baixo custo e pequenas instalações
Método mais indicado para produção em poços rasos (Thomas, 2001)
Apresenta limitações devido ao elastômero da bomba(Mathews, 2002)


Diversos tipos de elastômeros disponíveis no mercado


Ataques de natureza química e física

OBJETIVO


OBJETIVOS ESPECÍFICOS


1. Determinar o estado dos estatores analisados e verificar se causaram a parada do poço A e a perca de produção do poço B.

2. Obter as características dos poços relativas as suas produções, completações e parâmetros operacionais, para que seja caracterizado o ambiente em que os elastômeros das bombas operaram e os novos componentes irão operar.

3. Estimar e analisar as composições dos fluidos produzidos pelos dois poços, de acordo com testes e estudos anteriores, para se verificar a existência de compostos que ataquem químicamente os elastômeros e degradem suas estruturas.

4. Verificar através de testes de imersão os modelos de elastômeros disponíveis na fornecedora NETZSCH® que apresentem melhor resistência aos flúidos produzidos nos poços A e B.

5. Verificar teoricamente se o elastômero com melhor desempenho nos testes de imersão, também é superior ao elastômero que havia sido instalado anteriormente nos dois poços.


REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
BOMBEIO DE CAVIDADES
PROGRESSIVAS (BCP)
BOMBA DO CONJUNTO BCP

Tubulares e Insertáveis


Singlelobe
e
Multilobe

Rotor e Estator



ELASTÔMEROS
Durômetro

Sistema de medição por mola

Medição da dureza de borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar

Escalas Shore A e Shore D

Escala de leitura de 0 a 100

ESPECIFICAÇÃO DOS ELASTÔMEROS
Teste de dureza SHORE
TIPOS USADOS NOS ESTATORES DAS BCPs
Borracha Nitrílica (NBR)
Borracha Nitrílica Hidrogenada (HNBR)
Polímeros fluorados


Ligações muito forte entre carbono e fluor


Alta resistência química e térmica







Borracha Fluorocarbonada (FKM)
Gases
Altas Temperaturas
ALTAS PRESSÕES
GÁS SULFÍDRICO (H2S)
ROTOR
HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS
SÓLIDOS
AGENTES DEGRADANTES DOS ELASTÔMEROS
METODOLOGIA
PROCEDIMENTO PARA ANÁLISE DAS BOMBAS
ESCOLHA DOS NOVOS ELASTÔMEROS
DISCUSSÕES E RESULTADOS

Localizados na bacia do recôncavo

Atualmente ambos produzem flúidos da mesma formação

Foram utilizados mais de um método de elevação artificial em ambos os poços ao longo do tempo de produção

Registros de muitas intervenções

CARACTERÍSTICAS DE PRODUÇÃO
BASIC SEDIMENTS AND WATER (BSW)
Valores médios: 92,34% para o poço A e 93,57% para o poço B

Grande parte do fluido que interage com o material elastomérico dos estatores se trata de água produzida


Valor médio de 116.828 ppm

Extremamente alta a salindidade da água produzida pelos poços (agua do mar máximo 40.000 ppm)

Interação com os elastômeros é desconhecida


SALINIDADE

Poço B
Produção média de 61 m3/d de gás e 10,29 m3/d de óleo

Poço A
Produção média de 182 m3/d de gás e 13,76 m3/d de óleo

RGO
13,27 m3/m3 em A
5,93 m3/m3 em B

Percentagem de gás em relação ao total de flúidos produzidos
50,7% para o poço A
32,8% para o poço B

Razão Gás-Óleo (RGO)
INFORMAÇÕES DOS POÇOS E PARÂMETROS OPERACIONAIS
BOMBAS DOS POÇOS A e B

Bombas WEATHEFORD® modelo WTF 28-40-2500 do tipo singlelobe

DIferencial de pressão = 7 kgf/cm2 por estágio

Elastômeros instalados do modelo HNBR com boa resistência ao CO2, H2S , bem como a abrasão e temperaturas de até 150ºC

Resistência aos hidrocarbonetos aromáticos é limitada

Periodo de operação
Poço A: inicio em 28 de agosto de 2013 vindo a ser encontrado sem produzir no dia 30 de janeiro de 2014 (155 dias)

Poço B: entrou em operação 18 de agosto de 2013 vindo a ser constatado queda em seu rendimento no dia 17 de fevereiro de 2014 ( 183 dias)

O fabricante não define um tempo de vida útil específico do equipamento e não oferecem nenhuma garantia


COMPOSIÇÃO DOS FLÚIDOS PRODUZIDOS
ESTUDO E TESTE DOS MODELOS DE ELASTÔMEROS
ANÁLISE DOS PRODUTOS DA FORNECEDORA NETZSCH®
Materiais testados e suas aplicabilidades

Modelo HTR 332


óleos entre 18º e 40º API e com presença de aromáticos

Apresenta uma excelente resistência á abrasão

Resistência média á óleos com alto BSW e teores de CO2

Boa resistência ao H2S

Opera em temperaturas de até 140ºC

O teste foi iniciado no dia 08/05/2014 sendo finalizado dia 15/05/2014, com um total de 168 horas de teste.


Valores positivos na variação do volume total nos mostra que houve inchamento da borracha enquanto que valores negativos indiam que houve desgaste.

Teste de imersão
COMPARANDO OS ELASTÔMEROS
CONCLUSÕES
REFERÊNCIAS
VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DAS HASTES DE BOMBEIO
PRESSÕES SOBRE AS BOMBAS
BCP convencional
Bomba do conjunto BCP
Fonte: Rebouças (2005)

Esquema de componentes do BCP
Fonte: Modificado de Dunn et al. (2007)

Corte transversal de uma bomba singlelobe
Fonte: OilProduction (2014)

Interferência entre rotor e estator evidenciando linha de selo
Fonte: Cornejo (2009)

Fonte: Autoria própria
Esquema do durômetro e seus componentes
Fonte: CIMM (2014)

Elastômero com falhas devido a descompressão explosiva
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Elastômero degradado em operação por alta temperatura
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Caso extremo de estator degradado por operar sob altas pressões
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Caso extremo de elastômero degradado por ação do rotor
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Caso extremo de estator danificado por hidrocarbonetos aromáticos
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Copolimerização de butadieno e acrilonitrila para obtenção do NBR
Fonte: Modificado de Rubberpedia (2014)

Produção Bruta nos poços A e B
Fonte: Elaboração própria

Poço A
Poço B
Pela completação dos poços pode-se afirmar que os gases livres e dissolvidos no óleo estiveram em contato com os elastômeros analisados


Modelos testados:


237
- NBR com médio teor de Acrilonitrila


286
- NBR com alto teor de Acrilonitrila


HTR312
,
320
,
HTR332
- Copolimero de acrilonitrila e butadieno parcialmente hidrogenado (HNBR)


451
- Borracha fluorocarbonada com alto teor de flúor (FKM)





Testes de imersão somente avaliam a resistência química que os materiais apresentam frente aos ataques dos fluidos produzidos

A resistência mecânica de cada modelo frente as condições de operação no interior dos estatores somente pode ser avaliada com a operação da bomba no poço

Verificou-se ao longo do estudo que o ambiente em que as bombas operam nos poços A e B não oferecem alta agressividade mecânica aos elastômeros, pois apresentam profundidades, temperaturas e pressões dentro das faixas recomendadas pelos fabricantes

Resultado dos testes altamente confiáveis


A WEATHEFORD® indica o uso do modelo HNBR para a produção de óleos pesados ou medianos, com baixo teor de aromáticos e H2S.

NETZSCH® indica o modelo HTR 312 para produção de óleos de leves a médianos, onde exista presença de aromáticos nos fluidos.


Diferença de resistências ao CO2 e H2S podem ser menosprezadas

O principal item a ser levado em consideração é a resistência que apresentam aos aromáticos

Modelo HTR312 deve apresentar melhores resultados que o modelo HNBR

Existe a possiblidade do modelo HTR312 ser mais agredido pelos contaminantes (H2S e CO2), porém com os pequenos teores encontrados isso é pouco provável de ocorrer.

Estado dos elastômeros:
Poço A
Superfície com pequenas deformações associadas ao ataque de aromáticos ou contaminantes que não pode ser a causa principal da parada do poço
Poço B
Perda de parte da linha de selo ao longo da bomba causou redução de 1028,25 bbl/d para 479,85 bbl/d em sua produção bruta, e pode ser associada ao ataque de contaminantes ou hidrocarbonetos aromáticos


Características operacionais dos poços A e B:
Óleo produzido possui um alto grau ºAPI (39,1)
Os sólidos produzidos são de pequenas granulometria
As temperaturas encontradas são baixas e dentro do limites recomendados
Presença de gás livre e dissolvido, na profundidade em que as bombas analisadas haviam sido instaladas
Os dois poços apresentam altos valores de BSW e salinidade
As velocidades de rotação dos rotores em ambos os poços estiveram ,grande parte do período de operação, dentro das faixas recomendadas pelo fabricante
As pressões existentes sobre as bombas estiveram a todo momento dentro de seus
ranges
operacionais



TRABALHOS FUTUROS


Se propõe que seja feito um novo estudo considerando:

A água produzida e sua interação com os materiais elastoméricos

Poços que possuam as composições de seus fluidos produzidos

Testes de imersão onde os elastômeros estejam fixos no inteiror das gaiolas

CFER - Introduction to PCP Systems and PC-PUMP Software Training. Alberta, Canadá: CFER Technologies
http://www.cfertech.com/downloads/introduction-pcp-systems-and-pc-pump-software-training. Acesso em 24/06/2014 as 11:40 da manhã

CIMM - Centro De Informação Metal Mecânica. <http://cimm.com.br/portal/ material_didatico/6563-o-durometro-shore#.U8FttrGa_Ul>.
Acesso em 12/06/2014 ás 13:30.

CORNEJO, R.P. Bombeo de Cavidades Progressivas. Monografía de grado, Universidad autónoma Gabriel Reme Moreno. Camiri, Bolivia,2009

CTB – Ciência e Tecnologia da Borracha <http://www.ctb.com.pt/?page_id=861>. Acessado em 20/06/14 ás 09:30.

DUNN, L.J.; MATTHEWS, C.M.; ZAHACY, T. A.; FRANCISCO J.S. ALHANATI, F.J.S.; SKOCZYLAS, P. Progressing Cavity Pumping Systems.
ln: DUNN, L.J.Petroleum Engineering Handbook: Production Operations Engineering. Vol.IV. SPE,Chapter 15, p.757 – 838, 2007.

NETZSCH®, Oilfield Upstream Products and Accessories for North America. Product Catalog, 2012.

OILPRODUCTION - < http://www.oilproduction.net/01pcp-fotos.htm > Acesso em 27/05/14 ás 15:50

PCPOILTOOLS - <http://pcpoiltools.com/seccion detalle.php?ididioma=2&idsede= 1&idseccion=38&idcarpeta=28 >. Acessado em 05/06/14 ás 10:32

REBOUÇAS, A. S. , 2005, apud ASSMANN, B. W, Estudo de Estratégias de Otimização para Poços de Petróleo com Elevação por
Bombeio de Cavidades Progressivas. 2008, 224 p.,Tese de Doutorado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia. Natal-RN, Brasil.

RUBBERPEDIA - <http://www.rubberpedia.com/borrachas/borracha-nitrilica.php> Acesso em 25/05/2014 ás 15:22

THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo, Rio de Janeiro: Interciência, 2001.

TRINDADE, L.A.F. ; GAGLIANONE, P.C. Caracterização Geoquímica dos òleos da Bacia do
Recôncavo, CENPES, Rio de Janeiro, Brasil,1988

WEATHERFORD® - Programa de Treinamento em BCP , São Leopoldo –RS, Brasil, 2010.

WEATHERFORD®, Bombas Tubulares. Catálogo de produtos. São Leopoldo – RS , Brasil, 2012.

Obtenção dos parâmetros operacionais das bombas

Especificações e período de operação

Verificação das imagens dos estatores das bombas e seus elastômeros
Caracterização do ambiente de operação:
Período : Agosto de 2013 á fevereiro de 2014
Parâmetros buscados: BSW; salinidade; Razão Gás-Óleo (RGO); Velocidade de rotação das hastes; pressões de fundo; temperatura de fundo; sólidos produzidos; produções bruta e de óleo

Caracterização dos fluidos produzidos :
Composição do gás ( 23 de janeiro de 2014)
Composição do óleo

Análise dos tipos de elastômeros testados e suas aplicabilidades ( NETZSCH®)

Teste de imersão nos poços A e B:
6 corpos de provas de diferentes tipos de elastômeros inseridos na gaiola de elastômero
Temperatura de 45ºC encontradas em ambos os poços
O teste foi iniciado no dia 08/05/2014 sendo finalizado dia 15/05/2014, com um total de 168 horas de teste
Verificação de mudanças no volume e na dureza dos corpos de prova

Comparação entre os modelos
Parâmetros mais críticos foram o BSW e o ºAPI

Os elastômeros mais indicados para trabalhar com óleos leves (286 e 451) são os piores para se trabalhar com altos valores de BSW.

Não se pode definir teoricamente, pelas indicações do fornecedor, qual o melhor material paras as condições de operação dos poços A e B.
OBJETIVO GERAL

Determinar os materiais elastômericos utilizados nas bombas BCPs que são
mais indicados para a produção de petróleo em dois poços localizados na Bacia do Recôncavo.

Fonte: Autoria própria
Bomba multilobe
Fonte: Petrowiki(2014)
Fonte: Dados internos da PETRORECONCAVO
®
Processo de obtenção do HNBR
Fonte: CTB (2014)

Caso extremo de elastômero danificado por sólidos
Fonte: WEATHERFORD® (2010)

Parte superior do estator danificado (Poço A)
Fonte: Elaboração própria

Parte central do estator danificado (Poço A)
Fonte: Elaboração própria

Parte inferior do estator danificado (Poço A)
Fonte: Elaboração própria

Parte superior do estator danificado (Poço B)
Fonte: Elaboração própria

Parte central do estator danificado (Poço B)
Fonte: Elaboração própria

Parte inferior do estator danificado (Poço B)
Fonte: Elaboração própria

Valores de BSW durante período de operação das bombas
Fonte: Elaboração própria

Pressão de admissão na bomba em Kgf/cm2 nos poços A e B
Fonte: Elaboração própria

Pressão na descarga das bombas em Kgf/cm2 nos poços A e B
Fonte: Elaboração própria

Amostra de sólidos produzidos pelo poço A
Fonte: Autoria própria

Fonte: Dados internos da PETRORECÔNCAVO®
Fonte: Modificado de Trindade/Gaglianone (1988)
Temperaturas de operação recomendadas pelo fabricante
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Aplicabilidade de acordo com os teores de CO2 contidos no fluido produzido
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Performance dos modelos de acordo com o BSW dos fluidos produzidos.
Linha azul claro (Poço A) e azul escuro (Poço B).
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Recomendação de uso a depender do conteúdo de gás no fluido produzido
Linha azul claro (Poço A) e azul escuro (Poço B)
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Performance dos modelos de acordo com teor de H2S dos fluidos produzidos
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Performance dos modelos de acordo com o ºAPI dos óleos produzidos
Fonte: Modificado de NETZSCH® (2012)

Geometria dos corpos de prova utilizados
Fonte: Elaboração própria

Dados do teste de imersão no poço A

Dados do teste de imersão no poço B


Modelos HTR 312 da NETZSCH® e HNBR da WEATHERFORD®

Legenda: (+bom ++ muito bom +++excelente – fraco)
Fonte: WEATHERFORD® (2012) e NETZCH® (2012)


Elastômero com melhor desempenho nos testes foi o modelo HTR312 pelas suas menores variações apresentadas

Fonte: WEATHERFORD (2010)
Salinidade medida na estação para onde os poços produzem
Fonte: Elaboração própria

Velocidades de rotação das hastes em A e B (RPM)
Fonte: Elaboração própria

Composição do óleo produzido
Composição do gás produzido
Características dos poços A e B
Composição dos fluidos produzidos
Óleo com alto teor de aromáticos (18,7%)
Gás com frações discretas de CO2 e H2S
Hidrocarbonetos aromáticos são os principais agentes degradantes existentes no inteiror dos poços


Testes de imersão
O modelo HTR312, um copolímero de acrilonitrila e butadieno parcialmente hidrogenado (borracha hidrogenada), se mostrou a melhor opção de elastômero a ser usado nos poços
Resultado considerado como altamente confiável devido ao ambiente existente no fundo dos poços analisados oferecerem pouca agressão mecânica e térmica aos materiais ali expostos


Comparação entre os elastômeros HNBR e HTR312
Resistências aos aromáticos foi usado como parâmetro principal
Modelo HTR312 apesar de pouco menos resistente ao H2S e CO2, apresenta uma resistência maior aos hidrocarbonetos aromáticos
Modelo HTR312 foi escolhido como ideal para as próximas bombas a serem instaladas nos poços
Interferência e linhas de selo
Modelo 451 apresentou melhor desempenho porém o modelo HTR312 se mostrou a melhor opção
Fonte: Autoria própria
OBRIGADO
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