MINIMIZAÇÃO DE GOLFADAS

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um sistema de controle avançado para automaticamente promover a eliminação ou minimização da ocorrência do fenómeno denominado escoamento em golfadas, em um poço de produção de petróleo localizado em águas profundas.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Um grande desafio para a produção de petróleo em águas profundas decorre da existência de instabilidades severas devido ao regime de escoamento em golfadas.

Este fenómeno varia ao longo da vida da plataforma, pois depende de vários fatores, tais como: pressões do reservatório e das linhas, dimensões das tubulações, composição do fluido multifásico (teor de água), abertura da válvula choke de superfície do poço, entre outros.

O uso de técnicas de controle avançado para eliminar, ou minimizar as golfadas tem um grande potencial de aumentar a produção das unidades, além de aumentar a estabilidade dos processos, minimizando eventos de queima de produtos nas tochas e paradas não programadas.

Uma explicação simplificada das golfadas é a seguinte:

- como as plataformas ficam localizadas a vários quilómetros de distância dos poços, o escoamento do fluido produzido nas tubulações pode apresentar este regime em golfadas, com períodos em que pouco líquido chega à plataforma e se acumula nos tubos, e outros períodos, onde grandes quantidades de líquido (golfadas) atingem a plataforma.

As tubulações submersas, notadamente aquelas comumente denominadas de linhas de escoamento e, particularmente, aquelas tubulações que partem de poços de produção submersos para instalações de carregamento podem ser susceptíveis a uma formação de acúmulo ou retenção do material, que produz o fenómeno da golfada, quando liberado. As referidas linhas de escoamento, via de regra, se estendem por milhares de metros ao longo do fundo do mar, o que toma mais crítico o trabalho de identificação e controle da ocorrência dessas intermitências da produção.

Agravando o problema, em muitos casos, a linha de escoamento pode estar a vários metros abaixo da linha d água, o que pode levar à necessidade de by-passes, ou perna vertical, e ainda outras providências para o restabelecimento do escoamento adequado até a superfície.

Estes problemas são agravados quando as linhas de produção possuem trechos descendentes e as instalações de superfície não possuem grandes capacitâncias (ou volumes) para absorver estas perturbações, o que pode gerar um grande número de paradas não programadas por nível muito alto nos separadores.

Outro ponto de perda é que estas oscilações fazem com que a vazão média produzida seja menor do que o seu potencial.

Durante a produção em regime de golfadas, observa-se que a pressão no fundo do poço oscila entre valores altos (devido ao acúmulo de líquido - maior perda de carga e pressão hidrostática) e baixos.

Assim, a vazão produzida também oscila, podendo na média ter uma redução considerável em relação ao seu potencial. Portanto, o desenvolvimento de sistemas automáticos de controle avançado que evitem os escoamentos em golfadas pode trazer ganhos consideráveis para a operação das plataformas.

O objeto principal da presente invenção é prover um sistema que automaticamente controla e garante uma operação em poço de produção de petróleo em águas profundas sem a ocorrência de golfadas, através do uso de medidores de pressão em diversos pontos alternativos da linha e da atuação contínua nas válvulas choke de produção, empregando-se algoritmos computacionais agregados, que monitoram um conjunto de variáveis operacionais. Como vantagens do sistema da presente invenção temos: a redução das perdas, provindas da queima e do número de paradas não programadas da produção; a otimização da produção relativamente à redução do tempo de partida e parada dos poços e da planta de processo, devido a ocorrências inesperadas de golfadas no poço de produção, como da mesma forma, dos transientes gerados nos procedimentos necessários à retomada da produção; e a estabilização da unidade, aumentando a vida útil dos equipamentos e a segurança.

Essas e outras vantagens são alcançadas em face do sistema da presente invenção "automatizar" as melhores práticas de operação.

Classicamente, existe no estado da técnica um paradigma operacional de que se mantiver a válvula choke de superfície do poço 100% aberta significa o máximo de produção possível.

Entretanto, isto nem sempre é verdade, principalmente quando existem instabilidades como as discutidas anteriormente.

Hu, B. (2004) em "Characterizing gás-lift instabilities", Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics, Norwegian University of Science and Technology, PhD Thesis, NTNU, 2004, por exemplo, mostrou que um sistema de controle atuando na válvula choke de superfície estabilizou o processo e gerou um aumento na produção de 17%. Considere-se ainda, nesse caso, que a pressão média no fundo do poço é menor.

Existem na literatura vários outros trabalhos demonstrando o potencial de ganho, que se utiliza de diversos tipos de tecnologias que visam o controle de golfadas em poços para a produção de petróleo.

O documento de patente brasileiro PI 9913875-1 , depositado em 10/09/1999, ou seu correspondente norte americano US 6,041 ,803 publicado em 28/03/2000, descreve um método para a eliminação de golfadas severas em dutos de escoamento multifásico, e dispositivo associado localizado próximo à junção do duto de escoamento, de modo a introduzir uma perda de carga no escoamento do duto. Esse documento, no entanto, não antecipa o emprego de controle na válvula choke ou na árvore molhada ou a montante da válvula choke, para o controle e redução de golfadas.

Outra tentativa de controle de golfadas do estado da técnica é descrita no documento brasileiro PI 0518401-0, relativo a um método e aparelho para controle de formação de acúmulos de líquido ou de gás ao longo da tubulação, mediante a injeção de um agente de redução de tensão superficial de líquido, tal como um espumante. Uma unidade de controle é mencionada, mas com o objetivo de controlar a unidade de injeção do agente de redução de tensão. Da mesma forma, este documento não antecipa o controle de pressão proposto na presente invenção por meio do monitoramento na válvula choke ou na árvore molhada ou a montante da válvula choke, empregando-se ainda algoritmos computacionais, que monitoram um conjunto de variáveis operacionais.

Na "Tese de Doutorado de Jarl Oystein Tengesdal - University of Tulsa - College of Engineering and Natural Sciences - Petroleum Engineering", sob título - "Severe Slugging Elimination in Ultra Deep Water Tiebacks and Risers", publicado em 07/10/2002, o estudo observa que, através da criação de uma pequena queda adicional da pressão através da válvula choke, é possível eliminar golfadas severas. Os experimentos são conduzidos considerando pontos de vazão total ou parcialmente obstruídos por golfadas severas.

Como visto, o tipo de escoamento em golfadas, dos fluidos produzidos em poços de produção, gera grandes perturbações para as plataformas de produção, bem como promove grande variação nas pressões e nos níveis dos processos. Em muitos casos, estas perturbações chegam a levar a uma parada não programada da produção, e em outros leva a danos nos equipamentos, como os trocadores de calor. Assim, as golfadas têm um grande impacto na confiabilidade da operação, pois afetam a disponibilidade e a qualidade dos produtos (BSW, TOG, e a Umidade).

Portanto, existe um problema complexo de controle para, a partir das medições, conseguir-se atuar dinamicamente nas válvulas choke de produção de forma a definir um novo tipo de escoamento, sem grandes golfadas.

A adoção do sistema da presente invenção irá permitir que as plataformas tenham uma maior estabilidade e consequente aumento de produção, com a implantação de um sistema avançado de controle antigolfadas.

Esta tecnologia também tem impactos na produção, com a minimização de perdas em face da diminuição do número de ocorrências de paradas não programadas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O sistema avançado de controle automático para minimização de golfadas, descrito na presente invenção foi desenvolvido para a produção de petróleo em águas profundas com a existência de instabilidades severas devido ao regime de escoamento em golfadas, com a pressão no fundo do poço oscilando entre valores altos e baixos, onde dito sistema é composto por uma medição da posição da válvula de controle choke de produção - PV-01 , empregando um controlador ZIC-01 , responsável por manter a referida válvula na posição desejada pela operação; um controle das pressões do poço através de controladores de pressão PIC-01 , e PIC- 02 a jusante da válvula choke, para controle das válvulas de controle choke - PV-01 , em que o controle PIC-02 é um controlador de pressão máxima que atua através do seletor de menor sinal; um controlador ZIC-01 define o setpoint do controlador de pressão PIC-01 ; uma chave de controle HS seleciona o sinal (PV) para o controlador de antigolfadas PIC-01 , a qual permite ao operador optar qual será a variável de controle; um sensor ZT-01 de uma zona de transporte; e um sensor de pressão-PT-02 a jusante da válvula choke de produção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A presente invenção poderá ser melhor entendida a partir dos desenhos que ilustram o sistema avançado de controle anti-golfadas, em que:

A Figura 1 - reflete um sistema tradicional de controle de golfadas, onde pode ser visto o emprego de sensores e equipamentos de monitoramento utilizados em sistemas clássicos de poços de produção;

A Figura 2 - é um diagrama esquemático dos sensores, válvulas e controladores do sistema de controle avançado de antigolfadas da presente invenção;

A figura 3 - ilustra um diagrama de blocos do controle associado ao PIC-01 , PIC-02 e ZIC-01. Trata, portanto, de um diagrama de blocos do algoritmo de controle do sistema avançado de controle antigolfadas;

A Figura 4 - ilustra a arquitetura do sistema de controle avançado de antigolfadas. Nessa figura é mostrada outra visão da arquitetura dos blocos de controle do sistema de controle avançado antigolfadas;

A Figura 5 - ilustra uma interface de operação do controle antigolfadas;

A Figura 6 - é um gráfico que demonstra a produção do poço sem controle (curva B - com golfadas severas) e com controle antigolfadas (curva A).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O Sistema Avançado de Controle Automático para Minimização de

Golfadas da presente invenção é capaz de eliminar as golfadas, minimizando os problemas associados com a ocorrência de golfadas severas, bem como os possíveis descontroles nas plantas, que podem resultar em queima de hidrocarbonetos na tocha.

Costuma-se medir as pressões e temperaturas nos poços de produção (PDG - Permanent Downhole Gauge), e na árvore de natal molhada (TPT- Temperature and Pressure Transducer), bem como na chegada na plataforma.

Em função destas medições, pelo sistema da presente invenção os operadores definem uma posição para a válvula choke de produção que minimize as golfadas.

O Sistema Avançado de Controle Automático para Minimização de Golfadas utiliza para a sua realização, os seguintes dispositivos indicados na figura 2:

· Sensores de pressão nas colunas dos poços de produção (PDG);

• Sensor de pressão (TPT) nas árvores de natal molhadas (ANM) dos poços;

• Sensor de pressão a montante da válvula choke de produção (PT- 01 );

« Válvulas de controle - choke de produção (PV-0 ), controladas pelo sistema de controle das pressões do poço (PIC-01 e PIC-02) de forma a eliminar as golfadas;

• Controlador de posição da válvula choke (ZIC-01), responsável por manter esta válvula na posição desejada pela operação;

· Controlador de pressão máxima a jusante da válvula choke (PIC-

02) que atua através do "override" (seletor de menor sinal) garantindo a máxima pressão admissível nos equipamentos da planta de processo da plataforma.

Além do sistema da presente invenção ser exemplificado quando aplicado para um poço de produção, o sistema de controle antigolfadas pode se aplicar a um número variável de poços, assim como para manifolds submarinos.

O funcionamento do sistema é descrito a seguir.

O sistema avançado de controle antigolfadas consiste em se medir a pressão no fundo do poço ou, alternativamente, na árvore de natal molhada - ANM, ou quando nenhuma das medições anteriores está disponível, é medida a pressão a montante da válvula choke de produção.

A seguir, é preciso manipular continuamente a válvula de produção na superfície (choke), de forma a estabilizar e manter a pressão de fundo a mais baixa possível para aumentar a produção.

Pode-se escolher através de uma chave de controle (HS), se a variável de controle será a pressão de fundo (PDG) ou a pressão na árvore de natal molhada (TPT), ou a pressão a montante da válvula choke (PT-01).

O algoritmo do controle de pressão (PIC) é normalmente o PID

(Proporcional-Integral-Derivativo).

O problema a ser resolvido por esta estratégia é o seguinte:

- qual é o valor do setpoint do controlador de pressão?

Este setpoint ótimo vai depender da vazão de gas-lift utilizada e também da composição atual do poço (teor de água, gás e óleo).

A inovação proposta, conforme pode ser visto na figura 2, utiliza uma medição de posição da válvula choke, que através de um controlador ZIC-01 define o setpoint do controlador de pressão (PIC-01), com o objetivo de manter a posição da válvula choke de produção em torno de um valor desejado pelo operador. Os algoritmos de controle utilizados nos PIC-01 , ZIC-01 e PIC-02 podem tanto ser o PID como o ONFC (On-line neurofuzzy controller).

O algoritmo PID é o algoritmo de controle mais usado na indústria e tem sido utilizado em todo o mundo para sistemas de controle industrial. Como o nome sugere, o algoritmo PID é composto por três coeficientes: proporcional, integral e derivativo, que são variados para obter a resposta ideal.

O ONFC é um algoritmo de controle adaptativo não linear, que ajusta a sua sintonia automaticamente em função das características dos poços conforme demonstrado por Gouvêa, 2005, Carvalho et al., 2010 e no documento de patente, depósito de pedido de patente BR 10 2012 027338- .

Assim, a vantagem do ONFC é que ele se adapta a uma dinâmica do poço que varia durante os transientes (partida e parada), assim como durante a sua vida.

Ao se utilizar o PID, deve-se periodicamente verificar o seu desempenho e ajustar a sua sintonia, caso necessário.

Outra característica inovadora da presente invenção com relação a controles conduzidos em sistemas tradicionais é a utilização de um sistema de diagnóstico em tempo real que ajusta os parâmetros do sistema de forma a melhorar o seu desempenho.

Muitos poços de produção clássicos regularmente apresentam sensores e equipamentos de monitoramento, os quais são encontrados em muitos deles, como está ilustrado na figura 1 da presente invenção.

Mais detalhadamente, pode ser visto na figura 1 , a representação de um sistema tradicional de controle antigolfadas que, classicamente, para o controle de um poço de produção, emprega uma válvula choke (1 ) de produção na plataforma (8), arvore de natal molhada - ANM (2) (conjunto de válvulas, colocado sobre o solo oceânico, que controla a pressão e vazão de um poço submarino) ligada a um sensor de pressão TPT (5), que mede a temperatura e a pressão na ANM (2) até o fundo do poço (3).

Ainda é previsto um sensor de pressão PDG (4), no fundo do poço (3). Dois sensores de pressão PT (6 e 7) são alocados um na chegada da plataforma (8) e anteriormente à válvula choke e outro após a válvula choke. Com a obtenção dos valores destas medições, os operadores procuram definir qual a posição que deve ser adotada para a válvula choke (1 ) de produção a fim de minimizar as golfadas que ocorram.

A figura 2 é uma representação esquemática do sistema antigolfadas da presente invenção, onde se acham alocados os sensores, válvulas e controladores, de forma a que ocorra efetivamente um controle avançado e permanentemente em curso da produção do poço, a fim de que a ocorrência e os danos gerados pelas golfadas em uma linha de produção sejam minimizados.

O Sistema da presente invenção representado na figura 2 obtém, por meio do transmissor de posição ZT-01 (10), a medição da posição da válvula de controle choke de produção - PV-01 (9), e, empregando um controlador ZIC-01 (11), mantém esta válvula na posição desejada pela operação.

A válvula de controle choke PV-01 (9) é controlada pelos controladores de pressão do poço PIC-01 (12) e PIC-02 (13).

O controlador de pressão PIC-02 (13), a jusante da válvula choke (9), é um controlador de pressão máxima que atua na válvula choke (9) através do seletor de menor sinal (14), para ter assegurada a pressão máxima possível nos equipamentos da planta da plataforma (15). Os controles de pressão PIC-02(13) e PT-02 (16) atuam como controladores override, isto é, como uma suplementação de proteção por pressão muito alta a jusante da válvula choke (9).

O controlador ZIC-01 (11 ) tem a função primordial de definir o setpoint do controlador de pressão PIC-01 (12), ou seja, o valor alvo que o sistema automático do controlador de pressão PIC-01 (12) deverá alcançar. Na operação do controlador ZIC-01 (11) é conveniente incluir uma banda morta em torno do setpoint.

A definição desse setpoint objetiva manter a posição da válvula choke (9) próxima ao valor que o operador pré-determinou como alvo a ser alcançado.

Uma chave de controle HS (17) ainda permite ao operador optar qual será a variável de controle, se ela será a pressão de fundo do poço - PDG (18) ou se será a pressão - TPT (19) na árvore de natal molhada (20), ou, ainda, se será a pressão a montante da válvula choke (9), ou seja, aquela obtida pelo sensor PT-01 (21 ). A chave HS (17) seleciona o sinal (PV) para o controlador PIC-01 (12) de antigolfadas.

Ainda na figura 2, é visto o sensor - ZT-01 (10) de uma zona de transporte, e o sensor de pressão-PT-02 (16) a jusante da válvula choke de produção (9).

Com relação à figura 3, é visto um diagrama de blocos, representativo do algoritmo de controle do sistema avançado de controle antigolfadas da presente invenção, pela atuação do controle associado aos controladores de pressão PIC-01 (12), PIC-02 (13), isto é, controle de pressão a montante e a jusante da válvula choke (9), respectivamente, e ao controlador de posição ZIC-01 (11), controlador responsável por manter a válvula choke (9) na posição definida pelo operador determinando o setpoint do controlador de pressão PIC-01 (12).

O primeiro passo da operação de controle constitui-se na identificação, mediante a leitura dos dados identificados pelos sensores, das pressões do poço de produção e da posição da válvula choke (9). Dessa forma, a etapa (101 ) consiste na leitura das pressões de PDG (18), de TPT (19) e PT-01 (21 ), como também a identificação ZIC-01 (11) da posição da válvula choke (9).

A segunda etapa (102) refere-se a diagnosticar o estado de escoamento do poço, pela análise da pressão e temperatura dos diferentes pontos do sistema de produção acima assinalados, mediante o emprego do algoritmo definido. O algoritmo de controle do controlador de pressão PIC-01 (12) empregado é preferencialmente o algoritmo PID.

A terceira etapa (103) refere-se a definir o transiente da posição da válvula choke (9) com o objetivo de eliminar as golfadas.

Na próxima etapa (104) é feita a comparação entre os transientes definidos para a posição da válvula choke (9) capazes de eliminar as golfadas, e promovidas à escolha da melhor posição da válvula choke (9).

Na etapa seguinte (105) é feito o envio do set da posição da válvula Choke (9) de produção do poço.

Paralelamente, a jusante da válvula choke (9) na etapa de leitura

(106) é lida a pressão da válvula choke (9) de produção no controlador PT- 02 (16).

A partir dessa leitura, a etapa seguinte é a de definição da posição

(107) da válvula choke (9) objetivando evitar uma sobre pressão a montante da válvula choke (9) de produção.

Definida essa posição na etapa (107), dá-se seguimento às etapas (104) e (105), respectivamente de escolha da melhor posição da válvula choke (9) e de envio do set de posição da válvula choke (9) de produção do poço.

Na figura 4, acha-se indicada à arquitetura do sistema de controle avançado de antigolfadas. Nessa figura é mostrada outra visão da arquitetura dos blocos de controle do sistema de controle avançado antigolfadas, visto na figura 3.

Por este diagrama de blocos pode ser visto que uma fase inicial de diagnóstico (201) tem como objetivo a definição do padrão de escoamento do poço de produção, mediante o diagnóstico das principais medições de controle (202) relativo às pressões PDG (18), TPT (19) e PT-01 (21). A partir desta fase é realizado o ajuste das sintonias dos controladores (203), ZIC-01 (11 ), PIC-01 (12), e PIC-02(13).

Na fase seguinte é feita a habilitação do operador na IHM (Interface Homem Máquina) (204) para promover o controle antigolfadas (205) que define a nova posição (206) da válvula choke (9) desejada pelo operador com o objetivo de controlar e eliminar as golfadas.

A próxima fase refere-se à proteção antigolfadas do sistema (207), que garante que a pressão a jusante da válvula choke (9) está em região desejada para a operação, com o operador já habilitado na IHM (204), sendo verificada a pressão a jusante do poço PT-02 (208), e ainda definindo uma nova posição (206) da válvula choke (9), de modo que seja evitada uma sobre pressão a montante da válvula choke (9) de produção. Esta etapa também liga ou desliga o controle automaticamente caso seja necessário.

A figura 5 mostra uma interface de operação de um controle antigolfadas, onde se define por meios computacionais uma nova posição desejada para as válvulas chokes (1 ) de cada poço, assim como os limites mínimo e máximo de abertura destas válvulas de produção, além de poder ligar ou desligar o sistema para cada poço individualmente. Esta interface é implementada no sistema de automação da plataforma.

O algoritmo antigolfadas empregado para definir a nova posição da válvula choke, preferencialmente é o PID ou o ONFC, sendo preferencialmente utilizado o ONFC que apresenta como vantagem o fato dele se adaptar mais adequadamente a uma dinâmica do poço que varia durante os transientes (partida e parada), assim como durante a sua vida.

Pode ser visto por essa interface de operação, que diversos poços podem ser monitorados e estarem sendo controlados contra a ocorrência de golfadas severas, simultaneamente e continuamente, pelo sistema da presente invenção.

A Figura 6 mostra um exemplo do desempenho do "Sistema Avançado de Controle Automático para Minimização de Golfadas" para um poço simulado.

Observa-se que a produção com o novo sistema ficou muito mais estável - (A) (curva com picos menores), com relação à produção sem o controle do sistema da presente invenção (B). A vazão média de produção foi de 3662 m3/d, que é cerca de 2% maior do que a produção sem controle ativo (3588 m3/d). Portanto, apesar do controle manipular a válvula choke (1 ) de produção, neste caso entre 70% e 100% de abertura, a pressão média no fundo do poço foi minimizada, acarretando uma maior produção.

É importante observar que este controle antigolfadas irá manipular dinamicamente as válvulas choke (1) de produção dos poços para eliminar os escoamentos em golfadas, mas sempre tentando manter a posição destas válvulas choke (1 ) em torno de uma posição desejada pela operação que é denominado setpoint do controlador ZIC-01 (10).

Este sistema também possui um dispositivo de diagnóstico, que compensa a grande dinâmica e o caráter variante no tempo deste processo, adaptando os parâmetros dos controladores de forma a obter o melhor desempenho possível.

O sistema avançado de controle antigolfadas de poços da presente invenção pode ser muito importante para a rentabilidade da plataforma (aumento de 2% a 5% da produção), principalmente em campos maduros.

Outro grande ganho deste sistema de controle antigolfadas é a maior estabilidade da planta, que reduz o desgaste dos equipamentos críticos (turbinas, bombas e compressores), e a redução do número de paradas não programadas ou de emergência (trip) da plataforma.

Do ponto de vista de instrumentação, o sistema avançado de controle antigolfadas necessita dos sensores de pressão de fundo e da capacidade de atuação automática na válvula choke de produção.

GLOSSÁRIO DE ABREVIAÇÕES

BSW - água e sedimentos básicos

TOG - teor máximo de óleo e graxa

PDG - medidor de poços permanente

TPT- transdutor de temperatura e pressão

ANM - árvores de natal molhadas

- chave de controle

PIC - controlador de pressão

PID - algoritmo de controle proporcional integral derivativo

ZIC - controlador de posição da válvula choke

ONFC - algoritmo de controle neurofuzzy online

PT - sensor de pressão TPT - sensor de temperatura e pressão PV - válvula choke de controle de vazão HS - chave de controle

IHM - interface homem máquina