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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40205
Tipo: Tese
Título: Estimação da carta dinamométrica de superfície a partir de medições do sistema de acionamento do motor elétrico e do modelo mecânico do sistema de bombeio por hastes.
Autor(es): Silva, Lázaro Edmilson Brito
Primeiro Orientador: Cerqueira, Jés de Jesus Fiais
Segundo Orientador: Lima, Antônio Marcus Nogueira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Oliveira, Amauri
metadata.dc.contributor.referee1: Santos, Eduardo Telmo Fonseca
metadata.dc.contributor.referee2: Barreto Filho, Manuel de Almeida
metadata.dc.contributor.referee3: Araújo, José Mário
metadata.dc.contributor.referee4: Oliveira, Amauri
metadata.dc.contributor.referee5: Lima, Antônio Marcus Nogueira
Resumo: Dentre os métodos de elevação artificial do petróleo, o bombeamento mecânico por hastes é um dos mais utilizados em todo o mundo. Neste sistema, um volume de fluido é elevado à superfície por meio de um movimento alternativo mantido por uma máquina de indução associada a uma estrutura mecânica. As condições no fundo do poço apresentam desafios significativos em sistemas de bombeamento por hastes, representando uma preocupação para os profissionais que atuam no campo petrolífero. Embora eficaz, sobretudo para poços rasos (menos de 300 m), este sistema de bombeio requer análises periódicas das cartas dinamométricas, testes de produção bruta e do registro do nível de fluido dinâmico no anular do poço entre a coluna de produção e o revestimento, para diagnóstico de falhas e otimização do processo. No entanto, a obtenção dessas cartas geralmente depende de instrumentação invasiva, o que aumenta os custos e a complexidade do sistema. Essa dependência da instrumentação de campo pode representar um problema, pois qualquer falha nos elementos sensores pode resultar na parada da unidade de bombeio, impactando negativamente na produção. Para enfrentar esse problema, estudos têm buscado soluções alternativas ou redundantes para o sistema de medição de campo, visando minimizar os impactos econômicos associados à parada da unidade e à substituição dos elementos primários de medição. Este trabalho tem como objetivo implementar um estimador para a carta dinamométrica de superfície a partir de medições associadas ao barramento de ali- mentação do motor de indução e dados da estrutura mecânica do sistema de bombeio por hastes. A pesquisa apresenta uma metodologia que integra medições físicas de tensão, cor- rente, escorregamento e velocidade no motor de indução, as quais servem como variáveis de entrada de um observador de estado deste motor. A estimação não ocorre em tempo real, mas é gravada em arquivo eletrônico para posterior processamento computacional. A saída deste observador, associada a um modelo do circuito equivalente do motor, é utilizada para inferir o torque produzido no eixo do motor. A velocidade medida no eixo do motor está diretamente ligada à velocidade angular da manivela da unidade de bombeamento, devido à interligação entre as polias e correias que participam desse processo. O ângulo da posição de giro da manivela pode ser obtido a partir da velocidade angular; este ângulo contribui para determinar a posição da haste polida. Para calcular a carga da haste polida, é necessário alimentar um estimador com variáveis de entrada, incluindo o torque no eixo do motor e o ângulo da manivela. A relação entre a carga e a posição da haste polida resulta na composição da carta dinamométrica. Os resultados apresentam cartas dinamométricas de superfície sob distintas condições operacionais simuladas em um poço de petróleo experimental, tais como operação normal, operação com presença de gás no poço, operação com vazamento na válvula de passeio e operação com suprimento insuficiente de fluido, que se alinham mais estreitamente com as reais. Essa aplicação prática oferece um método alternativo para a aquisição das cartas dinamométricas de superfície, que pode funcionar como uma abordagem menos onerosa e complementar no diagnóstico de falhas, quando comparada com os métodos atualmente empregados, contribuindo para decisões de manutenção para a unidade de bombeamento.
Abstract: Among the artificial lift methods for oil extraction, Sucker Rod Pumping is one of the most widely used worldwide. In this system, a volume of fluid is raised to the surface through an alternating motion maintained by an induction motor associated with a me- chanical structure. Downhole conditions pose significant challenges in beam pumping systems, representing a concern for oilfield professionals. Although effective, especially for shallow wells (less than 300 meters), this pumping system requires periodic analysis of dynamometric cards, gross production tests, and monitoring of the dynamic fluid le- vel in the annulus of the well between the production tubing and the casing to diagnose failures and optimize the process. However, obtaining these cards often relies on invasive instrumentation, increasing costs and system complexity. This dependence on field ins- trumentation can be problematic, as any sensor element failure can result in pumping unit shutdown, negatively impacting production. To address this issue, studies have sought alternative or redundant field measurement system solutions to minimize the economic impacts associated with pumping unit shutdowns and primary measurement element re- placement. This study aims to implement an estimator for surface dynamometer cards using measurements associated with the induction motor power supply bus and data from the beam pumping system’s mechanical structure. The research presents a methodology that integrates physical measurements of voltage, current, slip, and velocity in the in- duction motor, serving as input variables for a state observer of this motor. Estimation does not occur in real-time but is recorded in an electronic file for subsequent compu- tational processing. The output of this observer, combined with a model of the motor’s equivalent circuit, is used to infer the torque produced on the motor shaft. The velocity measured at the motor shaft is directly linked to the angular velocity of the pumping unit’s crankshaft due to the interconnection between pulleys and belts involved in this process. The crankshaft’s angular position angle can be obtained from the angular speed; this angle helps determine the polished rod position. To calculate the polished rod load, an estimator needs to be fed with input variables, including the torque on the motor shaft and the crankshaft angle. The relationship between load and polished rod position results in the composition of the dynamometer card. The results present dynamometer cards un- der various simulated operational conditions in an experimental oil well, such as normal operation, operation with gas presence in the well, operation with leakage in the stuffing box valve, and operation with insufficient fluid supply, which align more closely with real conditions. This practical application offers an alternative method for acquiring surface dynamometer cards, which can function as a less costly and complementary approach in fault diagnosis compared to current methods, contributing to maintenance decisions for the pumping unit.
Palavras-chave: Técnicas de Medição
Carta Dinamométrica
Motor de Indução
Exploração de Petróleo
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: EDUFBA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) 
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40205
Data do documento: 10-Jul-2024
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