Estudo de estratégias de otimização para poços de petróleo com elevação por bombeio de cavidades progressivas

O sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas, BCP, tem se tornado uma importante tecnologia de produção de poços de petróleo. Na medida em que cresce o uso desta técnica, torna-se cada vez mais útil o conhecimento de seu comportamento dinâmico, a aplicação das tecnologias de controle e o desenvolvimento de sistemas especialistas para dimensionamento dos equipamentos. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de ferramentas de análise, controle e dimensionamento a serem aplicadas a este método de elevação. O método de elevação artificial por bombeio de cavidades progressivas é composto por uma bomba de cavidades progressivas instalada dentro do poço na extremidade inferior da coluna de produção através das quais o fluido é bombeado. A bomba, que consiste de duas peças, um estator e um rotor é acionada através da rotaçao do rotor através de uma coluna de hastes. Os equipamentos de superfície geram e transmitem a rotação para esta coluna de hastes. Em primeiro lugar, apresenta-se o desenvolvimento de uma modelagem matemática dinâmica completa do sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas. Este modelo é simplicado para uso em diversas situações, inclusive a condição de regime permanente para fins de dimensionamento do sistema. A partir deste modelo matemático foi desenvolvido um simulador dinâmico do sistema capaz de auxiliar na análise do sistema e atuar em conjunto com controladores de forma a permitir o teste e desenvolvimento de algoritmos de controle. O desenvolvimento seguinte visa aplicar as técnicas de controle ao sistema de elevação por bombeio de cavidades progressivas com a finalidade de otimizar a velocidade de bombeio de forma a se obter produtividade e durabilidade dos componentes de sub- superfície. É feita a linearização do modelo matemático, permitindo aplicar as técnicas convencionais de controle, incluindo a análise de observabilidade e controlabilidade, estabelecendo técnicas de projeto de controle PI. As condições de estabilidade são estabelecidas em torno do ponto de operação para o modelo linearizado. É, também, desenvolvido um sistema de controle fuzzy baseado em regras a partir de um sistema de controle PI utilizando uma máquina de inferência baseada nas t-normas de Mandami. A lógica fuzzy também é aplicada no desenvolvimento de um sistema especialista para dimensionamento de BCP baseado em lógica fuzzy. As técnicas de simulação, linearização e obtenção da função de transferência linearizada foram aplicadas a um poço real ao qual foi implementado um sistema de controle constituído de sensor de pressão de sucção da bomba, controlador industrial e variador de freqüência. Aplicaram-se as técnicas de projeto de controle PI e controlador fuzzy ao poço e comparou-se o comportamento dos dois controladores por simulação. A resposta em malha aberta da função de transferência foi comparada com a resposta em malha aberta medida no poço, para fins de validação da técnica de modelagem matemática e de simulação utilizadas. Foi realizado um estudo de caso de dimensionamento de sistema BCP para validação do sistema especialistaThe progressing cavity pump artificial lift system, PCP, is a main lift system used in oil production industry. As this artificial lift application grows the knowledge of it s dynamics behavior, the application of automatic control and the developing of equipment selection design specialist systems are more useful. This work presents tools for dynamic analysis, control technics and a specialist system for selecting lift equipments for this artificial lift technology. The PCP artificial lift system consists of a progressing cavity pump installed downhole in the production tubing edge. The pump consists of two parts, a stator and a rotor, and is set in motion by the rotation of the rotor transmitted through a rod string installed in the tubing. The surface equipment generates and transmits the rotation to the rod string. First, is presented the developing of a complete mathematical dynamic model of PCP system. This model is simplified for use in several conditions, including steady state for sizing PCP equipments, like pump, rod string and drive head. This model is used to implement a computer simulator able to help in system analysis and to operates as a well with a controller and allows testing and developing of control algorithms. The next developing applies control technics to PCP system to optimize pumping velocity to achieve productivity and durability of downhole components. The mathematical model is linearized to apply conventional control technics including observability and controllability of the system and develop design rules for PI controller. Stability conditions are stated for operation point of the system. A fuzzy rule-based control system are developed from a PI controller using a inference machine based on Mandami operators. The fuzzy logic is applied to develop a specialist system that selects PCP equipments too. The developed technics to simulate and the linearized model was used in an actual well where a control system is installed. This control system consists of a pump intake pressure sensor, an industrial controller and a variable speed drive. The PI control was applied and fuzzy controller was applied to optimize simulated and actual well operation and the results was compared. The simulated and actual open loop response was compared to validate simulation. A case study was accomplished to validate equipment selection specialist syste