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. - Silva, Lázaro Edmilson Brito (2024)
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.