Um sistema para estimação da vazão de gás de poços produzindo por Plunger Lift para vaso separador de teste em plataformas de petróleo

This work intends to analyze the behavior of the gas flow of plunger lift wells producing to well testing separators in offshore production platforms to aim a technical procedure to estimate the gas flow during the slug production period. The motivation for this work appeared from the expectation of some wells equipped with plunger lift method by PETROBRAS in Ubarana sea field located at Rio Grande do Norte State coast where the produced fluids measurement is made in well testing separators at the platform. The oil artificial lift method called plunger lift is used when the available energy of the reservoir is not high enough to overcome all the necessary load losses to lift the oil from the bottom of the well to the surface continuously. This method consists, basically, in one free piston acting as a mechanical interface between the formation gas and the produced liquids, greatly increasing the well s lifting efficiency. A pneumatic control valve is mounted at the flow line to control the cycles. When this valve opens, the plunger starts to move from the bottom to the surface of the well lifting all the oil and gas that are above it until to reach the well test separator where the fluids are measured. The well test separator is used to measure all the volumes produced by the well during a certain period of time called production test. In most cases, the separators are designed to measure stabilized flow, in other words, reasonably constant flow by the use of level and pressure electronic controllers (PLC) and by assumption of a steady pressure inside the separator. With plunger lift wells the liquid and gas flow at the surface are cyclical and unstable what causes the appearance of slugs inside the separator, mainly in the gas phase, because introduce significant errors in the measurement system (e.g.: overrange error). The flow gas analysis proposed in this work is based on two mathematical models used together: i) a plunger lift well model proposed by Baruzzi [1] with later modifications made by Bolonhini [2] to built a plunger lift simulator; ii) a two-phase separator model (gas + liquid) based from a three-phase separator model (gas + oil + water) proposed by Nunes [3]. Based on the models above and with field data collected from the well test separator of PUB-02 platform (Ubarana sea field) it was possible to demonstrate that the output gas flow of the separator can be estimate, with a reasonable precision, from the control signal of the Pressure Control Valve (PCV). Several models of the System Identification Toolbox from MATLAB® were analyzed to evaluate which one better fit to the data collected from the field. For validation of the models, it was used the AIC criterion, as well as a variant of the cross validation criterion. The ARX model performance was the best one to fit to the data and, this way, we decided to evaluate a recursive algorithm (RARX) also with real time data. The results were quite promising that indicating the viability to estimate the output gas flow rate from a plunger lift well producing to a well test separator, with the built-in information of the control signal to the PCV

Este trabalho se propõe a realizar uma análise do comportamento da vazão de gás de poços produzindo por plunger lift para vasos separadores de teste em plataformas de produção de petróleo com o objetivo de propor uma técnica de estimação da vazão durante os instantes de golfadas provocadas por estes tipos de poços. A motivação para este trabalho surgiu diante da perspectiva de instalação pela PETROBRAS de alguns poços equipados com plunger lift no campo marítimo de Ubarana situado na costa do Rio Grande do Norte onde a medição dos volumes produzidos é feita em vaso separador na plataforma. O método de elevação artificial de petróleo denominado plunger lift é utilizado quando a energia disponível no reservatório não é suficiente para vencer todas as perdas de carga necessárias para elevar o petróleo do fundo do poço até a superfície de forma contínua. O método consiste, basicamente, de um pistão livre (plunger) agindo como uma interface mecânica entre o gás da formação e os líquidos produzidos, aumentando enormemente a eficiência de elevação. É instalada, também, uma válvula de controle acionada pneumaticamente, na linha de produção do poço para efetuar o controle dos ciclos. Ao ser aberta a válvula, o pistão se desloca do fundo do poço até a superfície, elevando o óleo e o gás que se encontram acima do mesmo até chegar no vaso separador de teste onde os fluidos serão medidos. O vaso separador de teste é utilizado para fazer a aferição dos volumes produzidos pelo poço durante um determinado período de tempo denominado de teste de produção. Na maioria dos casos, os vasos separadores são projetados para medição de vazões estabilizadas, ou seja, razoavelmente constantes através do uso de controladores eletrônicos de nível e de pressão. No caso de poços produzindo por plunger lift, as vazões de líquido e de gás na superfície são cíclicas e de amplitude variável, acarretando o surgimento de golfadas no interior do vaso separador provocando, principalmente para o caso do gás, erros significativos no sistema de medição (ex.: erro de overrange ). A análise da vazão de gás proposta neste trabalho se baseia na integração de dois modelos matemáticos: i) modelagem de um poço de plunger lift proposta por Baruzzi [1] com modificações efetuadas posteriormente por Bolonhini [2] na implementação de um simulador de plunger lift; ii) modelagem de um vaso separador bifásico (gás + líquido) a partir de um modelo trifásico (óleo + gás + água) proposto por Nunes [3]. Com base nos modelos acima e utilizando-se dados coletados no vaso separador de teste da plataforma PUB-02 (campo de Ubarana), foi possível demonstrar que a vazão de saída de gás do vaso de teste pode ser estimada, com razoável precisão, a partir do sinal de controle da válvula controladora de pressão (PCV). Diversos modelos disponíveis no toolbox de Identificação de Sistemas do MATLAB® foram analisados para se avaliar qual seria o que melhor se adaptava aos dados coletados no campo. Para a validação dos modelos foi usado o critério de AIC, bem como uma variante do critério de validação cruzada. O modelo ARX foi o que apresentou melhor desempenho com base nos dados coletados e, desta forma, decidiu-se avaliar também um algoritmo recursivo (RARX) com dados obtidos em tempo real. Os resultados foram bastante promissores, indicando a viabilidade de se poder estimar a vazão de saída de gás de um poço de plunger lift produzindo para um vaso separador de teste a partir da informação contida no sinal de controle da PCV