Métodos de Elevação Artificial

O Bombeio Mecânico foi o primeiro método de elevação artificial
que surgiu na indústria de petróleo e sua importância se reflete no número de
instalações existentes, que correspondem a 80% dos poços produtores mundiais, o
que lhe da à posição de método mais utilizado no mundo. Os principais
componentes do bombeio mecânico com hastes são: bomba de subsuperfície, coluna
de hastes, unidade de bombeio e motor.

Como vimos anteriormente, a coluna de hastes é responsável
de transmitir a energia da superfície até a bomba de subsuperfície. As
colunas de hastes podem ser compostas por hastes de até três diâmetros
diferentes que diminuem gradativamente. Esta opção visa reduzir o peso
da coluna de hastes e melhorar a distribuição de esforços ao longo da coluna de
hastes. As hastes da parte superior da coluna suportam mais peso e tem
diâmetro maior. A composição é identificada por dois números que representam o
maior e o menor diâmetro:

  •  55: hastes de 5/8 pol;
  •  65: hastes de ¾ pol (6/8) e 5/8 pol;
  •  75: hastes de 7/8 pol, ¾ pol (6/8) e 5/8 pol.
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Figura – Diâmetros das hastes

Segundo Thomas (2001), podemos nomear as hastes em
função da localização, a primeira haste que se localiza no topo da coluna é a
haste polida, que tem o objetivo de proporcionar uma melhor vedação na cabeça
do poço. Esta haste se mantém entrando e saindo do poço, por conta do movimento
alternativo da coluna de hastes. O stuffing Box é que veda a cabeça do poço.
Seu comprimento depende do curso da UB, dos comprimentos da camisa e do pistão,
sendo os mais comuns: 11ft, 16ft, 19ft e 24ft.

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Figura – Haste polida (polished rod), seu diâmetro (1 ¼ pol) e comprimento de 36ft. 

A haste polida sofre a maior força de tração, por sustentar
as seguintes cargas:

  •  Peso das hastes (Ph): É o peso da coluna de hastes medido
    no ar. Para uma determinada coluna, seu valor é constante e positivo, atuando
    sempre de cima para baixo.
  •  Força de empuxo (Fe): Esta força é igual ao peso do fluido
    deslocado pela coluna de hastes. O seu valor é constante e negativo, atuando
    sempre de baixo para cima.
  •  Força de aceleração (Fac): É a força responsável pela
    variação da velocidade das hastes. A velocidade é nula quando atinge o ponto
    mais alto e o ponto mais baixo do ciclo, consequentemente são os pontos onde
    ocorrem os valores máximos de aceleração.
  •  Força de fricção (Ff): Atua no sentido oposto ao do
    movimento e é devida ao atrito das hastes com o fluido e com a coluna de
    produção. O seu valor é variável e diretamente proporcional à velocidade das
    hastes.
  •  Peso do fluido (Pf): É o peso da coluna de fluido que está
    acima do pistão. Atua somente no curso ascendente, quando todo o fluido que
    está na coluna de produção é sustentado pela válvula de passeio.

F = Ph + Fe + Fac +
Ff + Pf

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Figura – Posição da haste polida (polished rod)  

Além da haste polida, a coluna de hastes também pode ser
formada pelas hastes curtas e hastes pesadas. As hastes curtas servem para
balancear o comprimento da coluna, ajustando a profundidade da bomba. São do
mesmo diâmetro das hastes convencionais, com comprimentos que variam de 2ft a
12ft. Já as hastes pesadas são itens opcionais, que servem para dar peso a
coluna, evitando/diminuindo a flambagem. Tem o mesmo comprimento das hastes
convencionas e diâmetro que variam de 1 ¼ pol a 2 pol.

Componentes mecânicos sofrem fadiga quando submetidos a
carregamentos cíclicos, que é o caso das hastes. Elas são tracionadas durante
um intervalo de tempo e comprimida em outras. Variações repetitivas de tensão
tendem a causar o desenvolvimento de microfraturas que crescem formando trincas.
A trinca ao se propagar resulta na falha do material, trincas também podem se
formar a partir da concentração de tensões em torno de defeitos microscópicos,
tais como imperfeições superficiais. Assim, uma peça de superfície mais lisa e
polida tem uma vida útil maior em fadiga do que uma peça cuja superfície rugosa
e corroída.

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Figura – Falha por tensão e falha por fadiga

O movimento alternativo da coluna de hastes causa desgastes
nas hastes e na coluna de produção, depende:

  • da geometria do poço;
  • do comprimento das hastes e dos tubos;
  • da magnitude das cargas no contato haste/ tubo;
  • da composição do fluido produzido;
  • da velocidade das hastes e etc.

Mediante o emprego de centralizadores de hastes é possível
reduzir as cargas no contato hastes/tubo. Uma consequência do desgaste é a
perfuração da parede da coluna de produção. A taxa de desgaste cresce
exponencialmente com teor de areia e linearmente com a carga de contato, dessa
forma pode-se dizer que a taxa de desgaste é muito mais sensível a areia
presente no fluido bombeado do que o contato entre haste e a coluna de produção.

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Figura – Centralizadores das hastes

A geometria do poço influencia diretamente no processo de
desgaste, variações angulares superiores a 3 graus por 30 m reduzem a vida útil
da coluna para menos de 10 meses, sendo nesse caso bastante recomendável a
utilização de centralizadores. Para variações angulares superiores a 12 graus
por 30 m a colocação de centralizadores não é capaz de evitar os danos associados
aos desgastes.

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Figura – Uso de centralizadores em poços direcionais

Sophia Paiva  
Diretoria de Projetos Portal do Petroleiro  
Graduanda em Engenharia de Petróleo

Referências:

THOMAS, José Eduardo et al. (Org.). Fundamentos de Engenharia de Petróleo. 1. ed. Rio de Janeiro: Editora Interciência Ltda., 2001. 271 p.

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