Controle de um sistema de extração de petróleo por gas-lift através de linearização por realimentação e estimação de estados com filtro de Kalman estendido

Abstract

Sistemas de extração de petróleo frequentemente necessitam de um mecanismo adicional de elevação que permita a extração economicamente viável do óleo do subsolo quando a pressão interna do reservatório diminui. Muitas técnicas foram desenvolvidas na literatura para isto, mas, em particular, é bastante empregada a técnica de injeção artificial de gás (gas-lift) nos campos de óleo brasileiros. Apesar dos ganhos de produção, essa técnica pode apresentar uma dificuldade operacional conhecida como regime de golfadas, que é um ciclo limite que ocorre quando a abertura da válvula de produção é aumentada além dos pontos de operação estáveis do sistema, causando oscilações de vazão e pressão no escoamento. Utilizando uma metodologia de controle baseada em modelo proposto na literatura (DI MEGLIO; KAASA; PETIT, 2009), o qual descreve adequadamente o regime de golfadas, este trabalho propõe uma estratégia composta por uma lei de controle linearizante combinada com filtro de Kalman estendido para a supressão das oscilações. O objetivo é possibilitar a operação com maiores aberturas da válvula de produçõ, que consequentemente levam a uma maior produção de óleo. O sistema de controle proposto foi validado através da simulação computacional. Os resultados mostram que essa metodologia permite ganhos significativos de abertura de válvula sem comprometer a estabilidade do sistema quando comparado ao controle em malha aberta.

Oil extraction systems often require additional mechanism in order to cost-effectively extract oil from the underground as the reservoir’s internal pressure decreases. Many techniques have been developed in the literature, but, in particular, artificial gas injection (gas-lift) is widespread throughout Brazil’s oil fields. Even though it allows a greater production, this technique may present an operational difficulty known as slugging, which is a limit-cycle that occurs when the output valve opening is increased beyond the system’s stable operation point, causing the flow and pressure to oscillate. With a model proposed in the literature, which adequately describes the slugging, this paper proposes a linearizing control law and an extended Kalman filter working jointly in order to supress the oscillations. The goal is to allow operation with greater production valve openings and, therefore, greater oil production. The control system proposed is then validated in a computational simulation. Results show that this methodology allows for significant gains on valve openings without compromising stability compared to open-loop configurations.