Controle ativo de golfadas em poços de petróleo offshore

A produção de petróleo e gás é caracterizada pelo transporte dos fluidos do reservatório até as instalações de processamento, onde as correntes produzidas são tratadas e enquadradas de acordo com as especificações de comercialização, descarte ou reinjeção. A etapa de transporte dos fluidos até a planta de processamento é governada por complexos fenômenos de escoamento multifásico em longas tubulações, principalmente quando o ambiente de produção é marítimo. Esta combinação de cenários pode induzir o surgimento de padrões cíclicos de oscilação de pressão-vazão no escoamento do poço. Este fenômeno é classificado como um ciclo limite estável, que no estudo da dinâmica de sistemas é um comportamento não linear gerado por uma trajetória fechada no espaço de fase com formato de espiral quando o tempo tende ao infinito. Na indústria do petróleo, este ciclo limite é chamado de golfada, escoamento intermitente, slugging ou slug flow e é constituído pelo deslocamento de ondas de massa de fluido nas linhas de produção, o que coloca as instalações em risco e reduz a capacidade produtiva dos poços. Muitas publicações sobre métodos de controle deste fenômeno têm discutido o problema desde a década de 1980, contudo muitos pontos permanecem em aberto visto a complexidade e diversidade de cenários possíveis. Além disso, poucas aplicações em campo são reportadas na literatura, sendo que a maior parte dos trabalhos práticos publicados apresenta descrições limitadas que dificultam a replicação das metodologias utilizadas. Portanto, esta tese objetiva explorar abordagens de controle por retroalimentação (controle ativo) para problemas de ciclo limite em poços de petróleo em águas profundas e ultraprofundas. Aspectos como controle preditivo, multivariável e não linear são discutidos e explorados no trabalho, culminando em duas diferentes aplicações de campo descritas em detalhes. Até onde se sabe, esta é a primeira vez que estratégias de controle preditivo e de controle não linear são apresentadas na literatura em aplicações reais de controle ativo de golfadas. Como resultado, foi possível minimizar os efeitos adversos das golfadas e aumentar a produção dos poços em cerca de 10% nas aplicações reais.Oil and gas production is characterized by the transport of fluids from the reservoir to the processing facilities, where the streams produced are treated and fitted to commercial, disposal or reinjection specifications. The fluid transport stage to the processing plant is governed by complex multiphase flow phenomena in long pipelines, especially when the production environment is marine. This combination of scenarios can induce the appearance of singularities in the flow stability, resulting in the formation of cyclic flow patterns. This phenomenon is classified as a stable limit cycle, which in system dynamics means a nonlinear behavior generated by a closed trajectory in the phase space with a spiral shape when time tends to infinity. In the oil industry, this limit cycle is called slugging, slug flow or intermittent flow and causes pressure and flow waves in the well, exposing the facilities to risk and reducing production capacity. Several publications on methods of controlling this phenomenon have discussed the problem since the 1980s, however many points remain open due to the complexity and diversity of possible scenarios. Furthermore, few field applications are reported in the literature, and most of the published works present poor descriptions that make it hard to replicate the methodologies deployed. Therefore, this thesis aims to explore feedback control approaches (active control) for limit cycle problems in oil wells in deep and ultra-deepwaters environment. Aspects such as predictive, multivariable and nonlinear control are discussed and explored in this work, resulting in two different field applications described in detail. As far as is known, this is the very first time that predictive control and nonlinear control strategies are presented in the literature to deal with slugging in actual applications. As a result, it was possible to minimize the adverse effects of the slug flow and increase the production of the wells by about 10% in actual deployments

Análise, controle e otimização operacional de um reator de Zymomonas mobilis com multiplicidade de equilíbrios

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional.Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum

Análise, controle e otimização operacional de um reator de Zymomonas mobilis com multiplicidade de equilíbrios

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional.Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum