Hastes de bombeamento: o elemento fundamental das operações em poços de petróleo

Como hastes de bombeamento são componentes essenciais nas operações em poços de petróleo. São elementos indispensáveis nos sistemas de elevação artificial. Embora sejam pequenas quando comparadas com os equipamentos de um campo petrolífero, contribuem de forma significativa para a automação, a produtividade e o sucesso operacional. Neste artigo, analisamos a configuração e a composição química das hastes de bombeamento, bem como o seu funcionamento no mecanismo que eleva os fluidos até à superfície. Este guia é um excelente ponto de partida para profissionais que pretendem melhorar os equipamentos e as operações, bem como para quem se interessa pela tecnologia da exploração petrolífera e quer compreender os fundamentos dos sistemas de funcionamento dos poços de petróleo.

O que é uma haste de bombeamento e como funciona?

A haste de bombeamento é essencial para o sistema mecânico de extração de fluidos, como petróleo e água, do poço. Também é fundamental para apoiar o movimento alternativo da bomba. Tem a forma de um cilindro longo e estreito e é fabricada em materiais compósitos avançados ou em aço de elevada resistência. Estas hastes são concebidas para transmitir a força gerada pela unidade de bombagem à superfície até à bomba subterrânea. O sistema de hastes de bombeamento converte o movimento rotativo do cavalo de bombeio em movimento alternativo, que aciona o êmbolo da bomba e eleva o fluido até à superfície. A fiabilidade das hastes contribui diretamente para o sistema de elevação de fluidos; por isso, o projeto e a seleção dos materiais são fundamentais.

Componentes de um sistema de hastes de bombeamento

O sistema de hastes de bombeamento é constituído pelos seguintes componentes principais:

• Hastes de bombeamento: hastes de aço ou fibra de vidro que transmitem o movimento e ligam a unidade de bombagem à superfície à bomba subterrânea.
• Uniões de hastes: ligam as hastes individuais, proporcionando flexibilidade e resistência ao conjunto.
• Haste polida: componente superior da coluna de hastes, que atravessa a caixa de vedação e transmite a carga à unidade de bombagem.
• Caixa de vedação: veda a haste polida e evita a perda de fluidos na cabeça do poço.
• Bomba subterrânea: as hastes alternativas, acionadas pelo motor subterrâneo situado no fundo do poço, fazem chegar os fluidos à cabeça do poço.

Todos os componentes devem funcionar em conjunto para otimizar o desempenho do sistema e cumprir os objetivos operacionais pretendidos.

O papel da haste nos poços de petróleo

Nos poços de petróleo, a haste mecanizada funciona como um elemento mecânico de transmissão, transferindo o movimento oscilatório da unidade de bombagem à superfície para a bomba subterrânea. Este movimento é essencial para acionar a bomba, que eleva os fluidos dos reservatórios profundos até à superfície. No que diz respeito à operação do próprio poço, a resistência e a durabilidade da haste são importantes para suportar as tensões causadas pelo movimento repetido e pelo ambiente agressivo no fundo do poço. A operação contínua e regular do poço depende destes fatores. Estas características exigem a manutenção e a monitorização regulares da haste para evitar desgaste e falhas.

Impacto da coluna de hastes na eficiência da bombagem

A coluna de hastes baseia-se no controlo integrado, transmitindo movimento e energia da superfície à bomba subterrânea de forma extremamente exigente. Em particular, afeta diretamente a eficiência da elevação de fluidos, sobretudo na extração de petróleo com hastes de bombeamento. O projeto, o fabrico e a manutenção da coluna de hastes também influenciam as perdas de energia, o desgaste excessivo e a regularidade do funcionamento. A seleção dos materiais adequados para manter o alinhamento da coluna, juntamente com outras verificações de rotina, prolonga a vida útil das hastes e melhora a eficiência geral da bombagem.

Como são fabricadas hastes de bombeamento de elevada qualidade?

Processo de fabrico das hastes de bombeamento

Para garantir uma elevada durabilidade, o fabrico das hastes de bombeamento é dividido em várias etapas. Primeiro, o aço ou material compósito utilizado é aquecido e prensado em moldes para formar as hastes, ou moldado por outros métodos, como a extrusão. Em seguida, é maquinado para obter o acabamento e a superfície pretendidos. O tratamento térmico melhora as propriedades mecânicas do material, como a resistência à tração e a dureza. Para garantir que as hastes cumprem as normas exigidas, são aplicados procedimentos rigorosos de controlo da qualidade. Estes incluem a inspeção de todos os componentes, para verificar o cumprimento dos critérios definidos pelo setor relativamente às dimensões e aos ensaios não destrutivos. A integração destas etapas permite produzir hastes de bombeamento robustas, capazes de funcionar eficazmente em condições de bombagem exigentes.

Materiais utilizados no fabrico das hastes

As hastes de bombeamento são geralmente fabricadas em ligas de aço de elevada resistência, incluindo aço-carbono ou aço ligado. Estes materiais são escolhidos tendo em conta a durabilidade em serviço, a resistência à corrosão e a capacidade para suportar cargas de tração em condições meteorológicas extremas.

Garantia da qualidade: normas e ensaios

Porquê escolher hastes de fibra de vidro para as suas operações?

Vantagens da fibra de vidro face aos materiais tradicionais

1. Construção leve: a utilização de hastes de fibra de vidro reduz o esforço sobre os equipamentos, pois são mais leves do que as de aço. O peso reduzido também facilita o manuseamento durante a instalação e a manutenção.
2. Resistência à corrosão: a fibra de vidro não sofre corrosão como os materiais de aço. É uma boa opção para operações com elevada humidade ou produtos químicos corrosivos, pois suporta ambientes agressivos.
3. Elevada resistência à tração: a leveza da fibra de vidro não compromete a sua resistência à tração, permitindo que as hastes suportem condições operacionais exigentes sem falhar.
4. Maior vida à fadiga: a resistência das hastes de fibra de vidro à fadiga durante uma utilização prolongada ajuda a manter um desempenho constante e a prolongar a sua vida útil.
5. Isolamento térmico e elétrico: em ambientes com temperaturas extremas e risco de correntes elétricas, a fibra de vidro proporciona isolamento térmico e elétrico.

Durabilidade: resistência à corrosão e longevidade

As hastes de fibra de vidro são muito duráveis devido à sua resistência à corrosão e à longa vida útil. Ao contrário dos metais, a fibra de vidro não enferruja nem se deteriora devido a fatores ambientais, como humidade, produtos químicos ou exposição à radiação UV. Esta resistência reduz as necessidades de manutenção, tornando a fibra de vidro adequada para aplicações industriais, marítimas e no exterior. Além disso, a sua longevidade deve-se à integridade estrutural, que se mantém após uma utilização prolongada e a exposição a condições agressivas.

Hastes e uniões: tipos e aplicações

Diferentes tipos de hastes de bombeamento

Tipo	Características principais	Material	Aplicações	Vantagens
Hastes standard	Aço sólido de elevada resistência	Aço-carbono/aço ligado	Produção geral de petróleo e gás	Fiáveis e versáteis
Hastes ocas	Interior oco e peso reduzido	Aço-carbono/aço ligado	Grandes volumes de fluidos e fluidos viscosos	Reduzem a carga e melhoram a eficiência
Hastes contínuas	Flexíveis, com menos uniões	Aço	Furos desviados ou curvos	Minimizam a tensão e reduzem a fadiga
Hastes metalizadas por projeção	Revestimento resistente à corrosão	Aço com revestimento metálico	Ambientes corrosivos	Elevada durabilidade e resistência à corrosão
Hastes de fibra de vidro	Material compósito e leve	Fibra de vidro	Ambientes de alta temperatura e corrosivos	Excelente resistência à corrosão
Hastes polidas	Superfície lisa; ligam-se à bomba	Aço	Transmitem o movimento à bomba no fundo do poço	Reduzem o desgaste e a fricção
Hastes de elevada resistência	Resistência à tração reforçada	Aço ligado	Poços profundos e cargas elevadas	Suportam tensões elevadas
Hastes flexíveis	Fibra de carbono ou cabo de aço	Materiais compósitos	Aplicações que exigem elevada flexibilidade	Adaptam-se aos desvios do poço

Escolher as uniões adequadas para o poço

O desempenho, a fiabilidade e a durabilidade do poço dependem da escolha da união adequada. Na seleção, tenha em conta os seguintes aspetos:

1. Compatibilidade dos materiais: verifique se o material da união é compatível com o ambiente do poço, incluindo temperaturas extremas e fluidos corrosivos. O aço inoxidável e o aço-carbono são materiais resistentes ao desgaste e duráveis.
2. Requisitos de carga: considere a capacidade de carga da união. Os poços mais profundos ou sujeitos a cargas mais elevadas exigem uniões mais resistentes.
3. Desvio do poço: as uniões flexíveis, que se podem dobrar sem perder eficiência operacional, são ideais para poços com desvios acentuados.
4. Condições operacionais: a união deve ser compatível com os requisitos operacionais do poço, como pressão, temperatura e tipo de fluido, para reduzir o risco de falha prematura.

A atenção a estes aspetos é fundamental para melhorar a eficiência geral do sistema, reduzir a manutenção e minimizar o tempo de inatividade.

Otimização da configuração da coluna de hastes

A otimização da configuração da coluna de hastes centra-se na disposição, nos materiais e noutros aspetos do sistema selecionado, melhorando também parâmetros complementares, como a resistência à corrosão dos materiais escolhidos.

• Seleção dos materiais: utilize materiais resistentes e não corrosivos, capazes de suportar as condições operacionais e os impactos ambientais mais extremos.
• Diâmetro das hastes: equilibre a capacidade de carga e a flexibilidade das hastes para minimizar o desgaste e o consumo de energia.
• Conceções cónicas: utilize hastes cónicas para distribuir melhor as cargas e ajudar a reduzir as concentrações de tensão.
• Análise dinâmica: identifique e resolva problemas potenciais, como encurvadura ou ressonância, através de simulações dinâmicas.

Estas estratégias melhoram o balanço energético do poço, reduzem as taxas de falha e aumentam a produção durante toda a vida útil do poço.

Manutenção de hastes de elevada qualidade em ambientes corrosivos

Manutenção de rotina das hastes de bombeamento

A manutenção das hastes de bombeamento, sobretudo em condições operacionais difíceis, exige um plano com intervalos adequados para prolongar a vida útil e preservar o desempenho.

1. Inspeção regular: identifique visualmente e através de ensaios não destrutivos (END) sinais de desgaste, corrosão ou fadiga. É preferível tratar os danos numa fase inicial para evitar avarias dispendiosas.
2. Limpeza: preserve a integridade estrutural e a superfície das hastes através de métodos aprovados para remover detritos, incrustações ou depósitos corrosivos.
3. Lubrificação: reduza a fricção e a corrosão aplicando revestimentos e lubrificantes adequados, que aumentam a resistência a estes dois fatores.
4. Substituição de componentes danificados: mantenha um funcionamento regular e eficiente substituindo as hastes com desgaste significativo, fissuras ou outros defeitos críticos.
5. Monitorização ambiental: analise regularmente os fluidos do poço para detetar elementos corrosivos, como H₂S, CO₂ e outros compostos de NH₃, e tome as medidas necessárias para reforçar a proteção.

A aplicação destas práticas de manutenção permite alcançar uma elevada eficiência operacional, reduzir o tempo de inatividade e prolongar a vida útil das hastes.

Como lidar com a corrosão e outros desafios

As estratégias de prevenção e correção, sobretudo as que recorrem a materiais anticorrosivos, permitem combater eficazmente a corrosão e outros desafios nas operações com hastes, evitando danos químicos. Além disso, a utilização de materiais de proteção com maior resistência à corrosão, como determinadas classes de aço inoxidável ou hastes revestidas, reduz a suscetibilidade a vários agentes corrosivos. As inspeções de rotina são essenciais para detetar danos incipientes, desgaste ou outros defeitos e permitir uma intervenção corretiva atempada. Em sistemas com concentrações elevadas de H₂S ou CO₂, podem utilizar-se proteções metálicas avançadas ou inibidores de incrustação adicionais para reforçar a proteção do sistema. Estas medidas aumentam a fiabilidade operacional e prolongam o ciclo de vida dos equipamentos.

Perguntas frequentes (FAQ)

P: O que são hastes de bombeamento e como são utilizadas nas operações de petróleo e gás?

R: As hastes de bombeamento são equipamentos utilizados no setor do petróleo e do gás para ligar uma unidade de bombagem à superfície a uma bomba no fundo do poço. Nos sistemas de bombagem por hastes, as hastes de aço funcionam como ligações mecânicas que transmitem energia desde a superfície. Fornecem a energia mecânica necessária para elevar o petróleo do poço até à superfície.

P: Qual é a função da haste polida na coluna de hastes de bombeamento?

R: A haste polida integra a coluna de hastes de bombeamento e ocupa a posição superior. Proporciona uma superfície de contacto lisa ao atravessar a caixa de vedação, concebida para vedar o sistema de bombagem e minimizar as fugas.

P: Como afeta o comprimento das hastes de bombeamento as operações num poço de petróleo?

R: O comprimento das hastes de bombeamento é fundamental, pois determina a profundidade a que a bomba fica instalada no poço. Os operadores podem adaptar a coluna de hastes às suas necessidades, uma vez que estas hastes estão disponíveis em vários comprimentos, otimizando assim o desempenho do sistema de elevação artificial.

P: O que são uniões de hastes e por que são importantes?

R: As uniões ligam hastes de bombeamento individuais e reforçam o suporte mecânico da coluna. São fundamentais para alcançar a resistência à tração necessária para suportar as tensões e forças mecânicas envolvidas nas operações de extração de petróleo e gás.

P: Qual é a finalidade de uma haste curta de ajuste nos sistemas de elevação por hastes?

R: As hastes curtas de ajuste são um tipo de haste de bombeamento utilizado para ajustar o comprimento total da coluna. Permitem aos operadores regular o comprimento da coluna com maior precisão, melhorando assim o funcionamento dos sistemas de bombagem no poço.

P: Qual é a relação entre a especificação API 11B e as hastes de bombeamento?

R: A especificação API 11B define as normas e especificações aceites pelo setor para as hastes de bombeamento e respetivas uniões. O cumprimento destas normas garante que as hastes são fabricadas e ensaiadas para suportar as operações de petróleo e gás, contribuindo para a segurança operacional.

P: Que materiais são normalmente utilizados no fabrico de hastes de bombeamento?

R: O material mais utilizado no fabrico de hastes de bombeamento é o aço de alta liga. A sua seleção justifica-se pela resistência, pela capacidade para suportar cargas de tração elevadas e pela exposição a condições meteorológicas adversas no ambiente de um poço de petróleo.

P: Que desafios enfrentam as hastes de bombeamento nos sistemas de bombagem por balancim?

R: Nos sistemas de bombagem por balancim, as hastes enfrentam desgaste e fadiga, bem como a exposição a fluidos viscosos, que afeta o movimento. Estes problemas resultam das forças dinâmicas que atuam sobre as hastes e do trabalho de resistência produzido durante a elevação do petróleo.

P: Qual é o papel da unidade de bombagem à superfície no contexto das hastes de bombeamento?

R: A unidade de bombagem à superfície fornece energia mecânica à bomba de hastes no fundo do poço através das hastes, contribuindo assim para o funcionamento dos sistemas de elevação por hastes. É um elemento indispensável destes sistemas.

P: Como contribuem os equipamentos para regiões montanhosas para as soluções de elevação com hastes de bombeamento?

R: A Mountain Country Equipment é especializada na conceção de equipamentos destinados a melhorar a eficiência operacional no setor do petróleo e do gás, garantindo a manutenção eficaz do reservatório com hastes de bombeamento e outros sistemas de elevação artificial.

Fontes de referência

1. As hastes de bombeamento de termoplástico reforçado com fibra (FRTP), leves, de elevada resistência, baixo custo e ambientalmente responsáveis, permitiram resolver problemas de ineficiência na elevação artificial (Saponja et al., 2024)

• Data de publicação: 12/02/2024
• Autores: J. Saponja et al.
• Metodologia: esta investigação aborda a implementação e a avaliação de hastes de bombeamento FRTP para aplicações em poços profundos, em comparação com opções de aço e fibra de vidro. O trabalho abrange a seleção de materiais, o projeto CAD, a prototipagem por impressão 3D, os ensaios estruturais e os testes de campo em poços em operação. A análise laboratorial centrou-se na comparação das hastes FRTP com outras tecnologias e materiais compósitos FRTP.
• Principais conclusões: os materiais compósitos FRTP proporcionam uma resistência específica sem paralelo, superior a 10.3, e um módulo específico de tração sem paralelo, superior a 1500, bem como níveis sem precedentes de resistência ao impacto e à fadiga e uma resistência à corrosão sem paralelo. O custo é incomparável ao do aço, e a resistência singular ao corte do FRTP permite construir colunas completas de hastes de bombeamento. Os primeiros testes de campo indicam que as hastes de bombeamento FRTP terão um desempenho notável em poços profundos de bombagem por hastes com caudais elevados.

2. Hastes de bombeamento flexíveis e leves melhoram termicamente a otimização da elevação artificial com plásticos reforçados com fibra (Carpenter 2024)  

• Publicado em: 1 de outubro de 2024
• Autor: C. Carpenter (artigo de revisão que resume as conclusões de Saponja et al. (2024))
• Metodologia: este artigo de revisão baseia-se no estudo de Saponja et al. de 2024. Analisa as implicações da investigação e os seus impactos no setor do petróleo e do gás.
• Principais conclusões: o artigo reforça as afirmações sobre a superioridade das hastes de bombeamento FRTP face às hastes de aço e de fibra de vidro termoendurecível, no que respeita às funcionalidades de personalização da superfície com valor acrescentado. Arps e revestimentos que sofrem falha por corte conseguem suportar cargas de compressão com FRTP. São permitidas todas as configurações de colunas FRTP. O artigo também aborda as vantagens ambientais do FRTP.

3. Investigação da suscetibilidade à corrosão sob tensão de quatro hastes de bombeamento com diferentes resistências em fluidos de poços com elevada salinidade  (Zhang et al., 2023)

• Publicado em: 15 de setembro de 2023
• Autores: Fenna Zhang e outros
• Metodologia: os autores realizaram ensaios de corrosão sob tensão com um fator individual e ensaios de tração lenta SSRT em quatro hastes de bombeamento de elevada resistência, com diferentes concentrações de cloretos e bicarbonatos e diferentes níveis de resistência em serviço. Avaliaram a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão de todas as hastes.
• Principais conclusões: as hastes 4330 aparentaram apresentar maior perda de trabalho absorvido e maior alongamento do que as outras hastes em condições de corrosão sob tensão. A haste 30CrMoA sofreu a menor corrosão sob tensão em condições altamente corrosivas. Os autores sugerem que a suscetibilidade prejudicial à fissuração por corrosão sob tensão não pode ser atribuída exclusivamente à elevada resistência à tração.

4. Como funciona uma bomba de hastes de bombeamento – MIT – Descrição detalhada das bombas de hastes de bombeamento e dos seus mecanismos.