Bombeio Mecânico com Hastes
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FACULDADE CAPIXABA DE NOVA VENÉCIA TECNOLOGIA EM GESTÃO DE PETRÓLEO E GÁS NATURAL
ANA PAULA POSSMOSER CLEIANE DOS SANTOS NERES DERLÂNIA PEREIRA PIMENTA
HELOÍSA CARLA DA SILVA FONSECA FELIPE CÉSAR ALBERTO
FERNANDO CÉSAR ALBERTO RAIR EBERT LEONEL WILYS SILVA LIMA
MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL: BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES
NOVA VENÉCIA 2011
ANA PAULA POSSMOSER CLEIANE DOS SANTOS NERES DERLÂNIA PEREIRA PIMENTA
HELOÍSA CARLA DA SILVA FONSECA FELIPE CÉSAR ALBERTO
FERNANDO CÉSAR ALBERTO RAIR EBERT LEONEL WILYS SILVA LIMA
MÉTODOS DE ELEVAÇÃO ARTIFICIAL: BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES
Trabalho apresentado à disciplina Projeto Integrador IV do Curso Superior em Tecnologia em Gestão de Petróleo e Gás Natural da Faculdade Capixaba de Nova Venécia, como requisito para obtenção de nota na disciplina Projeto Integrador IV. Professor: Amaro Vicente Ribeiro de Souza
NOVA VENÉCIA 2011
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - SISTEMA DE BOMBEIO MECÂNICO............................................ 6 FIGURA 2 - CICLO DO BOMBEIO MECÂNICO................................................ 8 FIGURA 3 - TIPOS DE TRAVAS........................................................................ 9 FIGURA 4 - TIPOS DE PISTÃO......................................................................... 11 FIGURA 5 - BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES.......................................... 14 FIGURA 6 - PARTES DE UM BOMBEIO MECÂNICO....................................... 15 FIGURA 7 - CLASSES DE UNIDADES DE BOMBEIO...................................... 17
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................. 4
2 DESENVOLVIMENTO...................................................................... 5
2.1 BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES ............................................................. 5
2.1.1 BOMBA DE SUBSUPERFÍCIE ............................................................................... 7
2.1.1.1 TIPOS DE BOMBAS ......................................................................................... 9
2.1.1.2 TIPOS DE PISTÕES ....................................................................................... 10
2.1.2 COLUNA DE HASTES ....................................................................................... 11
2.1.3 UNIDADE DE BOMBEIO .................................................................................... 14
2.1.4 ACOMPANHAMENTO DO POÇO EM PRODUÇÃO .................................................. 18
3 CONCLUSÃO ..................................................................................19
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................20
4
1 INTRODUÇÃO
O presente trabalho tem por objetivo aumentar o conhecimento sobre os métodos de
elevação artificial - que é o fornecimento de energia adicional ao poço a fim de
elevar os fluidos do reservatório à superfície em casos de poços surgentes, que não
possuem mais força suficiente para elevá-los por si só – sendo abordado nesta
pesquisa o método chamado Bombeio Mecânico com Hastes, também conhecido
como cavalo de pau, sendo este o mais utilizado no mundo quando em casos
conforme dito acima, apresentando suas vantagens e desvantagens, principais
componentes com imagens ilustrativas para melhor esclarecimento. Utilizando-se de
livros e internet para a elaboração do mesmo e confecção de maquete reproduzindo
da melhor forma possível um Bombeio Mecânico, visando a melhor forma de
transmitir aos demais alunos e professor o entendimento adquirido com a realização
do projeto.
5
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES
Segundo Thomas (2001), neste método o movimento rotativo de um motor elétrico
ou de combustão interna é transformado em movimento alternativo através de uma
unidade de bombeio localizada próximo a cabeça do poço. O movimento alternativo
é transmitido para o fundo do poço por uma coluna de hastes, este movimento
aciona uma bomba localizada no fundo do poço, que eleva os fluidos produzidos
pelo reservatório até a superfície.
Thomas (2001), diz ainda que, este método de elevação artificial é o mais utilizado
em todo o mundo. É recomendado na elevação de fluidos de poços rasos de medias
a pequenas vazões, baixas vazões são verificadas em poços de grandes
profundidades com a utilização deste método. Não é recomendado em poços
produtores de areia, poços com desvio e em poços onde parte do gás produzido
passa pela bomba, pois apresenta problemas nos três casos mencionados. No caso
da areia há um desgaste mais rápido das partes móveis e a camisa da bomba, por
conta da abrasividade da mesma. A ocorrência da passagem do gás através da
bomba reduz a eficiência em razões de volume da mesma, pode causar um
bloqueio. Porém o efeito que o gás causa no bombeio mecânico desencadeia
menores problemas que no bombeio centrífugo submerso ou no bombeio por
cavidades progressivas. Se utilizado em poços desviados, o atrito entre a coluna de
hastes e a coluna de produção é elevado, ocasionando o aumento de cargas na
haste polida, e o desgaste prematuro das hastes e da coluna de produção nos
pontos onde há maior atrito.
Thomas (2001, p. 241), diz que “os principais componentes do bombeio mecânico
com hastes são: bomba de subsuperfície, coluna de hastes, unidade de bombeio e
motor.”
6
Figura 1: Sistema de Bombeio Mecânico Fonte: Rossi, 2003, p. 4 adaptado por Derlania Pereira Pimenta
7
2.1.1 BOMBA DE SUBSUPERFÍCIE
Sua função é fornecer energia ao fluido vindo da formação, elevando-o para a superfície. A transmissão de energia ao fluido ocorre sob a forma de aumento de pressão. A bomba é do tipo alternativo, de simples efeito, com as seguintes partes principais: camisa, pistão, válvula de passeio e válvula de pé. (THOMAS, 2001 p. 242)
Thomas (2001), afirma que, divide – se em curso ascendente (upstroke) e curso
descendente (downstroke). Curso ascendente: neste momento o peso do fluido no
interior da coluna, faz com que a válvula de passeio fique fechada. Uma baixa
pressão é criada na camisa da bomba entre o pistão e a válvula de pé fazendo ela
se abrir, dando passagem ao fluido localizado no anular para dentro da bomba. O
fluido que está perto da cabeça do poço vai para a linha de produção, e
sequencialmente é levado ao vaso separador. Curso descendente: a compressão
dos fluidos que estão na camisa da bomba faz com que a válvula de pé se feche.
Com o pistão ainda descendo, as pressões acima e abaixo da válvula de passeio
ficam iguais e ela se abre, dando passagem ao fluido para cima do pistão.
Retornando ao novo ciclo.
De acordo com Thomas (2001), para cada profundidade da bomba e vazão
desejada de fluido existe um determinado diâmetro de pistão, sendo assim evita-se
o esforço desnecessário dos equipamentos de superfície e das colunas de hastes.
Numa mesma vazão se instalarmos um pistão com maior espessura acarretará em
maiores cargas de fluidos nas hastes, de forma contrário, com menor espessura do
pistão a velocidade será maior e com mais cargas dinâmicas.
8
Figura 2: Ciclo do Bombeio Mecânico Fonte: Rossi, 2003, p. 6
9
2.1.1.1 TIPOS DE BOMBAS
Rossi (2003, p. 6) fala que no Bombeio Mecânico são utilizados dois tipos de
bombas:
�Tubulares: a camisa e a sapata da válvula de pé são descidas junto com a coluna de produção, enroscadas em sua extremidade inferior. O pistão e a válvula de passeio são enroscados na extremidade da coluna de hastes. A válvula de passeio pode ser descida junto com a coluna de produção ou com a coluna de hastes. Neste caso, o pistão deve estar equipado com um pescador (ROSSI, 2003, p. 6). �Insertáveis: todas as partes da bomba descem conectadas à coluna de hastes. Neste caso, existe a necessidade de um mecanismo para prender a parte estacionária da bomba na coluna de produção. Existem dois tipos de travas: de fibra e de ação mecânica (ROSSI, 2003, p. 7).
Segundo Rossi (2003), as bombas tubulares possuem as seguintes vantagens com
relação às bombas insertáveis: maior capacidade, maior simplicidade, mais
adequada para fluidos viscosos. Porém a desvantagem é a necessidade de retirar a
coluna de produção para inspeção e substituição da camisa.
Figura 3: Tipos de travas Fonte: Rossi, 2003, p. 8 e 9
10
Os principais fatores que influenciam na seleção da bomba a ser instalada em determinado poço são: �Vazão desejada �Profundidade de assentamento �Dimensões da coluna de produção e do revestimento �Características do fluido a ser bombeado (ROSSI, 2003, p.12).
O deslocamento volumétrico de uma bomba pode ser determinado por: Dv = 2,36 x 10
-2ApSp N onde: Dv = deslocamento volumétrico da bomba (m3/dia); Ap= área do pistão (pol
2); Sp = curso efetivo do pistão (pol); N = velocidade de bombeio (cpm). Considerando que a eficiência volumétrica da bomba é sempre inferior a 1, a vazão de líquido a ser obtida na superfície será menor do que o deslocamento volumétrico. A diferença decorre do vazamento de líquido em volta do pistão no curso ascendente, da compressibilidade do fluido e do incompleto enchimento da camisa com líquido vindo do espaço anular. Valores normais de eficiência volumétrica situam-se entre 0,7 e 0,8, porem são influenciados pela razão gás-líquido da formação, viscosidade do fluido, profundidade da bomba, etc (THOMAS, 2001 p. 243).
2.1.1.2 TIPOS DE PISTÕES
De acordo com Rossi (2003) no Bombeio Mecânico são utilizados três tipos de
pistões:
� Fibras: são mais baratos e desgastam menos a camisa da bomba, mas não
podem ser descidos em grandes profundidades devido a temperatura
juntamente com a pressão sobre o pistão danifica os copos de fibra.
� Metálicos: maior resistência ao desgaste e podem ser descidos em qualquer
profundidade, são mais caros e sua utilização é generalizada na Petrobras.
� Ranhurados: tem como vantagem sobre o liso é que as ranhuras
proporcionam uma melhor lubrificação e acumulam sólidos, o que evita um
desgaste maior na camisa.
11
Figura 4: Tipos de Pistão Fonte: Rossi, 2003, p. 10
2.1.2 COLUNA DE HASTES
Rossi (2003, p.17) diz que a energia é transmitida da superfície para a bomba
através de uma coluna de hastes.
Thomas (2001), diz que os ambientes de operação em que as hastes estão
inseridas podem ser abrasivos, corrosivos ou ambos. Pode haver cargas cíclicas, já
que o peso do fluido acima da bomba é mantido pela coluna de hastes, quando
ocorre o curso ascendente, já no curso descendente é sustentado pela coluna de
produção. Pelos esforços alternativos a coluna de hastes é um ponto crítico do
sistema.
Segundo Thomas (2001), dentro da variedade de tipos de hastes existentes,
podemos citar as de aço e as de fibra de vidro. As de aço são usadas com maior
frequência. Devido ao custo elevado das hastes de fibra de vidro, as mesmas são
mais utilizadas quando o poço apresenta grande problema de corrosão e elevadas
12
cargas. As hastes são classificadas mediante o diâmetro nominal e da composição
química (grau de aço) quanto se trata de hastes de aço. Em relação às de fibra de
vidro são classificadas pelo diâmetro nominar, temperatura permitida de trabalho e
composição química das extremidades metálicas.
Thomas (2001), diz ainda que em função da localização podemos nomear as hastes,
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. 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. (THOMAS, 2001 p. 244)
Segundo Thomas (2001), a soma das cargas determina a carga (F) que é medida
pelo dinamômetro. Fórmula da carga:
F = Ph + Fe + Fac + Ff + Pf
De acordo com Thomas (2001), os resultados são variáveis, mas é sempre nulo ou
positivo. Este valor expressa o que a unidade de bombeio esta solicitando.
Segundo Assman (apud VIEIRA; ARANHA, 2009, p.51),
Uma carta dinamométrica é nada mais do que um gráfico representando os efeitos gerados pela carga atuante na bomba, durante um ciclo de bombeio.
13 Existem dois tipos de cartas dinamométrica: a carta de superfície e a de fundo. As cargas são registradas na superfície através de dinamômetros e no fundo do poço através de dispositivos especiais ou através de modelos matemáticos.
Conforme Vieira; Aranha (2009) as cartas dinamométricas são uma das principais
ferramentas de análise e avaliação das condições de um Bombeio Mecânico.
De acordo com Assman (apud VIEIRA; ARANHA, 2009, p.51 e 52),
As mais importantes informações extraídas de cartas dinamométrica são: � A determinação das cargas que atuam na unidade de bombeio e na
haste polida; � A determinação da potência requerida para a unidade de bombeio; � O ajuste do contrabalanço da unidade de bombeio; � A verificação das condições de bombeio da bomba e válvulas; � A detecção de condições de falha.
Segundo Thomas (2001), esta carta registra também os testes das válvulas de
passeio e de pé, onde pode ser observada a carga nestas válvulas.
Thomas (2001) diz ainda que, o movimento relativo entre o pistão e a camisa de
bomba são responsáveis pelo volume de fluido bombeado e este movimento recebe
o nome de curso efetivo do pistão, que se difere do comprimento do curso da haste
polida. O que gera esta diferença entre os cursos é a elasticidade das colunas de
haste e de produção, assim como o sobrecurso do pistão.
De acordo com Thomas (2001), quando ocorre a transferência da carga de fluido da
válvula de passeio para a de pé, provoca deformações elásticas cíclicas tanto na
coluna de hastes como na de produção, pelo fato destas irregularidades estarem
defasadas de 180º o curso do pistão diminui-se da soma das elongações das hastes
e da coluna de produção. Assim sendo, o curso do pistão tende a aumentar devido a
inércia sucedida ao sobrecurso do pistão.
14
2.1.3 UNIDADE DE BOMBEIO
A unidade de bombeio é o equipamento que converte o movimento de rotação do motor em movimento alternativo das hastes. A escolha de uma unidade de bombeio para determinado poço deve levar em consideração o máximo torque, a máxima carga e o máximo curso de haste polida que irão ocorrer no poço. A unidade escolhida deve atender às três solicitações de forma a não sofrer danos quando da operação (THOMAS, 2001, p. 246).
Figura 5: Bombeio Mecânico com Hastes Fonte: http://tecnopeg.blogspot.com/2008/08/bombeio-mecanico.html
Segundo Thomas (2001) a UB está dividida nas seguintes partes:
� Estrutura: é composta por:
- Base: moldada em concreto ou formada por perfis de aço, serve como base onde se prendem, devidamente alinhados, o tripé, a caixa de redução e o motor. - Tripé: formado por três ou quatro perfis de aço, deve ter rigidez suficiente para suporta toda carga da haste polida. - Viga transversal, principal ou balancim: viga de aço apoiada em seu centro por um mancal, o qual está preso no topo do tripé. A viga deve ter resistência suficiente para suportar de um lado a carga da haste polida e do outro a força transmitida pela biela. - Cabeça da UB: localizada em uma das extremidades do balancim, suporta a carga da haste polida por meio de dois cabos de aço (cabresto) e uma barra carreadora. A geometria da cabeça da UB faz com que a haste polida
15 se mova verticalmente no poço, reduzindo esforços e atrito no “tê de surgência”. - Biela e manivela: transmitem movimento ao balancim. A distância do eixo da manivela ao mancal da biela define o curso da haste polida. Este curso pode ser modificado alterando-se a posição onde a biela é presa à manivela (THOMAS, 2001, p.246).
Figura 6: Partes de um Bombeio Mecânico Fonte: Rossi, 2003, p.37
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23
22
21
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19
18
17
16
15
14
13
CONTRAPESO
MANIVELA
BASE METÁLICA ("SKID")
TRIPÉ
ESCADA
MESA DO CABRESTO
CABEÇA DA UB
CABRESTO
MANCAL CENTRAL
PLATAFORMA DE ACESSO AO MANCAL CENTRAL
VIGA PRINCIPAL
VIGA EQUALIZADORA
12
11
10
7
8
9
6
5
4
3
1
2
18 17 16 15
1920
8
22
21
23
241
10
MANCAL EQUALIZADOR
MANCAL LATERAL VIGA EQUALIZADORA
BIELA OU BRAÇO
POLIA DO REDUTOR
GRADE DE PROTEÇÃO
ALAVANCA DE FREIO
BASE DO ACIONADOR
PROTETOR DE CORREIAS
PLATAFORMA DE ACESSO AO REDUTOR
BASE DO REDUTOR
MANCAL MANIVELA OU PROPULSOR
REDUTOR
14 13 12 11
6
8
9
7
3 4 52
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� Contrapesos:
De acordo com Thomas (2001) quando é elevado o fluido o motor somente
fornece energia no curso ascendente, no curso descendente a gravidade é
responsável pelo movimento das hastes. Para elevar os fluidos o motor exige
força cíclica o que causa a redução da sua vida útil. Na intenção de minimizar
esse desgaste são utilizados contrapesos que são colocados na manivela ou
na viga de unidade. Sendo assim no curso de ascendente os contrapesos
descem o que diminui a potência requerida do motor, já no curso
descendente o motor fornece energia e eleva os contrapesos. Sendo assim
ocorre uma distribuição mais uniforme das cargas fazendo com que o motor
seja exigido de forma mais contínua e aumentando sua vida útil.
� Caixa de redução:
Transforma e energia de alta velocidade e baixo torque do motor em energia de alto torque e baixa velocidade. A velocidade de 600 ou 900 rpm do motor é reduzida para velocidades de 6 a 20 ciclos por minuto. A redução é feita através de polias e através de engrenagens. O custo do redutor é de aproximadamente 50% do valor total da unidade. É projetado e construído para operar nos sentidos de rotação horária e anti-horária, devendo ser bipartido na linha de centro dos eixos. A velocidade de saída mínima não deve ser inferior a 6 rpm ( ROSSI, 2003, p. 39)
� Motor:
Os motores podem ser elétricos ou de combustão interna. Nos locais onde existe energia elétrica disponível são utilizados motores elétricos, pois apresentam maior eficiência, menor custo operacional e menor ruído. São ligados à rede elétrica através de um quadro de comandos onde é feito o controle da unidade. Em locais isolados, onde a construção de uma rede para distribuição de energia elétrica não é viável economicamente, são utilizados motores de combustão interna (THOMAS, 2001, p. 247).
Conforme Rossi (2003) o motor utilizado em um poço deve ter a potência necessária
para elevar os fluidos desde o nível dinâmico até a superfície, sendo assim a soma
das duas parcelas é igual à potência a ser entregue à haste.
De acordo com Rossi (2003, p. 35) existem vários tipos de unidades, que de acordo
com a geometria são classificados em: Classe I (convencional), Classe II, Classe III
(Mark II) e Classe IV.
17
Rossi (2003) fala que na Petrobras a unidade Classe I é generalizada e que
atualmente com a mudança da norma Petrobras N-1885 sobre as UB começou a
viabilizar as unidades Mark II.
Figura 7: Classes de Unidades de Bombeio Fonte: Rossi, 2003, p. 35 e 36.
De acordo com Rossi (2003) as unidades Classe I tem o tripé no meio da viga
principal e o mancal equalizador na parte da trás da unidade sendo situado
verticalmente acima do eixo da manivela. A desvantagem dessa unidade é que
máxima carga de aceleração só ocorre no fim do curso descendente e no início do
ascendente, quando a carga de fluido está sendo transmitida da coluna de produção
para a coluna de hastes.
Rossi (2003) fala ainda que as Unidades Classe III (Mark II) são balanceadas na
manivela, sendo assim o braço equalizador fica mais perto da cabeça da Unidade de
Bombeio, não é situado verticalmente acima do eixo da manivela. A carga é
reduzida no curso ascendente e aumentada no curso no descendente devido os
contrapesos nãos estarem em fase com a manivela.
18
2.1.4 ACOMPANHAMENTO DO POÇO EM PRODUÇÃO
Segundo Thomas (2001) um poço que produz por Bombeio Mecânico é feito o
acompanhamento por testes de produção, cartas dinamométrica e registros de
sonolog. O registro de sonolog indica a profundidade em que se encontra o nível
dinâmico e o nível estático no anular.
Devido à impossibilidade de ser descido um registrador de pressão pelo interior da coluna de produção para medir a pressão de fundo, estima-se o seu valor utilizando o registro sonolog. Consiste na detonação uma pequena carga explosiva na superfície, gerando um pulso acústico que se propaga pela coluna. Um receptor na superfície registra a reflexão do pulso nas luvas da coluna de produção e no nível de líquido no anular. Com o número de luvas registradas desde o instante do disparo até a reflexão do nível de líquido no anular, conhecido o comprimento médio de cada tubo da coluna, determina-se a profundidade do nível dinâmico ou estático, dependendo se o poço está produzindo ou fechado. Com a profundidade dos canhoneados e a densidade do fluido que está no anular pode-se calcular a pressão de fluxo no fundo do poço ou a pressão estática do reservatório (THOMAS, 2001, p. 247 e 248).
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3 CONCLUSÃO
Concluí-se o estudo sobre o Bombeio Mecânico com Hastes, que nos leva ao
entendimento sobre seu funcionamento.
Durante a elaboração do trabalho, nota-se que a energia é transmitida através de
uma bomba posicionada no fundo do poço, tendo como principais componentes a
bomba de subsuperfície, a coluna de hastes (polidas e de bombeio), a unidade de
bombeio e o motor. Atentam-se também para as vantagens e desvantagens que, é
um método de baixo custo podendo usar gás ou eletricidade como fonte de energia,
sendo simples e fácil de operar, porém, utilizado para poços rasos de média vazão,
demonstrando problemas em poços que produzam areia, sendo pesado e volumoso
para operações em mar.
Assim, diante do referencial estudado, bem como orientações em sala de aula no
que diz respeito ao tema abordado, fica clara a existência de um trabalho
participativo que busque sanar as dúvidas de todos os interessados.
Recomenda-se um estudo mais aprofundado sobre a coluna de hastes e o pistão do
Bombeio Mecânico para um entendimento de nível mais avançado.
20
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ROSSI, Nereu Carlos Milani de. Bombeio Mecânico: apostila Universidade Corporativa PETROBRAS, abril de 2003.
2. THOMAS, José Eduardo. Fundamentos da Engenharia do Petróleo. Rio de Janeiro, Interciência, 2001.
3. VIEIRA, Cleber Pereira; ARANHA, Erick Gonçalves. Um Estudo Compreensivo do Bombeio Mecânico para Extração de Petróleo a partir do Exame das Cartas Dinamométricas. Revista Universo do Petróleo e Gás, Nova Venécia, n. 01, p. 43-54, jul. a dez. 2009. Disponível em:
<http://www.univen.edu.br> Acesso em 12 set. 2011
4. Tecnopeg - O Espaço do Tecnólogo em Petróleo e Gás Natural na Internet. Bombeio Mecânico com Hastes, Disponível em: <http://tecnopeg.blogspot.com/2008/08/bombeio-mecanico.html > Acesso em 07 set. 2011.