BR0113728B1 - Conjunto de produção de poço submarino e método para produção de fluido de poço de um poço submarino. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO

DE PRODUÇÃO DE POÇO SUBMARINO E MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE FLUIDO DE POÇO DE UM POÇO SUBMARINO".

Campo Técnico Essa invenção refere-se, em geral, a bombas de poço submersí- veis elétricas, e em particular a uma bomba submersível elétrica dentro do tubo ascendente. Mais particularmente, o dispositivo é útil em poços atual- mente usando levantamento com gás convencional.

Histórico da Invenção Foram propostos dispositivos para elevar a pressão e fluxo em um poço de produção. Um exemplo de um tal dispositivo é descrito na pa- tente dos Estados Unidos número 5.044.440, que utiliza uma estação sub- mersa de separação, compressão e bombeamento que acomoda-se no fun- do do oceano para elevar o fluxo do poço ou uma série de poços. Um outro dispositivo, descrito na patente dos Estados Unidos número 5.755.288, é um conjunto de compressor de gás com furo inferior que inclui um separador, um compressor e uma bomba que fica localizada na zona de produção pelas perfurações no poço.

Poços distantes da costa estão agora sendo perfurados em á- guas muito profundas. A entrega do fluido produzido no poço do topo de um poço no fundo do mar, através de milhares de pés de tubo ascendente re- quer energia extensiva. O levantamento com gás foi proposto, mas isso re- quer uma grande pressão de injeção e um grande compressor em uma pla- taforma de produção na superfície.

Sumário da Invenção De acordo com a presente invenção, uma bomba submersível do tipo que normalmente seria aplicada em uma aplicação de poço com furo inferior pode ser instalada dentro dos canos do tubo ascendente de produ- ção de óleo de um sistema de tubo ascendente de compósito ou de aço a- cima do fundo do mar, ou qualquer outra nova configuração de tubo ascen- dente em águas profundas. A bomba poderia ser eletricamente ou hidrauli- camente energizada, ou utilizar uma outra fonte de energia. 0 conjunto de bomba é compreendido de uma admissão para o óleo, água e gás equipada com uma válvula de repercussão para garantir contra o fluxo reverso. Os fluidos e gases são então alimentados para dentro de um gás através da bomba ou um separador e então os líquidos são envi- ados para uma bomba. Os líquidos deixam a saída da bomba e são envia- dos para a superfície pelo tubo ascendente. O gás é ventilado no espaço anular entre o tubo ascendente e a tubulação de produção.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é uma vista esquemática ilustrando um conjunto de bomba submersível elétrica instalado em um tubo ascendente de poço de acordo com essa invenção. A Figura 2 é uma vista esquemática ampliada ilustrando o con- junto da bomba submersível elétrica instalado em um tubo ascendente de poço de acordo com essa invenção. A Figura 3 é uma vista seccional de uma porção inferior da bom- ba da Figura 1, que aloja um separador de gás rotativo e uma bomba cen- trífuga. A Figura 4 é uma vista seccional de uma modalidade alternada de uma porção inferior da bomba da Figura 1, que aloja um obturador, está- gios NPSH e uma bomba cônica.

Melhor Modo para Execução da Invenção Com referência à Figura 1, um conjunto de bomba submersível elétrica 11 é mostrado instalado dentro de um tubo ascendente 13 de um poço abaixo de uma plataforma de produção flutuante 10 e acima de uma cabeça de poço 14 no fundo do mar. Um navio de produção flutuante pode- ría também ser usado no lugar da plataforma de produção flutuante 10. A cabeça de poço 14 pode ser convencional e inclui válvulas remotamente acionadas para controlar o fluxo do fluido do poço para dentro do tubo as- cendente 13. A cabeça de poço 14 pode acumular a produção de uma série de poços, ou a cabeça de poço pode somente ser conectada em um único poço. O tubo ascendente 13 contém um fluido de poço 16 que flui para cima a partir de uma região de produção (não mostrada). Na aplicação dessa in- venção, o fluido do poço 16 tipicamente será uma mistura de gás e cru vis- coso pesado. O conjunto de bomba 11 preferivelmente está localizado em profundidade dentro do tubo ascendente 13, de preferência 0-100 metros acima da cabeça de poço 14, mais preferivelmente 0-50 metros acima da cabeça de poço 14, e mais preferivelmente ainda 0-25 metros acima da ca- beça de poço 14. O tubo ascendente 13 pode ser de milhares de metros de comprimento, assim o conjunto de bomba 11 está mais próximo em distância à cabeça de poço 14 do que à plataforma de produção 10. O conjunto de bomba 11 inclui uma bomba centrífuga 17 que está suspensa no tubo ascendente 13 por uma seqüência da tubulação de produção 15 e um separador de gás rotativo 19 é montado na extremidade inferior da bomba 17 nessa modalidade. O separador de gás rotativo 19 tem uma entrada de fluido do poço ou admissão inferior 22 e uma saída do gás superior 18. O separador de gás 19 na sua extremidade inferior é montado em uma seção de vedação convencional 20. Um motor elétrico 21 é supor- tado na extremidade inferior da seção de vedação 20. A seção de vedação 20 veda o fluido do poço 16 contra lubrificante dentro do motor elétrico 21 e também reduz o diferencial de pressão entre a pressão hidrostática no poço e a pressão interna do lubrificante no motor. Adicionalmente, a seção de ve- dação 20 tem mancais de empuxo para absorver o empuxo axial gerado pela bomba 17 e separador de gás rotativo 19. O motor elétrico 21 é um grande motor AC que é abastecido com energia elétrica através de um cabo de energia 23 que se estende para baixo proveniente da plataforma de pro- dução flutuante 10.

Nas figuras 2 e 3, vistas ampliadas do conjunto de bomba sub- mersível elétrica 11 são mostradas instaladas dentro da região do tubo as- cendente do poço 13. Com referência à Figura 3, o separador de gás rotativo 19 tem um alojamento cilíndrico 113. O alojamento 113 tem uma passagem interna axial 115. Um eixo 117 será acionado pelo motor 21 (Fig. 1) montado abaixo do separador de gás e separado pela seção de vedação 20 (Fig. 1).

Uma entrada 22 localiza-se no fundo do alojamento 113 para puxar o fluido do poço 16 para dentro da passagem 115.

0 fluido do poço 16 prossegue primeiro para um indutor 121. O indutor 121 compreende uma rosca helicoidal montada no eixo 117 para ro- tação com ele. O indutor 121 transporta o fluido do poço 16 para cima e pressuriza o fluido do poço 16 para evitar a expansão do gás contido no flui- do do poço 16 nesse ponto. O fluido do poço 16 então passa através de um mancai 123, que é de um tipo aranha, tendo uma pluralidade de passagens 124. O fluido do poço 16 prossegue para um conjunto de palhetas guias 125. As palhetas guias 125 são montadas no eixo 117 para rotação com ele. De preferência, existe mais do que uma das palhetas guias 125, cada uma compreendendo uma chapa plana ou curvada, e cada uma sendo inclinada em relação ao eixo do eixo 117. As palhetas guias 125 concedem um movimento de rota- ção ao fluido do poço 16.

As palhetas guias 125 estão localizadas na porção inferior de um rotor 127. O rotor 127 tem um cilindro externo 129 que se estende para bai- xo sobre as palhetas guias 125. O cilindro externo 129 envolve um cubo in- terno 131 e fica estritamente espaçado dentro de uma luva estacionária 130 montada na passagem 115. O cubo interno 131 é montado no eixo 117 para rotação com o eixo 117. Duas ou mais palhetas do rotor 133 (somente duas mostradas) se estendem entre o cubo 131 e o cilindro externo 129. As pa- lhetas 133 compreendem pás longitudinais que se estendem da extremidade inferior para a extremidade superior do rotor 127. Cada palheta 133 está lo- calizada em um plano radial do eixo do eixo 117. Cada palheta 133 é verti- calmente orientada.

Cada palheta 133 preferivelmente tem um entalhe 135 formado na sua extremidade superior. O entalhe 135 é uma fenda longitudinal que se estende para baixo da borda superior de cada palheta 133. Na modalidade mostrada, cada entalhe 135 está localizado aproximadamente no meio entre o cubo 131 e o cilindro externo 129. Os entalhes 135 podem também estar posicionados em um lado ou outro do ponto médio entre o cubo 131 e o ci- lindro externo 129, dependendo da quantidade de separação desejada. O rotor 127 concede uma força centrífuga para o fluido do poço 16 fazendo com que os componentes líquidos mais pesados fluam para fora em direção ao cilindro externo 129 quando eles progridem para cima do rotor 127. A fase gasosa mais leve permanecerá na porção central do rotor 127, perto do cubo 131.

Um membro de descarga 137 é montado de modo estacionário diretamente acima do rotor 127. O membro de descarga 137 não gira com o eixo 117. O membro de descarga tem uma margem pendente 139 que se estende para baixo. A margem 139 é concêntrica com o eixo 117. A margem 139 é anular, tendo um diâmetro externo significativamente menor do que o diâmetro interno da passagem 115 do alojamento 113. O diâmetro interno da margem 139 é significativamente maior do que o diâmetro externo do cubo interno 131. Isso resulta em uma cavidade de gás anular 141 localizada dentro da margem 139. O vão livre entre a margem 139 e a passagem 115 compreende uma passagem de líquido 143. A porção do fluido do poço 16 que não entra na cavidade do gás 141 fluirá para cima através da passagem de líquido 143. Uma pluralidade de passagens de gás 145 (somente uma mostrada) se estende através do membro de descarga 137. Na modalidade mostrada, existem três das passagens de gás 145, e cada uma se comunica com a saída de gás 18 que se estende através do alojamento 113. As saídas de gás 18 permitem que o gás separado seja descarregado para dentro do poço. O membro de descarga 137 tem uma pluralidade de suportes que se estendem lateralmente 149 (somente um mostrado). Na modalidade mostrada, existem três suportes 149 espaçados por 120 graus um do outro.

Os suportes 149 se estendem para fora para o contato com a passagem 115. Cada suporte tem um perímetro geralmente retangular, tendo bordas planas superior e inferior e bordas laterais. A face externa de cada suporte 149 é um segmento de um cilindro tendo aproximadamente o mesmo-diâ- metro que o diâmetro interno da passagem 115. A face externa de cada su- porte 149 se estende circunferencialmente cerca de 45 graus. O fluido na passagem de líquido 143 flui entre os suportes 149.

Uma janela 151, que é retangular na modalidade mostrada, está localizada na face externa de cada suporte 149. A janela 151 se alinha com uma das saídas de gás 18 e se comunica com uma cavidade 153 definida pelo interior de cada suporte 149. A janela 151 e a cavidade 153 podem ser considera- das uma parte da passagem de gás 145 que leva para uma saída de gás 18.

Um prendedor, parafuso 155, ou dispositivo de travamento se estende atra- vés de um furo no alojamento 115. A ponta do parafuso 155 engata uma co- vinha proporcionada em um dos suportes superiores 149. Esse engate evita a rotação do membro de descarga 137 e também fixa o membro de descar- ga 137 axialmente.

Um mancai 197 é montado no alojamento 113 acima do membro de descarga 137 para suportar o eixo 117. O mancai 197 tem uma ou mais passagens axiais 199 para o fluxo do fluido. O fluido flui através de uma saí- da do orifício 101 na extremidade superior para dentro da admissão 79 da bomba 17.

Em operação, o fluido do poço 16 flui na admissão 22. O indutor 121 aplicará pressão no fluido do poço, que então flui através das palhetas guias 125 para dentro do rotor 127. O motor girando proporciona alguma separação do gás e líquido, com os componentes líquidos mais pesados se movendo para fora em direção ao cilindro externo 129. A fase gasosa permanece perto do cubo interno 131 e fluirá através da cavidade do gás 141, passagem do gás 145 e para fora da saída do gás 18 no tubo ascendente 13. A porção restante do fluido do poço 16 que pode ser uma mistura de líquido e gás, fluirá para cima da passagem de líquido 143 e através da passagem de mancai 199 para dentro da saída do orifício 101 para dentro da admissão 79 da bomba 17. A bomba 17 é convencional. A extremidade inferior da bomba 17 tem uma admissão de bomba 79 para fornecer o líquido a ser bombeado pela bomba 17. O eixo 71 é acoplado no eixo 117 do separador de gás 19 por um acoplamento 73. O eixo 71 é acionado pelo motor elétrico 21, que gira o eixo 71 para acionar a bomba 17. A bomba 17 contém um grande nú- mero de estágios, cada um tendo um impulsor rotativo 81 e um difusor esta- cionário 83. Os impulsores 81 são montados no eixo 71. A bomba 17 bom- beia líquido para fora de uma extremidade de descarga 85 e para dentro da tubulação de produção 15. A tubulação de produção 15 termina na platafor- ma de produção flutuante 10. Perto da extremidade de descarga 85 da bom- ba 17 está um mancai fixo 75 que alinha o eixo 71 e permite que o eixo 71 gire. Alternativamente, o conjunto de bomba 11 poderia estar suspenso na tubulação enrolada, com o fluido do poço fluindo para cima do tubo ascen- dente 13 circundando a tubulação enrolada. A Figura 4 é um desenho de uma modalidade alternada. Nessa modalidade o fluido do poço 16 entra em uma entrada de líquido 31. A en- trada de líquido 31 é montada abaixo de um obturador 5 que proporciona uma vedação entre a região do tubo ascendente do poço 13 e um conduíte de fluido 33. A entrada de líquido 31 é ligada de modo fluido com o conduíte do fluido 33. O conduíte do fluido 33 passa através do obturador 5.

Um estágio de condicionamento do gás 25 ou estágio NPSH é montado na extremidade superior do conduíte de fluido 33. O estágio de condicionamento de gás 25 tem um alojamento tubular 27 contendo um grande número de impulsores 29. Os impulsores 29 são girados dentro do estator 30, que pode também ser citado como um conjunto de difusores. O eixo 35 gira os impulsores 29. Cada estágio do impulsor 29 e estator 30 re- sulta em um maior aumento na pressão. O estágio de condicionamento de gás 25 tem uma saída 37 que é conectada de modo fluido com a admissão da bomba 79. O eixo 35 é mecanicamente acoplado no eixo da bomba 71 por um acoplamento mecânico 39. A bomba 217 tem uma admissão de bomba 279 para fornecer o líquido a ser bombeado pela bomba 217. O eixo 271 é acoplado no eixo do estágio de condicionamento de gás 25 na extremidade inferior e o eixo 271 é acoplado no motor elétrico (não mostrado) por um acoplamento (não mos- trado). O eixo 271 é acionado pelo motor elétrico (não mostrado), que gira o eixo 271 para acionar a bomba 217. O motor elétrico (não mostrado) é ener- gizado por um cabo de energia (não mostrado). A bomba 217 contém um grande número de estágios, cada um tendo um impulsor rotativo 281 e um difusor estacionário 283. Os impulsores 281 são montados no eixo 271. Os estágios na extremidade inferior, perto da entrada da bomba 217 têm um maior volume do que os estágios na extremidade superior, perto da saída da bomba, de modo que o líquido é comprimido quando ele percorre através da bomba 217. A bomba 217 bombeia o líquido para fora de uma descarga 205 e para dentro de uma coroa anular 41 entre o conjunto de bomba 11 e o tubo ascendente 13 acima do obturador 5. A bomba 217 pode ficar suspensa na tubulação de produção ou na tubulação enrolada. O líquido percorre para cima da coroa anular 41 do tubo ascendente 13 para a plataforma de produ- ção flutuante 10. Perto da extremidade de descarga 285 da bomba 217 está um mancai fixo 275 que alinha o eixo 271 e permite que o eixo 271 gire. A invenção tem vantagens significativas. Pela operação de uma bomba submersível na região do tubo ascendente, a quantidade da produ- ção pode ser significativamente aumentada. Inicialmente, muitos poços têm pressão adequada para forçar os fluidos para cima no tubo ascendente sem qualquer ajuda. Entretanto, à medida que a pressão do poço cai com o tem- po, existe necessidade de artificialmente aumentar a pressão para ajudar a produção do óleo. Além disso, à medida que os fluidos de produção fluem para cima no poço, a pressão cai e gases que estavam em solução tornam- se gases livres. Essa invenção é capaz de artificialmente elevar a pressão do tubo ascendente para aumentar a produção e forçar uma parte dos gases livres de volta para a solução. Uma outra vantagem é a capacidade da bom- ba descarregar o tubo ascendente do líquido na eventualidade em que ocor- ra um bloqueio de hidrato entre a cabeça do poço e a base do tubo ascen- dente. Embora a invenção seja mostrada em somente uma de suas formas, deve ser evidente para esses peritos na técnica que ela não é de tal maneira limitada, mas é suscetível a várias mudanças sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, um separador de gás não é sempre requerido. Tam- bém, a extremidade superior do tubo ascendente pode ser flutuante e locali- zada a uma curta distância abaixo do nível do mar.

Claims (16)

1. Conjunto de produção de poço submarino para produção de fluido de poço (16) de um poço submarino caracterizado pelo fato de que compreende: um tubo ascendente (13) que se estende para cima da cabeça de poço (14) para pelo menos próximo do nível do mar e tendo uma extre- midade superior; e uma bomba centrífuga elétrica (17) suspensa dentro do tubo as- cendente (13) para bombear o fluido de poço para cima no tubo ascendente (13) .

2. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que o conjunto está localizado mais próximo da cabeça do poço (14) do que da extremidade superior do tubo ascendente (13).

3. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda uma tubulação de produção ligada de modo fluido na bomba (17) para transportar o fluido do poço (16) para cima no tubo ascendente (13).

4. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda um separador (19) dentro do tubo ascen- dente (13) montado abaixo da bomba (17) que separa o gás do fluido do po- ço (16).

5. Conjunto, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pe- lo fato de que o separador (19) é um separador de gás rotativo.

6. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda um obturador (5) vedando a bomba (17) no tubo ascendente (13), com a admissão da bomba (17) localizada abaixo do obturador (5) e uma descarga da bomba (17) localizada acima do obtura- dor (5).

7. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que a bomba (17) tem uma descarga que descarrega em uma coroa anular (41) no tubo ascendente (13).

8. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- Io fato de que a bomba (17) tem estágios cônicos com estágios de volume maior perto da entrada da bomba (17) e estágios de volume menor perto da saída da bomba (17).

9. Conjunto, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba (17) tem pelo menos um estágio NPSH perto da entra- da da bomba (17).

10. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o poço tem uma cabeça de poço no fundo do mar, e a bomba centrífuga elétrica é localizada acima da cabeça de poço.

11. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o conjunto de bomba (11) está localizado entre 0 metro acima da cabeça de poço (14) a 100 metros acima da cabeça de poço (14).

12. Método para produção de fluido de poço de um poço subma- rino caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: (a) instalar um tubo ascendente (13) de uma cabeça de poço (14) perto do fundo do mar com a extremidade superior pelo menos perto do nível do mar; (b) suspender uma bomba centrífuga elétrica (17) no tubo as- cendente (13); e (c) bombear o fluido do poço (16) para cima no tubo ascendente (13) com a bomba (17).

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de instalar um separador (19) abaixo da bomba (17) e separar o gás do fluido do poço (16) antes de entrar na bomba (17).

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende suspender a bomba (17) em uma tubulação e a etapa (c) compreende bombear o fluido do poço (16) para ci- ma na tubulação.

15.

Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende suspender a bomba (17) em uma tubula- ção e a etapa (c) compreende bombear o fluido do poço (16) para cima em uma coroa anular (41) no tubo ascendente (13) que circunda a tubulação.