BR0107057B1 - dispositivo de controle de fluxo. - Google Patents

Description

DISPOSITIVO DE CONTROLE DE FLUXO

Esta invenção se refere a dispositivos de controle defluxo, tais como estranguladores para poços dehidrocarboneto.

Em um poço de hidrocarboneto, os estranguladorescontrolam o escoamento de fluido para a tubulação deprodução a partir do furo de poço ou para regiões do furode poço a partir da tubulação de produção.

Convencionalmente, esses estranguladores têm sidodispositivos liga/desliga simples, que meramente abriamcompletamente ou fechavam completamente a tubulação deprodução. Recentemente, tem havido uma exigência de umcontrole de fluxo variável, o que deu origem a problemas emparticular. Um estrangulador de controle de fluxo variávelconvencional é mostrado no desenho esquemático da Figura 1a.

Os aspectos básicos deste dispositivo estão em umaluva externa 1 e uma luva interna 2, cada uma tendorespectivos conjuntos 3, 4 de aberturas localizados emtorno de suas respectivas circunferências. A luva interna 2é móvel de forma deslizante por meio de um atuador (nãomostrado). A Figura Ia mostra a localização das luvas naposição "fechada". As Figuras Ib e Ic mostram as posiçõesrelativas das luvas em duas posições "abertas" diferentes -parcialmente aberta e completamente aberta,respectivamente. As setas nas Figuras Ib e Ic representam oescoamento de fluido do furo de poço para a tubulação deprodução, através das aberturas 3, 4.

Selos anulares 5, 6 e 7 estão localizados entre asluvas interna 2 e externa 1. Esses selos separam o espaçoanular entre as luvas interna e externa em câmaras,enquanto permitem que a luva interna se mova livremente.Por exemplo, há uma câmara anular 8 entre os selos 6 e 7,cuja câmara inclui as aberturas 3 da luva externa 1.

A ativação do atuadòr faz com que a luva interna 2seja movida na direção das setas mostradas na Figura la. AFigura Ib mostra o aparelho da Figura Ia em uma posiçãoparcialmente aberta, onde as aberturas 4 da luva internainvadem a câmara 8, desse modo abrindo um percurso defluxo. Na posição completamente aberta da figura Ic, asaberturas 4 da luva interna estão localizadas inteiramentena câmara 8.

Vários problemas podem ser encontrados com este tipoconvencional de dispositivo de controle de fluxo. Porexemplo, conforme o dispositivo começa a entrar em umaposição "aberta" , a pressão em um lado do selo tende adistorcer o selo e extrudá-lo na direção do escoamento defluido. Portanto, no exemplo mostrado na Figura Ib, o selo6 tende a ser extrudado nas aberturas da luva interna. Casoo escoamento de fluido fosse na direção oposta (isto é, datubulação de produção para o furo de poço), o selo tenderiaa se extrudar no espaço anular entre as luvas.

Outro problema deste tipo de dispositivo de controlede fluxo é que, no momento da abertura, o fluido estáescoando muito rapidamente através das aberturas, e a umaalta pressão, com o resultado de o selo 6 poder serdanificado ou arrastado para as aberturas 4 da luvainterna.A alta velocidade do escoamento de fluido na posição"recém aberta" da Figura Ib também pode causar um outroproblema, especificamente, aquele de erosão das bordas dasaberturas, particularmente quando o fluido estivercontaminado com partículas sólidas, tal como areia.

Ainda um outro problema, o qual pode ser encontradocom dispositivos de controle de fluxo convencionais é que oaumento na vazão de fluido não é linear com um movimentolinear do tubo e, assim, um controle de escoamento variávelpreciso é difícil, especialmente quando baixas vazões foremrequeridas.

De acordo com a invenção, é provido um dispositivo decontrole de fluxo para poços de hidrocarbonetoscompreendendo uma luva externa, que tem pelo menos umaabertura através de sua parede, uma luva interna que tempelo menos uma abertura através de sua parede, e meios paraa provisão de um movimento de deslizamento relativo dasluvas entre posições "abertas", permitindo um escoamentovariável de fluido através das aberturas das luvas eposições "fechadas" e uma região de redução de pressãodisposta para reduzir a pressão de fluido escoando atravésde pelo menos uma abertura das luvas, caracterizada pelofato de haver um anel entre as luvas interna e externa, aregião de redução de pressão compreendendo uma região doanel de tamanho reduzido.

A provisão de uma região de redução de pressão reduz orisco de danos ao selo e reduz a tendência de ele serarrastado para as aberturas da luva. Mais ainda, uma erosãodas aberturas é reduzida.Preferivelmente, ο dispositivo compreende um arranjode vedação entre as luvas interna e externa, compreendendopelo menos um selo e meios de desvio de selo dispostos parapermitir que uma porção de fluido se infiltre em torno doselo, de modo que a pressão de fluido atuando em uma regiãodo selo seja reduzida.

A provisão de um desvio de selo reduz a tendência deextrusão do selo, a qual era encontrada, até agora.

Conforme o fluido infiltra em torno do selo, a pressão noslados opostos do selo tende a se equalizar.

Vantajosamente, uma região de borda de pelo menos umaabertura das luvas inclui meios resistentes à erosão.

A provisão de um meio resistente à erosão prolonga avida útil do dispositivo de controle de fluxo.

Preferencialmente, o meio resistente à erosão incluitungstênio.

Preferivelmente, a pelo menos uma abertura de uma dasluvas tem regiões de borda inclinadas. A provisão da bordainclinada também tem a finalidade de reduzir a erosão.

Vantajosamente, as luvas interna e externa apresentam,respectivamente, conjuntos de aberturas através de suasparedes e um conjunto de aberturas inclui uma abertura quese estende além das outras, na direção do movimento deabertura.

A provisão da abertura estendida permite que vazõesbaixas sejam atingidas, quando o dispositivo entrar em umaposição "recém aberta".

Preferencialmente, o formato, o tamanho e oespaçamento das aberturas são dispostos para proverem umamudança de percentagera constante da característica decoeficiente de velocidade do fluido, cora um movimentolinear da luva interna.

A invenção, agora, será descrita, a título de exemplo,com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

as Figuras Ia a Ic são vistas em seção transversalesquemáticas de um dispositivo de controle de fluxoconvencional em posições fechadas e abertas;

a Figura 2 é um diagrama esquemático, que mostra umarranjo de dispositivos de controle de fluxo em um furo depoço submarino;

a Figura 3a é uma vista em seção transversalesquemática de um aparelho construído de acordo com ainvenção;

a Figura 3b é uma vista mais detalhada de parte doaparelho da Figura 3a;

as Figuras 3c a 3e ilustram o aparelho da Figura 3a emvários estágios de abertura;

a Figura 4 é uma vista em perspectiva do aparelho daFigura 3; e

a Figura 5 ilustra, graficamente, a mudança de vazão ede perda de pressão atingíveis com o aparelho da Figura 3.

Números de referência iguais se aplicam a partesiguais por todo o relatório descritivo.

Com referência à Figura 2, é mostrado um arranjotípico de um furo de poço, indicado, geralmente, pelonúmero de referência 9, com um número de ramificações 9a,9b. A tubulação de produção 10 se estende a partir da bodado furo até os reservatórios de petróleo. O espaço entre atubulação e o furo de poço é selado em pontos ao longo deseu comprimento, por meio de dispositivos 11 conhecidoscomo obturadores. Interpostos entre obturadores adjacentesestão estranguladores 12, os quais são, cada um, operadospor atuadores (não mostrados). Em uso, petróleo e outrosfluidos de hidrocarboneto entram na tubulação de produção10 através das aberturas nos dispositivos estranguladores12, se abertos. A seleção e a operação dos motoresassociados aos atuadores de estrangulador são realizadaspor uma seleção do operador, por meio de um visor decontrole na superfície. Sensores (também não mostrados)podem ser empregados, para proverem ao operador umainformação precisa referente à posição e à condição dosestranguladores 12.

a Figura 3a ilustra um estrangulador 12, ou umdispositivo de controle de fluxo, construído de acordo coma invenção. Este dispositivo de controle de fluxo tem osmesmos aspectos básicos que aquele mostrado nas Figuras Iaa Ic, especificamente, uma luva externa 13, que tem umconjunto 14 de aberturas, uma luva interna 15, que tem umconjunto 16 de aberturas, um arranjo de vedação 17, 18, 19e um atuador (não mostrado) disposto para mover a luvainterna 15 em relação à luva externa 13. 0 arranjo dosselos 18 e 19, define uma câmara anular 20, entre as luvas,que incorpora o conjunto 14 de aberturas da luva externa.

As Figuras 3a a 3e ilustram os princípios por trás dosaspectos inventivos do dispositivo de controle de fluxo, enão têm por finalidade refletir, precisamente, as dimensõesde um dispositivo real. Por exemplo, é improvável que oselo anular 17 estive tão perto em proximidade do selo 18,como é mostrado nos desenhos.

De acordo com a invenção, é provida uma região deredução de pressão, na forma de uma inserção anular 21. Ainserção anular 21 é interposta entre o selo 18 e a luvaexterna 13. A inserção 21 forma uma região de tamanhoreduzido na forma de uma passagem anular estreita 22, emfrente ao selo 18. A inserção anular 21 é mostrada nodesenho mais detalhado da Figura 3b, como é mostrada umacavidade 23, de um conjunto de cavidades escavadas nasuperfície externa da luva interna 15. As cavidades 23estão localizadas imediatamente antes das aberturas 16 daluva interna 15, na direção de movimento de abertura. Afunção de ambas a inserção anular 21 e as cavidades 23 serádescrita mais tarde neste relatório descritivo.

Outro aspecto do estrangulador da Figura 3a é que asaberturas 16 da luva interna 15 são de formatos e tamanhosdiferentes. Pelo menos uma, 24, das aberturas desteconjunto 16 se estende além das outras, na direção demovimento de abertura, do dispositivo de controle de fluxo,cuja direção é mostrada pelas setas.

Com referência, agora, à Figura 3c, esta mostra ocomeço da operação de abertura pelo atuador, o qual estámovendo a luva interna 15 na direção mostrada pelas setas.Neste desenho, as cavidades 23 estão sobre o selo 18 eestão, agora, impingindo na câmara 20, cuja câmara incluias aberturas 14 da luva externa 13. Assim, é permitido queum fluido de hidrocarboneto, que entra na câmara 20 apartir do poço, se infiltre em torno das cavidades, sedesviando do selo 18, apesar do estrangulador 12 não teratingido uma posição "aberta". Isso tem o efeito deequilibrar a pressão de fluido em ambos os lados do selo18, antes do dispositivo de controle de fluxo entrar em umaposição aberta, desse modo reduzindo o problema de extrusãodo selo, o qual era, até agora, causado pela alta pressãodo fluido escoando para dentro, atuando sobre este selo.

A Figura 3d mostra o dispositivo de controle de fluxoentrando em uma posição aberta. A abertura estendida 24 daluva interna 15 acabou de se mover diante do selo 18 eincide ligeiramente na câmara 20, desse modo permitindo queuma pequena quantidade de fluido escoe para o furo da luvainterna 15. Assim, uma taxa baixa de escoamento de fluidoatravés do dispositivo de controle de fluxo pode serobtida. Isso era mais difícil com os estranguladoresconvencionais, nos quais as aberturas eram do mesmo formatoe tamanho e eram alinhadas; pequenas mudanças na vazãopoderiam ser obtidas, apenas, por deflexões pequenas daluva interna, o que era muito difícil, devido aos atuadoresserem dispositivos de posicionamento relativamente brutos.

Na prática, usualmente, há mais de uma abertura estendida24, tipicamente localizada em pontos diametralmente opostosda luva interna 15.

Antes de entrar na abertura 24 da luva interna 15, ofluindo entrando na câmara 20 a partir do poço é dirigidopara a pequena passagem anular 22, provida pela inserçãoanular 21. As dimensões da passagem anular 22 sãoescolhidas de modo que uma grande proporção da pressão dofluido escoando para dentro seja diminuída ao longo dapassagem, quer dizer, de modo que haja um diferencial depressão entre as extremidades da passagem. Portanto, ofluido que entra na luva interna 15 está a uma pressão maisbaixa do que aquela até agora encontrada com umestrangulador convencional. Este aspecto impede que o selo18 seja danificado ou arrastado para as aberturas e,também, reduz a erosão. As dimensões radiais da passagem 22precisam ser grandes o bastante, entretanto, para impedirum bloqueio de contaminantes no fluido.

A Figura 3e mostra o estrangulador na posiçãocompletamente aberta. Nesta posição, o fluido é capaz deescoar através de todas as aberturas 16 na luva interna 15,desse modo produzindo um escoamento máximo obtenível natubulação de produção. Deve ser notado que, conforme oatuador se move entre as posições das Figuras 3d e 3e, ocomprimento efetivo da passagem anular 22 se reduz, de modoque as aberturas 16 da luva interna 15 são gradualmenteexpostas a uma pressão crescente, culminando na exposiçãocompleta à pressão do fluido escoando para dentro.

A Figura 4 mostra o layout da luva interna 15, maisclaramente. Para fins ilustrativos, o selo 18 é mostradoafixado à luva interna 15, como o é a inserção anular 21.As cavidades 23 também são mostradas, posicionadas emfrente a todas as aberturas 16 na luva interna 15, excetopela abertura 24. Um aspecto adicional deste aparelho é quea abertura estendida 24 inclui uma inserção resistente ãerosão 25, tipicamente feita de tungstênio. A inserção 25 épresa à luva interna 15 por meio de um prendedor deparafuso 26 em uma porção de extremidade, e tem um contornoem formato de virola na outra porção de extremidade, o qualse encaixa na abertura 24. A inserção 25 é inclinada emtorno das bordas da abertura 24, desse modo provendo umainclinação efetiva da abertura, para resistir mais àerosão. Obviamente, as aberturas em si poderiam serinclinadas como uma salvaguarda adicional contra a erosão.

A curva rotulada A na Figura 5 ilustra a mudança navazão obtenível com o aparelho da invenção. A vazão éplotada contra o curso da luva interna, conforme movidapelo atuador. Esta mudança na vazão com o curso apresentacaracterísticas mais lineares do que o que era obtenívelaté agora. Mais ainda, vazões muito baixas são obteníveis.Previamente, havia um degrau entre a vazão nula na posiçãofechada e a vazão na posição "recém aberta". O gráficocorrespondente da mudança de pressão através das aberturastambém é mostrado na curva rotulada B.

A invenção é particularmente adequada para o controlede estranguladores ao longo do furo em poços dehidrocarboneto, embora seja eminentemente adequada para ocontrole do escoamento de fluido em geral, em outrasaplicações.

Em um poço de hidrocarboneto, usualmente apenas a luvainterna é movida para o controle de mudanças de fluxo. Emoutras aplicações, pode ser mais vantajoso que a luvaexterna, ou mesmo ambas as luvas, seja movida por meio demecanismos atuadores.

A invenção foi descrita em relação a um fluidoescoando de um furo de poço para uma tubulação de produção,isto é, do exterior da luva externa para o interior da luvainterna. Contudo, a invenção é igualmente adequada para ocontrole do escoamento de fluido no sentido oposto, com umaadaptação mínima ou sem nenhuma adaptação adicionalprecisar ser feita. Outras variações podem ser feitas, semse desviar do escopo da-invenção. Por exemplo, a inserçãoanular não precisa ser interposta entre o selo 18 e a luvaexterna. A inserção poderia ser afixada à luva externa emfrente ao selo ou, ainda, afixada à luva interna. Ainserção poderia mesmo ser formada com o selo como umaparte integral.

Como uma variação adicional, a inserção resistente àerosão poderia ser afixada à luva interna, por exemplo, pormeio de uma ligação química, ou poderia, mesmo, ser umaparte integral da luva. Todas as aberturas das luvasinterna e/ou externa poderiam ser feitas resistentes àerosão, desta maneira.

Claims (15)

1. Dispositivo decontrole de fluxo (12) para poçosde hidrocarboneto compreendendo uma luva externa (13) quetem pelo menos uma abertura (14) através de sua parede, umaluva interna (15) que tem pelo menos uma abertura (16)através de sua parede, meios para a provisão de ummovimento de deslizamento relativo das luvas entre posições"abertas", permitindo um escoamento de fluido variávelatravés das aberturas das luvas e posições "fechadas" e umaregião de redução de pressão (21) disposta para reduzir apressão do fluido escoando através de pelo menos umaabertura de uma das luvas, caracterizado pelo fato de haverum anel (20) entre as luvas interna (15) e externa (13) , aregião de redução de pressão compreendendo uma região doanel de tamanho reduzido.

2. Dispositivo (12), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da região de tamanho reduzidoincluir uma porção da luva externa (13) que tem um diâmetrointerno reduzido.

3. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato da região detamanho reduzido incluir uma porção da luva interna (15)que tem um diâmetro externo aumentado.

4. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato dotamanho efetivo da região de redução de pressão mudarconforme o dispositivo se move entre as posições "fechada"e completamente "aberta", de modo a gradualmente expor pelomenos uma abertura (14 ou 16) de uma das luvas (13 ou 15) àpressão total do fluido.

5. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato decompreender um arranjo de vedação entre as luvas interna eexterna (15, 13) compreendendo pelo menos um selo (18) emeios de desvio de selo (23) disposto para permitir que umaporção de fluido se infiltre em torno do selo (18), de modoque a pressão de fluido atuando em uma região do selo sejareduzida.

6. Dispositivo (12), de acordo com a reivindicação-5, caracterizado pelo fato do meio de desvio de selo (23)compreender pelo menos uma cavidade na luva interna (15).

7. Dispositivo (12), de acordo com a reivindicação-6, caracterizado pelo fato de pelo menos uma cavidade terum comprimento que excede àquele da face do selo (18) quese encaixa na luva interna (15).

8. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato do meiode desvio de selo (23) estar localizado na luva interna(15), antes de pelo menos uma abertura (16) da luva internana direção de movimento de abertura.

9. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelofato de uma região de borda de pelo menos uma abertura dasluvas incluir meios resistentes à erosão (25).

10. Dispositivo (12), de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pelo fato dos meios resistentes à erosão(25) incluírem tungstênio.

11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato dos meiosresistentes à erosão (25) compreenderem uma camada detungstênio afixada à luva.

12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato dos meiosresistentes à erosão (25) compreenderem uma camada detungstênio fixada à luva de forma destacável.

13. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12,caracterizado pelo fato de pelo menos uma abertura (24) deuma das luvas ter uma região de borda inclinada.

14. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 13,caracterizado pelo fato das luvas interna e externa terem,respectivamente, um conjunto de aberturas e um conjunto deaberturas incluir uma abertura (24) que se estende além dasoutras, na direção de movimento de abertura.

15. Dispositivo (12), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato das luvas interna e externaterem, respectivamente, um conjunto de aberturas através desuas paredes e as aberturas serem dispostas de modo que ataxa de escoamento de fluido tenha uma relaçãopredeterminada com a posição das luvas.