BR102013009326A2 - Sistema - Google Patents

Abstract

Sistema. A instrumentação para bombas submersíveis elétricas (esps) de lata confiabilidade é fornecida. Sensores abrangentes posicionados ao longo dos componentes da esp permitem monitoramento, análise e intervenção pra melhorar o desempenho de componentes de esp e fornecem alta confiabilidade e via longa para os componentes. Sensores exemplares de esp usados para protetoramento monitorar uma coluna de esp podem incluir detectores de fuga de corrente elétrica, sensores de temperatura no terminal de cabo, fibras ópticas usadas como sensores de temperatura distribuída no estator de motor e enrolamentos do motor, sensores de corte de água para determinar qualidadew de hidrocarboneto sendo produzido, sensores de tacômetro e torque para detecetar a velocidade de eixos de rotação dos motores e bombas, sensores de temperatura e vibração para mancais de rotor e elementos de empuxo e detectores de desequilíbrio de ponto y para equilibrar cargas elétricas nas três fases de um sistema em y. Módulos de interpretação e controle analisam a entrada de sensor e aplicam ações que melhoram o desempenho e alongam o tempo de vida de componentes

Description

SISTEMA

FUNDAMENTOS

Em elevação artificial para a produção de hidrocarbonetos e outros recursos, especialmente para operações submarinas, é importante aumentar a confiabilidade de bombas submersíveis elétricas (ESPs) e seus componentes associados (a seguir "colunas de ESP") porque o custo de intervenção e reparo pode ser muito grande. Monitoramento convencional de fundo de poço para ajudar a evitar reparos é limitado ao local de entrada e ao local de descarga de uma coluna de ESP convencional e mede somente pressão, temperatura e vibração nos locais de entrada e descarga da coluna de ESP. Dados desse monitoramento convencional são enviados ao equipamento de superfície para interpretação convencional, mas oferecem somente uma visão rudimentar de problemas que podem estar ocorrendo ao longo da coluna de ESP.

SUMÁRIO

Instrumentação para bombas submersíveis elétricas (ESPs) de alta confiabilidade é fornecida. Um sistema exemplar inclui uma coluna de ESP, um sensor associado com um mancai de eixo ou um mancai de rotor de cada seção da coluna de ESP, um módulo de monitoramento para dinamicamente rastrear dados de cada sensor e um módulo de controle para alterar um parâmetro operacional da coluna de ESP com base no rastreamento dinâmico dos dados de sensor.

Fibras ópticas incorporadas podem monitorar temperaturas distribuídas de bobinas de motor e podem também multiplexar dados de sensor enviados à superfície. Sensores podem monitorar temperaturas de mancai, vibração de mancai, temperaturas de estator, perfis de temperatura distribuída, temperaturas de cabo de energia, RPM de eixo, torque de eixo, corte de água, ingresso de água, química de fluido, pressão de fole, temperatura de mancai de empuxo, deformação e desgaste; fuga de corrente elétrica e desequilíbrio de fase elétrica de ponto Y. Esta seção de sumário não pretende dar uma descrição completa de instrumentação de bombas submersíveis elétricas de alta confiabilidade. Uma descrição detalhada com modalidades exemplares está a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é um diagrama de um exemplo de coluna de bomba submersível elétrica (ESP) com passagem de cordão de fibra óptica para monitorar componentes. A Fig. 2 é um diagrama de um exemplo de componente bomba da coluna de ESP com elemento de empuxo. A Fig. 3 é um diagrama de um motor submersível exemplar arranjado com sensores para alta confiabilidade. A Fig. 4 é um diagrama de um protetor exemplar arranjado com sensores para alta confiabilidade. A Fig. 5 é um diagrama de um conjunto de mancai de empuxo exemplar arranjado com sensores para alta confiabilidade. A Fig. 6 é um diagrama de uma bomba exemplar e entrada de bomba arranjada com sensores para alta confiabilidade. A Fig. 7 é um diagrama de bloco de uma máquina de alta confiabilidade exemplar. A Fig. 8 é um diagrama de bloco de um dispositivo exemplar para hospedar a maquina de alta confiabilidade. A Fig. 9 é um diagrama de fluxo de um método exemplar para melhorar o desempenho e a confiabilidade de uma coluna de ESP.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Esta revelação descreve a instrumentação de bombas submersíveis elétricas (ESPs) de alta confiabilidade. Um sistema exemplar descrito aqui fornece colunas de ESPs de alta confiabilidade que têm características de sensor abrangentes e interpretação melhorada dos sensores abrangentes. A implementação de sensor abrangente permite monitoramento melhorado, análise e controle de muitas partes da coluna de ESP, não apenas os locais de entrada e descarga, e fornece tempo de vida estendido de componentes.

Na descrição abaixo, os termos "controle" e "intervenção" (ou "intervir") são usados de modo intercambiável. O sistema exemplar inclui novas ferramentas que fornecem várias capacidades de monitoramento e intervenção intensificadas para uma coluna de ESP.

Visão geral Uma coluna de ESP exemplar é equipada com numerosos sensores ao longo desta para fornecer operação melhorada e alta confiabilidade. O motor submersível exemplar pode incluir sensor(es) de fuga de corrente para detectar aterramento ou perda de corrente elétrica em locais prováveis, sensor(es) de temperatura no terminal de cabo, fibras ópticas usadas como sensor(es) de temperatura distribuída no estator, por exemplo, para monitorar temperatura ao longo de seções de bobina nos enrolamentos do motor; sensor (es) de corte de água para determinar qualidade de um hidrocarboneto sendo produzido, sensor(es) de RPM e torque para detectar a velocidade de eixos rotativos do(s) motor(es) e/ou bomba(s), sensor(es) de temperatura e/ou vibração aplicados a mancais de rotor e elementos de empuxo e detector(es) de desequilíbrio de ponto Y para equilibrar cargas elétricas nas três fases em um sistema em Y.

Equipamento de superfície mede e analisa fuga de corrente elétrica detectada. Temperatura e vibração podem ser medidas e monitoradas em vários locais de mancai de rotor. Um ou mais perfis de temperatura podem ser obtidos ao longo de cabos de extensão de condutor de motor (MLE) usando fibra óptica ou RTDs em terminais de cabos. Os sensores de corte de água para pureza de óleo podem ser usados em vários locais para também identificar ingresso de água.

Sistemas exemplares A Fig. 1 mostra um sistema de bombeamento submersível exemplar 20, com condutores de sensor exemplares 18 conectados internamente a sensores arranjados dentro do sistema de bombeamento 20. O sistema de bombeamento submersível 20 pode incluir uma variedade de seções e componentes dependendo da aplicação particular ou do ambiente no qual ele é usado. Exemplos de componentes utilizados no sistema de bombeamento 20 incluem pelo menos uma bomba submersível 22, pelo menos um motor submersível 24 e um ou mais protetores de motor 2 6 que são acoplados juntos para formar estágios, seções ou segmentos do sistema de bombeamento submersível 20, referenciado como uma coluna de bomba submersível elétrica (ESP) 20.

No sistema exemplar mostrado, o sistema de bombeamento submersível 2 0 é projetado para implementação em um poço 2 8 dentro de uma formação geológica 30 contendo fluidos de produção desejáveis, tal como petróleo. Um furo de poço 32 é perfurado na formação 30 e, em pelo menos algumas aplicações, é revestido com um revestimento de poço 34.

Perfurações 36 são formadas através do revestimento de furo de poço 34 para permitir fluxo de fluidos entre a formação circundante 30 e o furo de poço 32. O sistema de bombeamento submersivel 20 é implementado no furo de poço 32 por um sistema de implementação 3 8 que pode ter uma variedade de configurações. Por exemplo, o sistema de implementação 38 pode compreender tubulação 40, tal como tubulação espiralada ou tubulação de produção, conectada à bomba submersivel 22 por um conector 42.

Energia é fornecida ao pelo menos um motor submersivel 24 através de um cabo de energia 44. O motor submersivel 24, por sua vez, alimenta a bomba submersivel 22 a qual pode ser usada para extrair fluido de produção através de uma entrada de bomba 46. Dentro da bomba submersivel 22, uma pluralidade de impeiidores é girada para bombear ou produzir o fluido de produção através, por exemplo, da tubulação 4 0 para um local de coleta desejado que pode estar em uma superfície 48 da Terra. O sistema de bombeamento submersivel ilustrado 20 é somente um exemplo de muitos tipos de sistemas de bombeamento submersíveis que podem se beneficiar das características descritas aqui. Por exemplo, múltiplos estágios de bomba e outros componentes podem ser adicionados ao sistema de bombeamento e outros sistemas de implementação podem ser usados. Além disso, os fluidos de produção podem ser bombeados para o local de coleta através da tubulação 40 ou através de um anular ao redor do sistema de implementação 38. A bomba ou bombas submersíveis 22 podem ainda utilizar diferentes tipos de estágios, tal como estágios de fluxo misturado ou estágios de fluxo radial. A Fig. 2 mostra uma vista em corte transversal de uma modalidade exemplar de uma bomba submerslvel 22. A Fig. 2 é somente um exemplo de construção de bomba submersível fornecido para mostrar a colocação do sensor exemplar.

Nesta modalidade, bomba submersível 22 compreende uma pluralidade de estágios, tal como estágios 50 e 50'. Cada estágio 50 compreende um impelidor 52 acoplado a um eixo 54 rotativo ao redor de um eixo central 56. A rotação do eixo 54 pelo motor submersível 24 faz com que os impelidores 52 girem dentro de um alojamento de bomba externo 58. Cada impelidor 52 extrai fluido através de um impelidor ou entrada de estágio 60 e encaminha o fluido ao longo de uma passagem de impelidor interior 62 antes de descarregar o fluido através de uma saída de impelidor 64 e para um difusor adjacente axialmente 66. A passagem interior 62 é definida pelo formado de um alojamento de impelidor 68, e o alojamento 6 8 pode ser formado para criar um impelidor para um estágio flutuador, como ilustrado na Fig. 2, ou para um estágio de compressão. Além disso, o alojamento de propulsor 68 pode ser projetado para criar um estágio de fluxo misturado, um estágio de fluxo radial, ou outro estilo de estágio apropriado para uso na bomba submersível 22 .

Na Fig. 2, um elemento de empuxo interno 70, tal como um arruela de empuxo, é posicionado para resistir a cargas de empuxo, ou seja, para resistir a cargas de empuxo descendentes criadas pelo impelidor em rotação 52 . Nesta modalidade exemplar, a arruela de empuxo 70 pode estar posicionada no perfil de uma característica do impelidor 72, tal como um recesso formado em uma porção superior do alojamento de impelidor 68. A arruela de empuxo 70 pode estar disposta entre o impelidor 52 e uma porção radialmente interior 74 do difusor a montante adjacente seguinte 66. Em uma implementação, pelo menos um sensor 76 pode ser posicionado próximo, contra ou dentro do elemento de empuxo 70 e ligado através de partes estacionárias do alojamento de difusor, tal como a porção radialmente interior 74. Sensores de temperatura, carga e posição ou proximidade podem ser aplicados em um mancai de empuxo 70 para monitorar carga ou deformação no mancai de empuxo 70 ou proximidade de um passador para um mancai de empuxo 70. O (s) sensor(es) pode(m) monitorar a condição ou o envelhecimento do mancai de empuxo, bem como características de carga, por exemplo, para fins de ajustar a carga para poupar o mancai de empuxo ou para prolongar o tempo de vida do mancai de empuxo. A Fig. 3 mostra um motor de exemplo 24 que pode alimentar um ou mais componentes de uma coluna de ESP 20.

Por exemplo, em um cenário, o motor de exemplo 24 pode alimentar vários estágios de bomba. O motor de exemplo 24 tem vários componentes de hardware e sensores associados. O motor de exemplo 24 pode ter um cabeçote de motor 3 02, uma base de motor 304 e um alojamento exterior 306. Um rotor 308, suportado por mancais de rotor 310, aciona a rotação de um eixo 312. Um estator 314 com laminações fornece um campo magnético de rotação para acionar o rotor 308. O estator 314 tem enrolamentos 316 que criam campos eletromagnéticos quando a eletricidade circula. O rotor 308 pode também ter enrolamentos 316 para induzir campos eletromagnéticos que interagem com os campos eletromagnéticos do estator 314. Alternativamente, o rotor 308 pode ter ímãs permanentes ao invés de enrolamentos 316. O motor 24 pode ter outras características, tal como uma válvula de drenagem e enchimento 318 para óleo de motor, tal como óleo dielétrico. Um acoplamento 32 0 no cabeçote de motor 302 se conecta com uma bomba 22 ou um protetor 26.

Mancais para o eixo 312 podem ter elementos de empuxo associados 3 22 ou um anel de empuxo para suportar a carga axial gerada pelo empuxo de uma ou mais bombas em operação 22. Eletricamente, o motor 24 pode ter uma extensão de cabo de energia 324 que se conecta a um terminal 326. Vários tipos de sensores podem ser incluídos na coluna de ESP 20 para monitorar muitos aspectos dos componentes acima. O rotor 3 08, por exemplo, pode ter um sensor de temperatura de rotor 328. Pode haver também um sensor de temperatura de terminal de cabo 330. Cada mancai, tal como os mancais de rotor ou um mancai de empuxo 322, pode ter um sensor de temperatura de mancai 332. Um cordão de fibra óptica atuando como um sensor de temperatura distribuída 334 pode estar localizado no estator 314.

Em uma implementação, o sistema exemplar mede temperatura distribuída 334 através de fibras ópticas e também inclui sensores de vibração 336 em vários locais ao longo da coluna de ESP 20. Por exemplo, um sistema exemplar 20 pode implementar detecção de temperatura distribuída 334 e sensores de vibração 336 principalmente nos mancais de bomba 604 & 606 e mancais de rotor, tal como mancai 322. Em uma implementação, um sistema exemplar 20 faz medições usando fibras ópticas que são posicionadas internamente, por exemplo, no estator de motor 314, ou faz medições através de medidores eletrônicos amarrados a pontos do alojamento externo ao longo da coluna de ESP 20.

Um sensor de fibra óptica 18 usa fibra óptica ou como o elemento de detecção intrínseco ou como um meio extrínseco de transmitir sinais de sensores remotos para a unidade de processamento que recebe os sinais. As fibras têm muitos usos para detecção remota na coluna de ESP exemplar 20. A fibra é empregada devido ao seu tamanho pequeno e porque nenhuma energia elétrica é requerida no fundo de poço. Além disso, vários sensores podem ser multiplexados ao longo de um comprimento de um cordão de fibra óptica designando diferentes comprimentos de onda de luz para cada sensor, ou detectando um retardo de tempo correspondente conforme a luz passa ao longo da fibra através de cada sensor ao longo da linha. O retardo de tempo pode ser determinado usando um refletômetro de domínio de tempo óptico ou outro dispositivo.

Sensores de fibra óptica são imunes à interferência eletromagnética, a qual é importante no fundo de poço dada a energia sendo fornecida ao(s) motor(es) submersível (is) 24, e as fibras ópticas não conduzem eletricidade assim podem ser utilizadas onde hã eletricidade de alta voltagem.

Os sensores de fibra óptica podem ainda ser construídos com imunidade a temperaturas muito altas.

Tanto quanto medir temperaturas distribuídas 334 ao longo de seu comprimento, uma fibra óptica pode também ser usada como um sensor para medir deformação, pressão e outras quantidades modificando a fibra de modo que a quantidade sendo medida module a intensidade, fase, polarização, comprimento de onda ou tempo de trânsito de luz na fibra. Sensores que podem variar a intensidade de luz são os mais simples de empregar em uma coluna de ESP 20, uma vez que somente uma fonte simples e detector são requeridos. Uma característica atraente de detecção por fibra óptica intrínseca é que ela pode fornecer detecção distribuída sobre distâncias muito grandes, como quando um poço é muito profundo.

Temperatura pode ser medida usando uma fibra que tem perda evanescente que varia com a temperatura ou analisando o espalhamento de Raman da fibra óptica. A voltagem elétrica na coluna de ESP 20 pode ser detectada por efeitos ópticos não lineares em fibra dopada especialmente, o que altera a polarização de luz em função de voltagem ou campo elétrico. Sensores de medição de ângulo podem ser baseados no efeito Sagnac.

Sensores de fibra óptica para detecção de temperatura distribuída 334 e detecção de pressão em ambientes de fundo de poço são bem adequados para este ambiente quando as temperaturas são muito altas para sensores de semicondutores.

Sensores de fibra óptica podem ser usados para medir temperatura colocalizada e deformação simultaneamente, por exemplo, em um mancai de ESP 322, 404, 406, 604, ou 6 06, com precisão muito alta usando grades de Bragg de fibra.

Esta técnica é útil quando adquirindo informações de estruturas complexas pequenas.

Um sensor de voltagem AC/CC de fibra óptica pode ser usado no exemplo de coluna de ESP 2 0 para detectar voltagem AC/CC nas faixas de voltagem média e alta (100 a 2000V) . O sensor é implementado induzindo quantidades mensuráveis de não linearidade de Kerr em fibra óptica de modo simples expondo um comprimento calculado de fibra ao campo elétrico externo. Esta técnica de medição é baseada em detecção polarimétrica e alta precisão é conseguida em ambientes de fundo de poços hostis.

Energia elétrica na coluna de ESP 20 pode ser medida em uma fibra usando um sensor estruturado de ampère de fibra em bruto acoplado com processamento de sinal apropriado em um esquema de detecção polarimétrico.

Quando usando como um meio de transmissão para sinais de sensores convencionais para a superfície, sensores de fibra óptica extrínsecos usam um cabo de fibra óptica, normalmente um multimodo, para transmitir luz modulada ou de um sensor óptico não de fibra ou um sensor eletrônico conectado a um transmissor óptico. Usando uma fibra para transmitir dados de sensores extrínsecos fornece a vantagem que a fibra pode atingir locais que são de outra forma inacessíveis. Por exemplo, uma fibra pode medir temperatura dentro de um componente quente da coluna de ESP 2 0 transmitindo radiação para um pirômetro de radiação localizado fora do componente. Sensores extrínsecos podem ser usados da mesma forma para medir a temperatura interna do motor submersível 24, onde os campos eletromagnéticos extremos presentes tornam outras técnicas de medição impossíveis.

Sensores de fibra óptica fornecem excelente proteção de sinais de medição a partir de corrupção de ruído. No entanto, alguns sensores convencionais produzem saída elétrica que deve ser convertida em um sinal óptico para uso com fibra. Por exemplo, no caso de um termômetro de resistência de platina, as alterações de temperatura são traduzidas em alterações de resistência. O PRT pode ser equipado com um fornecimento de energia elétrica. O nivel de voltagem modulada na saída do PRT pode, então, ser injetado na fibra óptica através de um tipo usual de transmissor. Energia de baixa voltagem pode necessitar ser fornecida ao transdutor, neste cenário.

Sensores extrínsecos podem também ser usados com fibra como o meio de transmissão para a superfície para medir vibração, rotação, deslocamento, velocidade, aceleração, torque, e torção na coluna de ESP 20.

Um módulo eletrônico exemplar pode detectar vibrações em vários planos ou combinações de planos, por exemplo, os planos X e Z em um espaço tridimensional. Em uma implementação, módulos de cancelamento de vibração 354 neutralizam ou amortecem vibrações através de tecnologia de cancelamento de vibração aplicada em planos específicos.

Em uma implementação, um sensor de um módulo de vibração exemplar pode obter dados espectrais de vibração até 1 kHz para um componente selecionado ao longo de uma coluna de ESP 20, por exemplo, para uma parte de um eixo de motor de rotação.

Em uma implementação, um módulo de vibração exemplar pode ser incorporado em medidores WELLNET de Pressão e Temperatura ou no sistema de arranjo de sensor digital WELLWATCHER Flux (Schlumberger Ltd, Houston Tx). O sistema exemplar 20 pode também medir perfis de temperatura ao longo de um cabo de energia, por exemplo, da superfície para a coluna de ESP 20, usando fibras ópticas ou detector(es) de temperatura de resistência de platina (RTDs) 330, por exemplo, em um terminal de cabo.

Um sensor de vibração de rotor 336 pode ser incluído para detectar saúde relativa do rotor 308 e seus mancais.

Cada mancai pode também ter um sensor de deformação 338 e um sensor de proximidade 340 para detectar desgaste, como medido por modificação de alinhamento ou modificação de tolerâncias. O eixo de rotação 312 da ESP pode ter um sensor de RPM de tacômetro 342 associado e um sensor de torque 344. Os sensores de torque 344 podem ser empacotados ao redor de eixos de motor 312 para monitorar torque e energia de rotação. Eletricamente, a ESP pode ter um sensor de fuga de corrente elétrica 346 e um sensor de voltagem de ponto Y ou de desequilíbrio de corrente 348. A ESP pode também ter sensores químicos associados 350 e sensores de corte de água 352. Sensores adicionais, por exemplo, de ferramentas de Análise de Fluido de Fundo de Poço com Cabo de Aço, podem ser implementados para detectar razões de gás-óleo, teor de sólidos, concentrações de sulfeto de hidrogênio e dióxido de carbono, pH, densidade, viscosidade, e outros parâmetros químicos e físicos. Os sensores de corte de água 352 podem também estar localizados em vários locais em uma coluna de ESP para medições de pureza de óleo e para detectar ingresso de água.

Como mostrado na Fig. 4, a coluna de ESP exemplar 2 0 pode também incluir um protetor 26 que intervém entre o motor 24 e a bomba 22 e o qual tem vários componentes e sensores associados. Um protetor exemplar 26 pode incluir um eixo 400, vedação de eixo 402 e mancai de eixo 404. Pelo menos um mancai de eixo pode ter um mancai de empuxo associado 4 06 para suportar uma carga axial do eixo 4 00 gerada pelo empuxo da bomba. Em uma implementação, um mancai de empuxo é instrumentado por adição de sensores de temperatura, deformação e proximidade para monitorar o estado. O protetor 26 pode também equalizar pressão entre o motor 24 e a bomba 22, tal como a equalização da expansão de óleo entre os dois componentes, ou pode equalizar a pressão entre o ambiente de poço ambiente e o interior do protetor 26 e pode, portanto, incluir pelo menos um bolsão expansível ou câmara de fole 408. 0 protetor 26 pode também incluir um filtro 410 quando óleo no protetor 26 está em comunicação com óleo de motor, por exemplo, o filtro 410 afasta detritos do motor do protetor 26 ou, em outra ou na mesma implementação, quando o interior do protetor 26 equaliza pressão com a pressão de poço ambiente, para evitar que detritos do fluido de poço entrem no interior do protetor 26. O protetor 26 pode incluir muitos tipos de sensores para monitorar e melhorar a operação, para manter o protetor 26 saudável, e para fornecer alta confiabilidade. O protetor 26 pode incluir um cordão de fibra óptica 18 para detectar temperaturas distribuídas. O cordão de fibra óptica 18 pode ser o mesmo cordão de fibra óptica 18 que passa continuamente através da maior parte ou de toda a coluna de ESP 20. O protetor 26 pode também incluir, por exemplo, para cada mancai, um sensor de temperatura 328 e um sensor de vibração 336. O bolsão ou câmara de fole 408 pode ter sensores de pressão diferencial associados 412 para medir, para comparação, pressão dentro e fora do bolsão ou da câmara de fole 408. Um mecanismo de proteção para uma coluna protetora emprega sensores de pressão diferencial 412 para medir pressão dentro e fora do bolsão ou fole 408 do protetor 26. Quando uma válvula mecânica não está protegendo o bolsão ou a câmara de fole 4 08, para pressão excessiva, o protetor 26 pode incluir uma válvula de alívio de pressão elétrica 414 para aliviar o excesso de pressão em um sinal de um analisador de sensor de superfície 710, ou de um circuito lógico local. A válvula de alívio elétrica 414 pode ser usada em tandem com válvulas de alívio mecânicas convencionais. Sensores de pressão diferencial 412 monitoram tensão no bolsão, fole 408, acordeão, ou outros meios para equalizar pressão entre, por exemplo, óleo de motor e fluido de reservatório externo. Quando a pressão se acumula devido a uma falha da válvula de alívio mecânica, o evento é detectado pelos sensores de pressão diferencial 412, e a válvula de alívio elétrica 414 opera para aliviar a pressão e prevenir falha do bolsão protetor ou falha do fole 408. A Fig. 5 mostra uma vista explodida de um exemplo de mancai de empuxo (por exemplo, 322 ou 406) . O mancai de empuxo 322 pode ser instrumentado por adição de pelo menos um sensor de temperatura 332, um sensor de deformação 338 (por exemplo, uma célula de carga) e um sensor de proximidade 34 0, para monitorar estado. O exemplo de sensor de proximidade 340 tem alta confiabilidade e longa vida funcional devido a uma ausência de partes mecânicas no sensor de proximidade 340 e falta de contato físico entre o sensor de proximidade 340 e o mancai ou eixo detectados. Um sensor de proximidade apropriado 340 pode medir a variação em distância entre o eixo e seu mancai de apoio, ou entre superfícies de interface de fricção do elemento de empuxo 322 . A Fig. 6 mostra um exemplo de bomba 22 e entrada associada 600. A bomba 22 pode ser uma bomba centrífuga, mas em implementações alternativas a bomba exemplar 22 pode ser outro tipo de bomba submersível, tal como uma bomba de diafragma ou uma bomba de cavidade progressiva em outro tipo de configuração de coluna de bomba submersível. A bomba exemplar 22 tem uma entrada ou admissão de fluido 600 e uma descarga de fluido 602. A bomba exemplar 22 pode ter vários mancais, tal como mancai 604 e mancai 606. Cada mancai 604 & 606 pode ter um sensor de temperatura associado 332 e sensor de vibração 336. A entrada de fluido 600 pode também ter pelo menos um sensor de pressão 608, um sensor de temperatura 332 e um sensor de vibração 336. Da mesma forma, a descarga de fluido 6 02 pode ter um respectivo sensor de pressão 608, sensor de temperatura 332 e sensor de vibração 336. A bomba 22 pode ter pelo menos um sensor de fluxo associado 610 para determinar uma taxa de fluxo atual da bomba 22 ou outro dado de fluido volumétrico. A bomba 22 pode também ter associado pelo menos um sensor químico 3 50 e pelo menos um sensor de corte de água 352. Estes sensores 350 & 352 podem detectar uma razão de gás-óleo, teor de sólidos, concentrações de H2S e C02, pH, densidade de fluido e viscosidade de fluido, por exemplo. A saída dos vários sensores da bomba 22 pode ser multiplexada para se comunicar com a superfície usando um mínimo de fios de comunicação, ou um cabo de fibra óptico único. A Fig. 7 mostra uma máquina de alta confiabilidade exemplar 700 para monitoramento de vários sensores implementados em uma coluna de ESP 2 0 e para controlar componentes da coluna de ESP 20 para vida mais longa, alta disponibilidade e alta confiabilidade. A maquina de alta confiabilidade ilustrada 700 é somente um exemplo de um módulo de interpretação de sensor e módulo de controle de ESP. Outras configurações de um controlador monitor poderiam também ser usadas. A máquina de alta confiabilidade exemplar 700 pode estar situada na superfície, por exemplo, hospedada por um computador ou pode ser associada com outros componentes que estão na superfície e comunicativamente acoplados com componentes de fundo de poço, tal como um acionamento de velocidade variável (VSD) 714 ou acionamento de frequência variável (VFD) . A máquina de alta confiabilidade 700 pode também ser implementada em um controlador lógico programável (PLC).

Alternativamente, a máquina de alta confiabilidade 700 pode ser localizada no fundo do poço como um módulo local hospedado por um dispositivo de computação que é local para os componentes da coluna de ESP 20.

Em uma implementação, a máquina de alta confiabilidade 700 é acoplada com a coluna de ESP 20 via um multiplexador 702 que se comunica com muitos sensores através somente de alguns fios ou fibras 18 e, então, comunica dados do sensor para uma entrada de dados de sensor 706 da máquina de alta confiabilidade 700. Em algumas implementações, a máquina de alta confiabilidade 700 não usa um multiplexador interveniente 702. O multiplexador 702 pode também incluir multiplexador de fibra óptica 704, por exemplo, para multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) de modo que muitos sensores podem ser monitorados através de um ou mais cordões de fibra óptica. Da mesma forma, a coluna de ESP 2 0 pode ter detecção de temperatura distribuída 334 através de um ou alguns cordões de fibra óptica. A máquina de alta confiabilidade 700 pode incluir uma entrada de dados de sensor 706 e módulo de monitoramento de sensor 708, um módulo de interpretação 710 e um módulo de controle 712. A entrada de dados de sensor 706 recebe sinais dos sensores ou do multiplexador 702. Os sensores que geram dados podem incluir sensores de temperatura, sensores de temperatura distribuída, sensores de vibração, sensores de dados espectrais de vibração, sensores de pressão, sensores de pressão diferencial, sensores de deformação, sensores de proximidade, sensores de célula de carga, sensores de filtro sujo, sensores de desgaste de mancai, sensores de posição, sensores de velocidade de rotação, sensores de torque, detectores de fuga elétrica, sensores de desequilíbrio de ponto Y, sensores químicos, sensores de corte de água, e assim por diante. O módulo de monitoramento de sensor 708 mantém rastro dos dados de cada sensor individual. O módulo de monitoramento de sensor 708 pode rastrear dados de sensor em tempo real atuais e também pode manter um histórico de todos os dados ou dados selecionados por um intervalo histórico predeterminado. O módulo de interpretação 710 analisa os dados de sensor e computa conclusões contínuas sobre a saúde de cada componente da coluna de ESP. O módulo de interpretação 710 pode sinalizar ao módulo de controle 712 para modificar um parâmetro operacional da coluna de ESP 2 0. O módulo de controle 712 tem controle executivo sobre pelo menos alguns parâmetros operacionais da coluna de ESP 20 e pode ajustar os parâmetros operacionais para alongar a vida dos componentes de hardware de fundo de poço prevenindo desgaste ou mantendo os parâmetros operacionais dentro de limites seguros. Por exemplo, o módulo de controle 712 pode sinalizar ao VSD 714 para alterar um parâmetro de energia elétrica, tal como voltagem, amperagem ou frequência, sendo fornecido ao motor submersível 24. A mudança em energia elétrica modifica a operação da bomba 22. Por exemplo, uma ligeira desaceleração da bomba 22 pode enormemente reduzir o desgaste em um mancai, por exemplo, 322, 404, 406, 604, 606. Ou a ligeira desaceleração pode adicionar vida a um impeiidor de bomba quando um fluido abrasivo está sendo bombeado. Ou, a velocidade da bomba pode ser ajustada para resultar em uma temperatura operacional segura do motor 24, protetor 26, ou bomba 22.

Ao receber sinais do módulo de interpretação 710, o módulo de controle 712 pode também aplicar ondas mecânicas antivibração ou ondas acústicas através de módulos de cancelamento de vibração 354. Em uma implementação, os módulos de cancelamento de vibração 354 cancelam vibrações em um plano de vibração selecionado. O módulo de controle 712, sendo sinalizado pelo módulo de interpretação 710, pode também diminuir uma pressão, seja reduzindo a saída da bomba 22 ou atuando uma válvula, tal como a válvula de alívio de pressão elétrica 414, o que pode poupar um fole/bolsão/câmara 408 de excessiva pressão. O módulo de controle 712 pode também acionar outras válvulas para desviar ou rearranjar um caminho de fluxo, para melhorar a operação ou aumentar o tempo de vida dos componentes da coluna de ESP 20. Há muitas outras válvulas, solenoides, atuadores, bobinas, motores e parâmetros elétricos que o módulo de controle 712 pode controlar para melhorar o desempenho da coluna de ESP 2 0 ou adicionar vida a um componente. Por exemplo, na detecção de desgaste de uma arruela de empuxo ou mancai 322 ou 406, o módulo de controle 712 pode ajustar uma almofada de arruela de empuxo movimentando a almofada desgastada para mais perto de uma superfície de contato. O módulo de controle 712 pode realizar muitas outras intervenções, tal como ajuste de operação de bomba, para adequar as características físicas do fluido sendo bombeado, rodar um ciclo de autolimpeza na coluna de ESP 20, ativar testes adicionais e sensores quando necessário, alterar posição de partes para compensar o desgaste, realizar medidas de manutenção embutidas, dispensar lubrificantes, limpar uma janela óptica, comutar para uma pela sobressalente ou de reserva (por exemplo, elétrica), e muitas outras intervenções de controle remoto, solicitadas pelos sensores e pelo módulo de interpretação 710, que melhoram a operação ou alongam o tempo de vida de um componente da coluna de ESP 20. A Fig. 8 mostra um ambiente de computação ou hardware exemplar, por exemplo, dispositivo exemplar 800, para hospedar a máquina de alta confiabilidade 700 da Fig. 7.

Assim, a Fig. 8 ilustra um dispositivo exemplar 800 que pode ser implementado para monitorar e analisar dados de sensor e controlar ou intervir para ajudar a fornecer operação melhorada, alta confiabilidade, e alta disponibilidade para uma coluna de ESP 20. O dispositivo exemplar mostrado 800 é somente um exemplo de um dispositivo de computação ou dispositivo programável, e não se destina a sugerir qualquer limitação quanto ao escopo de uso ou funcionalidade do dispositivo exemplar 800 e/ou de suas arquiteturas possíveis. Nem o dispositivo exemplar 800 deve ser interpretado como tendo qualquer dependência ou exigência relacionada a qualquer um ou uma combinação de componentes ilustrados no dispositivo exemplar 800. O dispositivo exemplar 800 inclui um ou mais processadores ou unidades de processamento 802, um ou mais componentes de memória 804, um ou mais dispositivos de entrada/saída (I/O) 806, um barramento 808 que permite que vários componentes e dispositivos se comuniquem entre si e inclui armazenamento de dados local 810, entre outros componentes. A memória 804 geralmente representa uma ou mais mídias de armazenamento de dados voláteis. O componente de memória 804 pode incluir mídia volátil (tal como memória de acesso aleatório (RAM)) e/ou mídia não volátil (tal como memória somente de leitura (ROM), memória flash, e assim por diante). O barramento 808 representa um ou mais de qualquer um de vários tipos de estruturas de barramento, incluindo um barramento de memória ou controlador de memória, um barramento periférico, uma porta gráfica acelerada e um processador ou barramento local usando qualquer uma de uma variedade de arquiteturas de barramento. O barramento 808 pode incluir barramentos com fio e/ou sem fio. O armazenamento de dados local 810 pode incluir mídia fixa (por exemplo, RAM, ROM, um disco rígido fixo, etc.) bem como mídia removível (por exemplo, um drive de memória flash, um disco rígido removível, discos ópticos, discos magnéticos, e assim por diante).

Um ou mais dispositivos de entrada /saída 806 podem permitir que um usuário insira comandos e informações no dispositivo exemplar 800 e também permitem que informações sejam apresentadas ao usuário e/ou outros componentes ou dispositivos. Exemplos de dispositivos de entrada incluem um teclado, um dispositivo de controle de cursor (por exemplo, um mouse) , um microfone, um scanner, e assim por diante. Exemplos de dispositivos de saída incluem um dispositivo de display (por exemplo, um monitor ou projetor), alto-falantes, uma impressora, um cartão de rede, e assim por diante.

Um dispositivo de interface de usuário pode também se comunicar através de um controlador de interface de usuário (UI) 812 que pode ser conectar com o dispositivo UI ou diretamente ou através do barramento 808.

Uma interface de rede 814 se comunica com o hardware, tal como os sensores, válvulas 414, multiplexador 702 e/ou 704, módulos de cancelamento de vibração 354, VSD 714, VFD, e assim por diante.

Um drive de mídia / interface 816 aceita mídia 818, tal como drives flash, discos ópticos, discos rígidos removíveis, produtos de software, etc. Instruções de computação lógicas, ou um programa de software compreendendo elementos da máquina de alta confiabilidade 700 podem residir em mídia removível 818 legível pelo drive de mídia / interface 816. Várias técnicas e os módulos da máquina de alta confiabilidade 700 podem ser descritos aqui no contexto geral de software ou módulos de programa, ou as técnicas e os módulos podem ser implementados em hardware de computação puro. Software geralmente inclui rotinas, programas, objetos, componentes, estruturas de dados e assim por diante que realizam tarefas particulares ou implementam tipos de dados abstratos particulares. Uma implementação destes módulos e técnicas pode ser armazenada em ou transmitida através de alguma forma de mídia legível por computador tangível. Mídia legível por computador pode ser qualquer meio ou mídia de armazenamento de dados disponível que é tangível e pode ser acessado por um dispositivo de computação. Mídia legível por computador pode, assim, compreender mídia de armazenamento de computador. "Mídia de armazenamento em computador" inclui mídia tangível removível e não removível, volátil e não volátil implementada para armazenamento de informações tais como instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos de programa ou outros dados. Mídia de armazenamento em computador inclui, entre outras, RAM, ROM, EEPROM, memória flash ou outra tecnologia de memória, CD-ROM, discos versáteis digitais (DVD) ou outro armazenamento óptico, cassetes magnéticos, fita magnética, armazenamento de disco magnético ou outros dispositivos de armazenamento magnético ou qualquer outro meio tangível que pode ser usado para armazenar as informações desejadas e que pode ser acessado por um computador. Método de Exemplo A Fig. 9 é um método exemplar 900 de melhorar o desempenho e a confiabilidade de uma coluna de ESP. No diagrama de fluxo, as operações são representadas por blocos individuais. O método exemplar pode ser realizado por elementos de hardware e software, tal como a máquina de alta confiabilidade exemplar 700.

No bloco 902, uma coluna de bomba submersível elétrica (ESP) é equipada com pelo menos um motor e um sensor associado com pelo menos um mancai de eixo ou um mancai de rotor de cada seção da coluna de ESP.

No bloco 904, dados de sensor são dinamicamente rastreados por um módulo de monitoramento.

No bloco 906, um parâmetro operacional de um componente da coluna de ESP é alterado por um módulo de controle com base no rastreamento dinâmico dos dados de sensor.

Conclusão Embora somente algumas modalidades exemplares tenham sido descritas em detalhes acima, os especialistas na técnica prontamente apreciarão que muitas modificações são possíveis nas modalidades exemplares sem materialmente se afastar do assunto objeto. Assim, todas essas modificações são destinadas a estar incluídas dentro do escopo desta revelação como definido nas seguintes reivindicações. Nas reivindicações, frase de meio mais função se destinam a cobrir as estruturas descritas aqui como realizando a função mencionada e não somente equivalentes estruturais, mas também estruturas equivalentes. É a intenção expressa do requerente não invocar 3 5 U.S.C. § 112, parágrafo 6, para qualquer limitação de qualquer uma das reivindicações deste documento, exceto para aquelas nas quais a reivindicação expressamente usa as palavras 'meios para' junto com uma função associada.

Claims (20)

1. SISTEMA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma coluna de bomba submersível elétrica (ESP) incluindo pelo menos um motor ESP; um sensor associado com pelo menos um mancai de eixo ou um mancai de rotor de cada seção da coluna de ESP; um módulo de monitoramento para dinamicamente rastrear dados de cada sensor; e um módulo de controle para alterar um parâmetro operacional de um componente da coluna de ESP com base no rastreamento dinâmico dos dados de sensor.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um cordão de fibra óptica para realizar detecção distribuída de temperaturas ao longo da coluna de ESP, o módulo de controle alterando um parâmetro operacional de pelo menos um componente da coluna de ESP com base na detecção distribuída das temperaturas.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o cordão de fibra óptica passa internamente em pelo menos um estator de motor da coluna de ESP.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a detecção distribuída de temperatura usando o cordão de fibra óptica inclui detectar uma temperatura associada com pelo menos um mancai de eixo ou mancai de rotor da coluna de ESP.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de vibração para dinamicamente rastrear vibrações geradas pela coluna de ESP.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um módulo de vibração obtém dados espectrais de vibração até 1 kHz para um componente selecionado ao longo da coluna de ESP.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada sensor de vibração dinamicamente rastreia uma vibração associada com um mancai de bomba ou um mancai de motor da coluna de ESP.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o módulo de controle altera um parâmetro operacional de pelo menos um componente da coluna de ESP com base em análise de pelo menos uma temperatura e pelo menos uma vibração na coluna de ESP.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um cordão de fibra óptica para medir um perfil de temperatura distribuída ou um dispositivo de termopar resistivo de platina (RTD) para medir uma temperatura de um cabo de energia da coluna de ESP ou ao longo de um cabo de extensão de condutor de motor (MLE) da coluna de ESP.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de tacômetro (RPM) ou um sensor torque empacotado ao redor de pelo menos um eixo para monitorar uma velocidade de rotação e um torque do eixo.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende pelo menos um sensor de corte de água ou pelo menos um sensor químico localizado ao longo da coluna de ESP para realizar medições de pureza de óleo ou medições químicas.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de pressão localizado na coluna de ESP para realizar uma medição de pressão.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor de pressão mede uma pressão diferencial dentro e fora de um fole na coluna de ESP.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma válvula de alívio elétrica em tandem com uma válvula de alívio mecânica para aliviar uma pressão no fole.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de fuga de corrente elétrica.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um detector de desequilíbrio de ponto Y para detectar uma fase desequilibrada em um sistema Y.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de elemento de empuxo para medir uma de uma temperatura, uma deformação ou uma proximidade de um elemento de empuxo para passador de elemento de empuxo na coluna de ESP.

18. SISTEMA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma bomba submersível elétrica (ESP); um módulo de controle para alterar um parâmetro operacional de um componente da ESP com base em rastreamento dinâmico de dados de vários tipos de sensores arranjados ao longo da ESP; um sensor associado com pelo menos um mancai de cada componente da ESP; e um sensor selecionado do grupo de sensores consistindo em sensores de temperatura de mancai, sensores de vibração de mancai, sensores de temperatura de estator, sensores de perfil de temperatura distribuída, sensores de perfil de temperatura de cabo de energia, sensores de perfil de temperatura de condutor de motor, sensores de RPM de eixo, sensores de torque de eixo, sensores de corte de água, sensores de ingresso de água, sensores químicos, sensores de pressão de fole, sensores de temperatura de mancai de empuxo, sensores de deformação de mancai de empuxo, sensores de proximidade de mancai de empuxo, sensores de fuga de corrente elétrica e sensores de desequilíbrio de ponto Y.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que os vários tipos de sensores arranjados ao longo da ESP são multiplexados ao longo do comprimento de um cordão de fibra óptica por um de: designar diferentes comprimentos de onda de luz para cada sensor, ou detectar um retardo de tempo conforme a luz passa ao longo da fibra através de cada sensor, em que um refletômetro de domínio de tempo óptico determina o retardo de tempo.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que um módulo de controle altera uma característica operacional de pelo menos um segmento da ESP com base em monitoramento dos sensores multiplexados variando uma energia, uma voltagem, uma amperagem, uma frequência, uma velocidade de bomba, uma velocidade de motor, um estado de válvula, uma pressão, um fluxo, uma temperatura ou uma vibração em um plano espacial selecionado do pelo menos um componente da ESP.