BR102016002483A2 - cabo para implantar trator de fundo de poço - Google Patents
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Abstract
cabo para implantar trator de fundo de poço a presente invenção refere-se a um cabo de energia apropriado para prover energia a e de uma ferramenta de fundo de poço situada dentro de um furo de poço. o cabo compreende pelo menos um condutor interno compreendendo pelo menos um primeiro material eletricamente condutivo, pelo menos uma camada isolante interna circundando o(s) condutor(es) interno(s), compreendendo pelo menos um material eletricamente isolante, uma bainha blindada circundando a(s) camada(s) isolante(s) interna(s) compreendendo pelo menos um segundo material eletricamente condutivo e pelo menos uma camada condutora externa circundante, e contatando eletricamente, a bainha blindada, compreendendo pelo menos um terceiro material eletricamente condutivo. a bainha blindada compreende pelo menos uma camada radial interna compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem com um diâmetro d e pelo menos uma camada radial externa contatando eletricamente a(s) camada(s) radial(ais) interna(s), a(s) camada(s) radial(ais) externa(s) compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem (6c) com um diâmetro d, o diâmetro d sendo diferente para o diâmetro d, e em que ditos fios de blindagem estão dispostos radialmente, em uma estrutura embalada fechada a fim de maximizar a densidade da bainha blindada.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CABO PARA IMPLANTAR TRATOR DE FUNDO DE POÇO".
CAMPO TÉCNICO
[0001] A presente invenção refere-se a um cabo rígido para implantar trator de fundo de poço como definido no preâmbulo da reivindicação 1 e um sistema de poço usando tal cabo de energia. ANTECEDENTES E TÉCNICA ANTERIOR
[0002] Perfuração vertical, inclinada e horizontal de furos de poço desempenha um importante papel no campo de produção de hidro-carboneto. Perfuração inclinada e horizontal é tipicamente realizada a fim de recuperar óleo de uma pluralidade de reservatórios próximos, deste modo evitando a necessidade de perfurar um grande número de furos de poço verticais a partir da superfície. Em particular, é frequentemente desejável perfurar inicialmente verticalmente para baixo para uma profundidade predeterminada a um ângulo inclinado e então perfurar a partir do mesmo para alcançar um local alvo desejado. Isto permite que o óleo seja recuperado de uma pluralidade de locais subterrâneos próximos enquanto minimizando a perfuração. Além da recuperação de óleo, furos de poço com um componente horizontal também podem ser usados para uma variedade de outros fins tal como exploração de carvão e a construção de tubulações e linhas de comunicação.
[0003] Dois métodos de perfuração de furos de poço vertical, inclinada e horizontal são perfuração giratória e perfuração de tubo bobi-nado.
[0004] Em perfuração giratória, uma coluna de perfuração rígida consistindo de uma série de segmentos conectados de tubos de perfuração é abaixada a partir da superfície do solo usando equipamento de superfície tal como um mastro e trabalhos de extração. Anexada à extremidade da torre da coluna de perfuração está uma montagem de furo de fundo que pode compreender uma broca de perfuração, colares de perfuração, estabilizadores, sensores e um dispositivo de direção. Um sistema de acionamento de topo gira a coluna de perfuração, a montagem de furo de fundo e a broca de perfuração, permitindo à broca de perfuração girar para penetrar dentro da formação. A inclinação do furo de poço perfurado giratória pode ser alterada gradualmente usando equipamento conhecido tal como um motor de fundo de poço com um alojamento curvado ajustável para criar furos de poço inclinados e horizontais.
[0005] Em perfuração de tubo bobinado, a coluna de perfuração é um tubo não rígido, geralmente obediente. O tubo é alimentado dentro de um furo de poço por uma montagem de injetor na superfície do solo. A coluna de perfuração do tubo bobinado pode ter colares de perfuração especialmente projetados localizados próximos à broca de perfuração que aplicam peso à broca de perfuração para penetrar a formação. A coluna de perfuração não é girada. Em vez disso, um motor de fundo de poço provê rotação à broca. Devido ao tubo bobinado não ser girado, ou normalmente não usado para forçar a broca de perfuração para dentro da formação, a resistência e rigidez do tubo bobinado são tipicamente muito menores do que as do tubo de perfuração usado em perfuração giratória comparável. Assim, a espessura usada em perfuração giratória, e no tubo bobinado geralmente não pode suportar a mesmas forças rotacionais, de compressão e de tensão comparada ao tubo de perfuração usado em perfuração giratória.
[0006] Tanto na perfuração giratória como de tubo bobinado, os tratores de fundo de poço são para aplicar cargas axiais à broca de perfuração, à montagem de furo de fundo e à coluna de perfuração, e geralmente para mover todo o aparelho de perfuração para dentro e para fora do furo de poço. O trator pode ser projetado para ser seguro à extremidade inferior da coluna de perfuração. O trator pode ter âncoras ou apertadores adaptados para apertar a parede do furo de poço bem próxima à broca de perfuração. Quando as âncoras estão apertando o furo de poço, a energia hidráulica a partir do fluido de perfuração pode ser usada para forçar axialmente a broca de perfuração dentro da formação. As âncoras podem ser vantajosamente deslizavel-mente engatadas com o corpo do trator de modo que o corpo da broca de perfuração, e a coluna de perfuração dentro da formação enquanto as âncoras estão apertando a parede de furo de poço.
[0007] Existem numerosos modos de obter o movimento axial dos tratores de fundo de poço mencionados acima para dentro da formação. Exemplos de soluções de propulsão diferentes podem ser encontrados nas publicações de Patente US 6.003.606 e CA 2.686.627 A1. No entanto, uma necessidade comum para todas as soluções de técnica anterior é a presença de cabos de fiação estendendo-se a partir da superfície do solo/ nível do mar para os tratores de fundo de poço. A aplicação de tais cabos pode ser um desafio. Um problema associado com as operações com trator mencionadas acima é a abrasão e/ou o corte dos cabos a partir dos revestimentos de furo de poço, deste modo causando dano e/ou bloqueio dos cabos. Estes problemas aumentam com o comprimento e/ou grau de desvio do furo de poço. Além disso, o último contribui para um aumento de atrito entre a superfície externa do cabo e as paredes de furo de poço. A fim de superar os problemas mencionados acima é comum circundar o núcleo condutivo do cabo com uma bainha blindada metálica espessa, que constitui tipicamente uma cobertura de 98% da seção transversal do cabo. Exemplos de cabos com tal bainha blindada metálica podem ser encontrados nas publicações de patente divulgadas WO 2011/037974, WO 03/091782 A1 e WO 97/30369 A1.
[0008] No entanto, um problema adicional com pesos altos e atritos significativos durante os movimentos nos furos de poço inclinados e/ou horizontal é a necessidade de energia motiva aumentada para os tratores/ferramentas de fundo de poço. E um aumento em energia através do cabo pode requerer um aumento na seção transversal con-dutiva do cabo, que novamente resulta em um aumento em peso e/ou atrito.
[0009] Existem soluções onde o cabo por si mesmo é usado para empurrar a ferramenta de fundo de poço ao longo do furo de poço. Esta solução requer um cabo tendo um alto nível de rigidez a fim de possibilitar a energia de impulsão necessária para a ferramenta de fundo de poço sem risco significativo de empenamento do cabo. A rigidez necessária é obtida cobrindo os condutores de cobre de núcleo com uma bainha de grafite pura. No entanto, esta solução da técnica anterior provou ser cara e difícil de fabricar.
[00010] Assim, é um objetivo da presente invenção prover um cabo de energia que tanto provê energia a, como facilita os movimentos de tratores/ferramentas de fundo de poço situados dentro dos furos de poço. Outro objeto da presente invenção é proporcionar cabos de energia que são fáceis de fabricar e que podem acomodar transmissão de energia maior comparados às soluções da técnica anterior. SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[00011] A presente invenção é descrita e caracterizada na reivindicação principal, enquanto as reivindicações dependentes descrevem outras características da invenção.
[00012] Em particular, a invenção diz respeito a um cabo de energia apropriado para prover energia a e de uma ferramenta de fundo de poço situada dentro de um furo de poço. O cabo compreende pelo menos um condutor interno compreendendo pelo menos um primeiro material eletricamente condutivo, pelo menos uma camada isolante in- terna circundando o(s) condutor(es) interno(s), compreendendo pelo menos um material eletricamente isolante, uma bainha blindada circundando a(s) camada(s) isolante(s) interna(s) compreendendo pelo menos um segundo material eletricamente condutivo e pelo menos uma camada condutora e pelo menos uma camada condutora externa circundante, e eletricamente de contato, a bainha blindada, compreendendo pelo menos um terceiro material eletricamente condutivo. A bainha blindada compreende ainda pelo menos uma camada radial interna compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem com um diâmetro D e pelo menos uma camada radial externa contatando eletricamente a(s) camada(s) radial(ais) interna(s), as camada(s) radial(aís) externa(s) compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem (6c) com um diâmetro d, the diâmetro d sendo diferente para o diâmetro D, e em que ditos fios de blindagem estão radialmente dispostos, em uma estrutura embalada fechada a fim de maximizar a densidade da bainha blindada.
[00013] Daqui em diante diâmetros diferentes significam diferenças mútuas nos diâmetros do fio de mais do que 10%, mais preferivelmente mais do que 20%, por exemplo, 30%. Além disso, material condutivo significa qualquer material ou combinações de materiais (por exemplo, mistura/ ligas) que demonstram condutividade por comprimento unitário (o) de mais do que 1x104 S/m a 20Ό (293 K) ao longo pelo menos em parte do cabo de energia, preferivelmente ao longo do comprimento total do cabo de energia. A condutividade por comprimento unitário do primeiro e terceiro materiais de condutividade é preferivelmente mais do que 1x106 S/m a 20Ό, por exemplo, mais do que 1x107 S/m, a 20Ό.
[00014] Em um aspecto do cabo de energia o condutor interno é um condutor sólido. A este respeito o condutor sólido evita o risco de migração de gás ao longo dos múltiplos fios de um condutor filamentado.
[00015] Em uma modalidade vantajosa o diâmetro D é maior do que o diâmetro d.
[00016] Em outra modalidade vantajosa a camada radial externa compreende ainda uma pluralidade de fios de blindagem com diâmetro D'disposto pelo menos parcialmente entre os fios de blindagem com o diâmetro d e pelo menos parcialmente entre os fios de blindagem com o diâmetro D da camada radial interna, em que o diâmetro D' é maior do que o diâmetro d, por exemplo, igual ao diâmetro D.
[00017] Em outra modalidade vantajosa as posições da superfície radialmente mais externa dos fios de blindagem definindo a periferia radial externa da bainha blindada constituem as posições em um círculo.
[00018] Em outra modalidade vantajosa o(s) segundo(s) materi-al(ais) eletricamente condutivo(s) tem/têm resistência à tração mais alta do que pelo menos um do primeiro e terceiro material(ais) eletricamente condutivo(s).
[00019] Em outra modalidade vantajosa pelo menos um dos primei-ro(s) material(ais) eletricamente condutivo(s) é idêntico a pelo menos um dos terceiro(s) material(ais) eletricamente condutivo(s).
[00020] Em outra modalidade vantajosa pelo menos um do primeiro e terceiro material(ais) condutivo(s) compreende(m) principalmente cobre ou uma liga de cobre.
[00021] Em outra modalidade vantajosa a condutividade por comprimento unitário a 20Ό do primeiro e terceiro mat erial(ais) eletricamente condutivo(s) é mais alta do que a condutividade por comprimento unitário a 20Ό do(s) segundo(s) material(ais) e letricamente condu-tivo(s).
[00022] Em outra modalidade vantajosa o(s) segundo(s) materi-al(ais) eletricamente condutivo(s) compreende(m) principalmente aço.
[00023] Em outra modalidade vantajosa pelo menos a maioria dos interstícios dentro da bainha blindada é preenchida com um material de preenchimento de compensação de pressão compreendendo um material elástico, por exemplo, uma geléia de petróleo.
[00024] Em outra modalidade vantajosa pelo menos uma camada isolante externa circunda a(s) camada(s) condutora(s) externa(s), em que a(s) camada(s) isolante(s) externa(s) é/são preferivelmente feita(s) de um polímero baseado em flúor tal como um polímero baseado em flúor do grupo de poli/etano-co-tetrafluoroeteno (ETFE), propileno eti-leno fluorado (FEP), perfluoroéteres (PFA), propileno etileno fluorado de etileno (EFEP), ou uma combinação dos mesmos.
[00025] A invenção diz respeito também a uma montagem de ferramenta de fundo de poço para perfurar um furo de poço para produção de hidrocarboneto, compreendendo pelo menos uma ferramenta de fundo de poço e pelo menos um cabo de energia de acordo com qualquer uma das modalidades mencionadas acima que está/estão em uma extremidade longitudinal conectada eletricamente à ferramenta de fundo de poço.
[00026] Na seguinte descrição, detalhes específicos são introduzidos para prover uma compreensão completa de uma modalidade do cabo de energia reivindicado. Um perito na técnica relevante, no entanto, reconhecerá que esta modalidade pode ser praticada sem um ou mais dos detalhes específicos, ou com outros componentes, sistema, etc. Em outras instâncias, estruturas ou operações bem conhecidas não são mostradas, ou não são descritas em detalhe para evitar obscurecer os aspectos das modalidades divulgadas.
BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO
[00027] A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um cabo de energia de acordo com uma modalidade da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[00028] Uma seção transversal de um cabo de energia 1 de acordo com a invenção é mostrada na Figura 1. Nesta modalidade particular, o cabo de energia 1 compreende um núcleo interno 2, 3 composto de um ou mais condutores isolados 2, preferivelmente de cobre sólido, circundado por uma ou mais bainhas eletricamente isolantes 3. O núcleo interno é circundado por uma bainha blindada 6 compreendendo uma pluralidade de fios de aço filamentados 6a, 6b, 6c. Os interstícios 4 formados entre os fios de aço 6a, 6b, 6c são preferivelmente preenchidos com um composto de preenchimento de compensação de pressão tal como uma geléia de petróleo que pode bloquear a migração de gás indesejada e/ou assegurar compensação de pressão suficiente durante operação Particularmente, o último efeito pode reduzir o risco de formação de rupturas. A bainha blindada 6 é ainda circundada por um tubo condutivo 7, preferivelmente de cobre, que pode ser atuado como um condutor de retorno principal para transmissão de energia a partir da ferramenta/trator de fundo de poço. O tubo 7 é circundado por uma camada isolante externa 8 feita de um material eletricamente isolante, deste modo agindo como uma bainha mais externa para o cabo de energia 1. A camada 8 pode, por exemplo, ser feita de um fluoropolímero tal como ETFE (tetrafluoroetileno de etileno).
[00029] A configuração descrita acima provê um cabo de energia 2 tendo um condutor de retorno principal 7 disposto compactamente dentro da seção transversal do cabo 1. Este projeto de cabo relativamente simples torna a produção de cabos de energias de comprimento longo (isto é, vários quilômetros) mais fácil enquanto permitindo a acomodação de uma transmissão de energia maior comparada às soluções da técnica anterior.
[00030] O propósito principal da bainha blindada 6 é proteger o(s) condutor(es) isolado(s) interno(s) 2 e dar a resistência longitudinal alta do cabo 1, isto é, na resistência que corresponde pelo menos a uma resistência necessária para o cabo 1 para transportar seu próprio peso. Isto é frequentemente um requisito crítico para cabos empregados em grandes profundidades do mar tais como profundidades de mais do que quatro quilômetros. Por esta razão, a bainha blindada 6 demonstra preferivelmente resistência à tração maior do que ambos o núcleo interno 2, 3 e o tubo 7. Exemplos relevantes de materiais condutivos com alta resistência à tração podem ser vários tipos de aço, tungstênio, ligas de titânio e ligas de alumínio, ou uma combinação dos mesmos. Na modalidade da Figura 1 esta bainha blindada 6 compreende camadas radiais 6', 6" feitas de uma pluralidade de fios de aço 6a, 6b, 6c que são mutuamente dispostas para alcançar a densidade mais alta possível ou próxima da mais alta possível. Um modo de obter tal densidade de embalagem máxima é empilhar os fios 6a, 6b, 6c radialmente em uma estrutura embalada fechada (cps), ou estrutura embalada quase fechada, onde pelo menos alguns dos diâmetros de fio D, D', d são diferentes. A Figura 1 mostra uma camada radial interna 6' de fios de blindagem com um diâmetro de fio D 6a disposto em contato com a bainha isolante 3, e uma camada radial externa 6" de fios de blindagem 6b, 6c circundando a camada radial interna 6', em que fios de um diâmetro de fio d 6c pequeno alternam com fios de um diâmetro D' 6b maior, por exemplo, igual ao diâmetro de fio D. Além disso, os fios 6b, 6c da segunda camada 6" estão dispostos dentro dos vales ou recessos externos instalados pelos fios 6a da camada radial interna 6'. Com esta configuração particular da bainha blindada 6 tal posição radial mais externa de cada fio de blindagem 6b, 6c constituindo a camada radial externa 6" na Figura 1 representa pontos em um círculo perfeito, ou quase perfeito tendo o núcleo interno 2, 3 como um centro.
[00031] A bainha blindada 6 e o tubo 7 são preferivelmente eletricamente conectados ao longo de pelo menos a maior parte do comprimento longitudinal do cabo a fim de maximizar a seção transversal radial em que a energia elétrica pode fluir durante o retorno a partir da ferramenta de fundo de poço.
[00032] Notar que a direção do fluxo de energia pode ser trocada como conveniente. Por exemplo, em uma modalidade alternativa da invenção, a bainha blindada 6 e/ou o tubo 7 pode agir como um condutor para um fluxo de energia para dentro da ferramenta de fundo de poço, caso em que o um ou mais condutores isolados 2 do núcleo interno 2, 3 agem como o condutor para o fluxo de energia a partir da ferramenta de fundo de poço: as dimensões típicas do cabo de energia 1 da invenção são um condutor sólido 2 tendo diâmetros na faixa de 2-3 mm, por exemplo, 2,45 mm, os fios de blindagem 6a da camada interna 6' tendo diâmetros (D) na faixa de 1-2 mm, por exemplo, 1,52 mm, fios de blindagem 6b da camada externa 6" tendo diâmetros (D1) grandes e diâmetros (d) pequenos na faixa de 1,3-1,6 mm, por exemplo, 1,52 mm, na faixa de 0,96-1,16 mm, por exemplo, 1,06 mm, respectivamente um tubo condutivo 7 de diâmetro na faixa de 7-10 mm, por exemplo, 8,65 mm e uma camada isolante 8 de diâmetro na faixa de 10-20 mm, por exemplo, 15 mm.
[00033] O arranjo radial mencionado acima é tipicamente disposto a fim de suportar um peso do cabo de profundidade do mar de pelo menos 4 km, por exemplo, profundidade do mar de 5 km. O peso do cabo de energia 1 da invenção pode estar na faixa de 0,4-0,8 kg/m, por exemplo, cerca de 0,6 kg/m.
[00034] O cabo de energia 1 pode ser usado como parte de um arranjo de ferramenta de fundo de poço tal como um cabo transmitindo a energia necessária para um trator de fundo de poço dentro de um poço de produção de hidrocarboneto. LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA Cabo de energia 1 Condutor isolado 2 Folha eletricamente isolante 3 Interstícios (entre fios de blindagem 4 Bainha blindada 6 Fio de blindagem com diâmetro D 6a Fio de blindagem com diâmetro D' 6b Fio de blindagem com diâmetro d 6c Camada radial interna 6' Camada radial externa 6" Tubo condutivo 7 Camada isolante externa 8 REIVINDICAÇÕES
Claims (15)
1. Cabo de energia (1) para prover energia a uma ferramenta de fundo de poço situada dentro de um furo de poço, caracterizado por compreender um condutor interno (2) compreendendo um primeiro material eletricamente condutivo, uma camada isolante (3) circundando o condutor interno (2), compreendendo um material eletricamente isolante, uma bainha blindada (6) circundando a camada isolante interna (3) compreendendo um segundo material eletricamente condutivo e uma camada condutora (7) circundando, e contatando eletricamente, a bainha blindada (6), compreendendo um terceiro material eletricamente condutivo, em que a bainha blindada (6) ainda compreende uma camada radial interna (6') compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem (6a) com um diâmetro D e uma camada radial externa (6") contatando eletricamente a camada radial interna (6'), a camada radial externa (6") compreendendo uma pluralidade de fios de blindagem (6c) com um diâmetro d, o diâmetro d sendo diferente para o diâmetro D, e em que ditos fios de blindagem (6a, 6c) são dispostos radialmente a fim de maximizar a densidade da bainha blindada.
2. Cabo de energia (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o condutor interno é um condutor sólido.
3. Cabo de energia (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o diâmetro D é maior do que o diâmetro d.
4. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a camada radial externa (6") compreende ainda uma pluralidade de fios de blindagem com diâmetro D'(6b) disposto pelo menos parcialmente entre os fios de blindagem com o diâmetro d (6c) e pelo menos parcialmente entre os fios de blindagem com o diâmetro D (6b) da camada radial interna (6’), em que o diâmetro D'é maior do que o diâmetro d.
5. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, na direção radial, as posições de superfície mais externas dos fios de blindagem (6b, 6c) definindo a periferia externa da bainha blindada (6) constituem as posições em um círculo.
6. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o segundo material eletricamente condutivo tem resistência à tração maior do que pelo menos um do primeiro ao terceiro material eletricamente condutivo.
7. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos um do primeiro material eletricamente condutivo é idêntico ao pelo menos um do terceiro material eletricamente condutivo.
8. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos um primeiro e terceiro material condutivo compreende principalmente cobre.
9. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a con-dutividade por comprimento unitário a 20Ό do primeiro e terceiro material eletricamente condutivo é mais alta do que a condutividade por comprimento unitário a 20Ό do segundo material eletricamente condutivo.
10. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o segundo material eletricamente condutivo compreende principalmente aço.
11. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos a maioria dos interstícios (4) dentro da bainha blindada (6) é preenchida com um material de preenchimento de compensação de pressão compreendendo um material elástico.
12. Cabo de energia (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma camada isolante externa (8) circunda a camada condutora externa (7).
13. Cabo de energia (1), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a camada isolante externa (8) compreende principalmente um polímero baseado em flúor.
14. Cabo de energia (1), de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a camada isolante externa (8) compreende principalmente um polímero baseado em flúor dentro do grupo de poli/etano-co-tetrafluoroeteno (ETFE), propileno etileno fluo-rado (FEP), perfluoréteres (PFA), propileno etileno fluorado de etileno (EFEP).
15. Montagem de ferramenta de fundo de poço para perfurar um furo de poço para produção de hidrocarboneto, caracterizada por compreender - uma ferramenta de fundo de poço e - um cabo de energia (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1-14, estando em uma extremidade longitudinal conectada eletricamente à ferramenta de fundo de poço.
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