BR102017022705B1 - Sistema de lubrificação e arrefecimento de equipamentos de bombeamento - Google Patents
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Abstract
sistema de lubrificação e arrefecimento de equipamentos de bombeamento. a presente invenção trata de um sistema de lubrificação e arrefecimento (10) de mancais (12a, 12b, 12c e 12d) de equipamentos de bombeamento (20), compreendendo uma centrífuga (1) e um equipamento de bombeamento (20), onde dita centrífuga (1) preferencialmente se localiza à jusante do equipamento de bombeamento (20). a centrífuga (1) separa as fases de gás, água e óleo do fluido de processo (4), sendo a água (21) e gás (22) utilizados para arrefecimento e lubrificação. a centrífuga (1) apresenta cones concêntricos (3) com orifícios (9) que minimizam a trajetória do fluido de processo (4) no interior do cesto (2) da centrífuga (1).
Description
[001] A presente invenção trata de um sistema para lubrificar mancais de sistemas de bombeamento através de um equipamento centrífugo. O sistema de acordo com a presente invenção é especialmente utilizado em equipamentos submarinos, bombeio submarino, motores submarinos, compressores submarinos, máquinas rotativas e equipamentos semelhantes.
[002] A produção de fluidos do reservatório de petróleo contém tipicamente uma mistura de hidrocarbonetos, gás e óleo, juntamente com água e areia. No período inicial da produção de um poço obtém-se a maior fração de produção do óleo, que é o componente mais rentável, enquanto que a fração produzida de água é mínima. Porém, a curva de produção de um poço, ao longo do tempo, descreve uma inversão significativa com que as frações dos fluidos são produzidas. Com o decorrer da vida do poço há a necessidade de fazer uso de métodos artificiais de elevação de forma que a fração recuperada de óleo se mantenha ainda rentável.
[003] Normalmente, métodos artificiais de elevação são utilizados em reservatórios de óleo com propriedades complexas, o que dificulta a garantia de escoamento do poço até a unidade de produção. O uso de "gas lift", injeção de água, injeção de gás ou vapor e bombeio submarino são algumas técnicas tipicamente aplicadas.
[004] O bombeio submarino abrange diferentes tecnologias de motores e bombas, de maneira a adequar as funções do equipamento aos requisitos dos sistemas e suas características como diferencial de pressão requerido ("head"), composição do fluido, fração de gás (GVF, "gas volume fraction"), viscosidade, variações no WC (“watercut"), presença de emulsões e quantidades representativas de sólidos. Bombas centrífugas, helico-axiais ou híbridas são as principais soluções adotadas pelo mercado para essas aplicações.
[005] Bombas submarinas têm sido usadas em lâminas d'água profundas, por exemplo, acima de 1.000 m, podendo estar localizadas dentro do poço de produção de petróleo ou em leito submarino. Das aplicações já citadas, a adoção da bomba centrífuga pode necessitar de um poço a ser perfurado exclusivamente para sua instalação, o qual recebe a produção de fluidos do reservatório, vindo do poço de produção, e também necessita que o gás seja separado de forma a alcançar teores de gás remanescentes aceitáveis para ingressar na bomba sem que possa acarretar qualquer dano ou perda de desempenho. Além disso, a intervenção no equipamento, quando está instalado dentro de um poço, de produção ou auxiliar, é de altíssimo custo se comparado com a intervenção do equipamento quando está instalado em leito marinho.
[006] É conhecido da indústria que bombas centrífugas podem tolerar em torno de 20% de fração volumétrica máxima de gás na corrente de produção a ser bombeada. Já as bombas de hidráulica hélico-axial apresentam maior tolerância a frações de gás a serem bombeadas juntamente com frações de líquido. De forma simplista, um sistema de bombeio é constituído de um motor e uma bomba acoplados diretamente ou através de uma caixa de redução. O motor contém uma parte estática, cujo principal componente é o estator, e uma parte rotativa, cujo principal componente é o rotor. O rotor do motor é acoplado ao eixo da bomba ou a caixa de redução, podendo ser o mesmo eixo em algumas aplicações. A bomba é composta também por uma parte rotativa, acoplada ao eixo, que inclui os impelidores, componentes responsáveis por transferir energia para o fluido. Além disso, a bomba possui componentes estáticos, como difusores ou volutas, cuja função é condicionar o escoamento. Adicionalmente, outros acessórios e dispositivos podem estar montados no conjunto de acordo com necessidades específicas da aplicação.
[007] Grande parte dos sistemas de bombeio submarinos necessitam que o motor seja constantemente preenchido por um fluido de barreira controlado, cuja principal função é isolar o motor do fluido de processo que está sendo bombeado. Em motores com o enrolamento por barras ou fios desprovidos de isolamento, este fluido de barreira deve ter suas características elétricas controladas. Em algumas aplicações, onde o enrolamento do motor é construído por cabos isolados, os requisitos das características elétricas deste fluido tornam-se mais brandas. Adicionalmente, o fluido de barreira deve apresentar condutividade térmica satisfatória, uma vez que ele é a principal fonte de troca térmica para arrefecer o motor.
[008] Além das propriedades elétricas, a viscosidade do fluido de barreira em função da temperatura também deve ser controlada, uma vez que ele também é utilizado como fluido lubrificante para os mancais do motor e da bomba. Os mancais são componentes responsáveis por sustentar o eixo rotativo, tanto axialmente quanto radialmente, provendo rigidez e amortecimento suficientes para sustentar os carregamentos e evitar instabilidades dinâmicas no eixo em movimento. Existem diversos tipos de mancais conhecidos e disponíveis, como mancais de esferas, magnéticos e hidrodinâmico ou de fluido de filme. O fluido de barreira apresenta a maior criticidade para os mancais de fluido de filme, onde variáveis tais como a viscosidade do fluido, a folga entre o eixo rotativo e os componentes estáticos e a velocidade de operação devem ser projetadas de maneira a obter o desempenho desejado. Quando a viscosidade real do fluido é menor que a de projeto, o mancal não provê a sustentação necessária e, por outro lado, quando a viscosidade é maior que a de projeto, ocorre uma perda excessiva de potência. Assim, projetos de mancal normalmente não abrangem um alto intervalo de propriedades, principalmente, da viscosidade, o que condiciona o fluido lubrificante a ter a viscosidade rigorosamente controlada.
[009] O sistema de fluido de barreira requer que seja instalado nas instalações topside, um skid com painéis hidráulicos e um pequeno reservatório de fluido mineral, ligados ao umbilical para abastecimento do fluido de barreira no equipamento submarino. A necessidade de sistema de fluido de barreira acarreta supervisão operacional e custo para a operação, visto que o fluido de barreira é consumível e necessita de reposição periódica.
[0010] Um problema vinculado à utilização de fluido de barreira se relaciona com a necessidade de um sistema dedicado ao suprimento do fluido na unidade de superfície. Esse sistema requer supervisão contínua, operação gerenciada e manutenção por técnicos treinados e especializados. Outro problema é o espaço requerido para instalação da HPU (hydraylic power unit) no turret. A HPU dedicada ao fluido de barreira é tipicamente posicionada no turret da plataforma para ter conexão direta com as linhas de transporte pelo umbilical. A HPU, fisicamente, é um container com banco de acumuladores controlados por válvulas e sistema de segurança que aciona os acumuladores para manter pressão diferencial tal que se garanta o suprimento do fluido de barreira para as linhas do processo.
[0011] Além disso, fluido de barreira se torna um insumo adicional para a unidade de superfície, e embora a ordem de magnitude da taxa de vazamento do fluido de barreira seja quantificada em litros/minuto, ele requer reposição periódica, implicando em gerenciamento de inventário para reposição, logística para transporte desse fluido de acordo com a quantidade necessária e com o estoque permitido.
[0012] Adicionalmente, a transferência do fluido de barreira das instalações de superfície para o motor requer linhas dedicadas e sobressalentes no umbilical de controle, o que pode implicar em um umbilical com capacidade maior de linhas, aumentando o custo total de capital expendido para o sistema e os recursos totais necessários para o sistema de bombeio submarino.
[0013] De forma a separar as fases de fluido do fluido de processo normalmente é utilizada uma centrífuga que promove a separação das fases de água, óleo e gás. Quando o fluido é rotacionado as fases se separam pela diferença de densidade das partículas e do tamanho da gota da fase a ser separada. Tipicamente uma centrífuga pode alcançar rotação da ordem de 10.000 rpm.
[0014] É, portanto, objetivo da presente invenção eliminar ou ao menos minimizar tais problemas do estado da técnica, através de uma centrífuga que seja integrada ao sistema de bombeamento de fluido de processo.
[0015] A presente invenção trata de um sistema de lubrificação e arrefecimento de mancais de equipamentos de bombeamento. O sistema de lubrificação e arrefecimento de mancais segundo a presente invenção compreende uma centrífuga e um equipamento de bombeamento, sendo que referida centrífuga está, preferencialmente, fisicamente integrada à jusante do equipamento de bombeamento.
[0016] Segundo a presente invenção, a centrífuga separa uma fração das fases de gás, água e óleo do fluido de processo, sendo a água (21) e o gás (22) utilizados para lubrificação e arrefecimento. O processo de separação de fases ocorre da seguinte forma: o fluido de processo é succionado pelo equipamento de bombeamento, sendo em seguida pressurizado pelos impelidores do equipamento de bombeamento., O fluido de processo estando pressurizado, entra na centrífuga pela parte inferior do cesto, sendo rotacionado para separar as fases de água e gás para lubrificação e arrefecimento do sistema de bombeamento.
[0017] A presente invenção poderá ser bem compreendida a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo representam: - Figura 01 - Equipamento centrífugo rotativo ativo de fluxo continuo do estado da arte - Figura 02 - Equipamento centrífugo rotativo ativo de fluxo continuo segundo a presente invenção; - Figura 03 - O sistema de lubrificação e arrefecimento de mancais segundo a presente invenção.
[0018] O sistema de lubrificação e arrefecimento (10) de mancais (12a, 12b, 12c e 12d) de um equipamento de bombeamento (20) segundo a presente invenção visa dispensar a necessidade de um sistema de fluido de barreira dedicado ao referido equipamento de bombeamento submarino (20). Assim, o sistema de lubrificação e arrefecimento objeto da presente invenção compreende uma centrífuga (1) e um equipamento de bombeamento (20), onde a centrífuga (1) pode estar integrada à jusante ou à montante do equipamento de bombeamento (20), ou ainda estar locazida de forma periférica ao sistema de bombeamento (20). Preferencialmente, a referida centrífuga (1) está fisicamente integrada à jusante do equipamento de bombeamento (20).
[0019] O fluido de processo (4) é proveniente do reservatório de produção, sendo constituído de gás, óleo, água e, em alguns casos, sedimentos tais como a areia. Visando a lubrificação de arrefecimento do equipamento de bombeamento (20), a referida centrífuga (1) separa então as frações de água (21) e gás (22) do fluido de processo, sendo a água separada (21) utilizada como fluido de lubrificação de mancais e/ou arrefecimento do equipamento de bombeamento (20). Os gases (22) separados pela centrífuga (1) são utilizados como fluido de barreira no air gap entre o rotor e o estator do equipamento de bombeamento (20).
[0020] Devido o fato da centrífuga (1) estar integrada à jusante do equipamento de bombeamento (20), dita centrífuga (1) apresenta uma configuração diferente da centrífuga (100) do estado da técnica. A diferença reside no meio pelo qual o fluido de processo (4) entra na centrífuga (1). Como pode ser visto na Figura 2, o fluido de processo (4) adentra no interior da centrífuga (1) pela parte inferior do cesto (2), permitindo que o fluido de processo (4) pressurizado pelo equipamento de bombeamento (20) entre no interior da centrífiuga para que o processo de separação das fases do fluido seja assim realizado.
[0021] Como pode ser visto na Figura 2, a centrífuga (1) compreende um cesto (2), que pode conter cones concêntricos (3) apresentando ou não orifícios (9) igualmente espaçados, um disco rotativo (5) que está localizado na entrada da centrifuga (1), um disco de entrada (6), captores de fluidos de fases separadas (7) e discos captores das fases separadas (8).
[0022] Quando o referido fluido de processo (4) é acelerado pela centrífuga (1), ocorre a separação das fases devido ao conjunto de condições de diferentes densidades e sedimentos do fluido de processo e da força centrífuga. Para uma melhor separação, os cones concêntricos (3) são igualmente separados de forma a minimizar e condicionar a trajetória percorrida pelas fases dos fluidos separados (água, óleo e gás).
[0023] Adicionalmente, os referidos cones concêntricos (3) podem possuir orifícios (9) de forma a minimizar ainda mais a trajetória percorrida pelas fases dos fluidos separados. Referidos orifícios (9) permitem ainda que os fluidos migrem de um cone para outro. Os cones concêntricos (3) são utilizados principalmente para tratarem de fluidos de alta viscosidade e baixo BSW (Basic Sediments and Water), porém os cones concêntricos (3) não estão limitados apenas estas características. Dependendo dos arranjos geométricos, tipos de fluidos de processo e da eficiência requerida da centrífuga (1), o emprego dos cones concêntricos (3) pode ser dispensado.
[0024] Para captar as diversas fases de fluidos separados do fluido de processo (4), a centrífuga (1) possui dispositivos captores (7) que são responsáveis por captar as fases separadas, água, gás e óleo, para então direcioná-las para circuitos distintos e discos captores (8) localizados na parte superior do cesto (2). Referidos captores (7) estão posicionados de acordo com a formação da interface gás/óleo e óleo/água no interior do cesto (2) da centrífuga (1). Os referidos discos captores de fases separadas (8) apresentam geometria diferenciada que possibilita a separação, acúmulo e drenagem de sólidos separados no interior do cesto (2).
[0025] A centrífuga (1) pode compreender um controlador de fluxo de saída de fluido separado (não mostrado), se for necessário para manter o teor de fluido remanescente na fase separada, no caso da presente invenção o fluido é a água. O cesto (2) da centrífuga (1) pode compreender uma seção (não mostrada) destinada a separação, acúmulo e drenagem de sólido que porventura tenham acessado dita centrífuga (1) juntamente com o fluido de processo (4), de forma que este fluido de processo (4) atenda aos requisitos de conteúdo de sólidos no fluido usado para lubrificação dos mancais (12a, 12b, 12c e 12d), preservando-os de efeitos nocivos de abrasão e/ou erosão.
[0026] A centrífuga (1) não separa as fases do fluido de processo (4) totalmente, porém o faz de forma suficiente para a lubrificação dos mancais (12a, 12b, 12c e 12d), arrefecimento do equipamento de bombeamento (20), e gás para o air-gap entre o rotor (13) e estator (14) do motor da bomba (24).
[0027] A Figura 3 mostra o esquema de uma concretização prefencial da presente invenção, um sistema de lubrificação e arrefecimento (10) de mancais de equipamentos de bombeamento (20) por água separada por uma centrífuga (1), onde a referida centrífuga (1) está integrada à jusante do sistema de bombeamento (20). O equipamento de bombeio (20) compreende um rotor (13), um estador (14), um conjunto de impelidores (15) e difusores (16), onde os referidos impelidores (15) e difusores (16) estão integrados ao rotor (13) que está montado internamente ao estator (14). O sistema de lubrificação e arrefecimento (10) assim implementado compreende ainda mancais (12a, 12b, 12c e 12d), e o equipamento de bombeamento (20) apresenta ainda impelidores dedicados (17) para os mancais (12c, 12d).
[0028] A integração da centrífuga (1) com o equipamento de bobeamento (20) impõe que os dispositivos rotodinâmicos dos dois equipamentos rotativos sejam mútuos, portanto a centrífuga (1) compartilha o mesmo eixo rotativo dos componentes hidráulicos, que são os impelidores (15) e difusores (16), de forma que a centrífuga (1) e o equipamento de bombeamento (20) compartilham o motor, circuitos de controle, circuitos elétricos, estruturas de fixação e outros que acomodem os sistemas e acessórios periféricos de forma a garantir o funcionamento integrado do sistema.
[0029] Assim, o fluido de processo (4) é admitido na entrada da bomba (17), devido a ação do conjunto de impelidores (15) e difusores (16), sendo que na última etapa da pressurização o fluido de processo (4) entra no interior da centrífuga (1) pela parte inferior do cesto (2), que está à jusante ao equipamento de bombeamento (20). O acesso ao interior da centrífuga (1) ocorre pela parte inferior do cesto (2). O acoplamento do equipamento de bombeamento (20) com a centrífuga (1) se deve ao fato de que o eixo rotativo do equipamento de bombeamento (20) está acoplado ao disco rotativo de entrada (6) da centrífuga (1), logo, a centrífuga tem a mesma velocidade angular do eixo rotativo do equipamento de bombeamento (20), permitindo que o fluido de processo (4) entrante rotacione e os fluidos (gás, óleo, água) e sendimentos (areia) se separem devido suas diferentes densidades e à força centrífuga.
[0030] Os fluidos captados pelos captores (7) e discos captores (8) são direcionados para linhas específicas, onde a água captada serve de lubrificação para os mancais (12a e 12b), a água (21) separada do fluido de processo (4) circula pela linha (31) para ser pressurizado pelos impelidores dedicados (17) e lubrificar os mancais (12c e 12d) que estão à montante do sistema de bombeamento (11). Depois de lubrificar os mancais (12a-12d), a água (21) separada da linha de processo (4) circula por uma linha de descarga (33) que retorna a linha de processo (30). Da mesma forma, o gás separado pela centrífuga (1) circula através do air gap entre o estator e rotor do sistema de bombeamento (22), de forma a retornar ao fluido de processo à montante do sistema de bombeamento (32).
[0031] Será apreciado pelos especialistas no assunto que dentre os inúmeros efeitos e vantagens aparentes do sistema para lubrificar mancais de sistemas de bombeamento de acordo com a presente invenção, de forma não limitativa, se destacam: - dispensa sistema de fluido de barreira, tipicamente usado para prover suprimento de fluido lubrificante para os mancais e fluido para o sistema de arrefecimento do equipamento; - diminui custo operacional do sistema de bombeamento; - viabiliza o uso de mancais lubrificados a água tratada localmente; - diminui o espaço requerido na plataforma para adotar sistemas de bombeamento submarino; e - utiliza fluido de processo, separado, pressurizado por um equipamento ou dispositivo submarino de forma a promover a recirculação de fluido separado para lubrificação de mancais.
Claims (10)
1. SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO E ARREFECIMENTO DE MANCAIS DE EQUIPAMENTOS DE BOMBEAMENTO, caracterizado pelo fato de compreender um equipamento de bombeamento (20) que succiona o fluido de processo (4) por uma entrada (18) através de um conjunto de impelidores (15) e difusores (16), onde o conjunto de impelidores (15) e difusores (16) estão integrados no rotor (13), onde o referido rotor (13) está montado internamente ao estator (14), o fluido de processo (4), após ser pressurizado pelo conjunto de impelidores (15) e difusores (16), entra pela parte inferior do cesto (2) de uma centrífuga (1) sendo rotacionado pela centrífuga (1) de forma que o fluido de processo (4) flui através de cones concêntricos (3), dita centrífuga (1) possuindo ainda captores (7) e discos captores (8) para separar as fases de óleo/gás e água/óleo, fazendo a água (21) escoar através de um circuito (31) para lubrificar os mancais (12a e 12b).
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de processo (4) flui através de cones concêntricos (3).
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os referidos cones concêntricos (3) são dotados de orifícios (9) que promovem a separação de uma parte da água (21) e gás (22) do fluido de processo (4).
4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita água (21) também lubrifica os mancais (12c e 12d) e circula através de um circuito (31) pressurizado pelos impelidores dedicados (17) para lubrificar os ditos mancais (12c e 12d), sendo ainda que após a dita água (21) lubrificar os mancais (12a-12d), circula através de uma linha de descarga (33) que a faz retornar para a linha de processo (30).
5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás (22) separado pela centrífuga (1) escoa em um circuito (32) que circula através no air gap entre do rotor (13) e estator (14), retornando à linha de processo (30) após circular pelo dito air gap.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a centrífuga (1) está montada e integrada à jusante, à montante ou de forma periférica ao equipamento de bombeamento (20).
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a centrífuga (1) está montada e integrada ao equipamento de bombeamento (20) através de acoplamento do eixo rotativo do equipamento de bombeamento (20) ao disco rotativo de entrada (6) da centrífuga (1).
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a referida centrífuga (1) tem a mesma velocidade angular do eixo rotativo do equipamento de bombeamento (20).
9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da centrífuga (1) compreender um controlador de fluxo de saída de fluido separado.
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da centrífuga (1) compreender uma sessão no cesto (2) destinada à separação, acúmulo e drenagem de sólido que tenham acessado a centrífuga juntamente com o fluido de processo (4).
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2017
- 2017-10-20 BR BR102017022705-7A patent/BR102017022705B1/pt active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BR102017022705A2 (pt) | 2019-05-07 |
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