BR102018003152B1

BR102018003152B1 - Bomba de fundo com separador de gás e orifício anti gas lock

Info

Publication number: BR102018003152B1
Application number: BR102018003152-0A
Authority: BR
Inventors: Silvio Ferreira Gaglioti
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2021-08-03
Also published as: CN112105794A; WO2019158952A1; EP3755877B1; MX2020008621A; AU2019221823A1; CA3091553A1; CN112105794B; BR102018003152A2; US20200386087A1; EP3755877A1

Abstract

?bomba de fundo com separador de gás e orifício anti gas lock? a presente invenção está relacionada a uma bomba de fundo de poço para produzir volumes de líquidos a partir de um poço de petróleo, compreendendo: uma haste de bombeio (3) conectada a uma unidade de bombeio; um niple (5) conectado a uma extremidade inferior de um tubo de produção (2), e compreendendo uma camisa (6) que se estende verticalmente para o interior de uma parede de extensão (10) da bomba; uma câmara de separação (11) de gás compreendendo uma válvula de pé (9), em que a câmara de separação (11) de gás é delimitada pela camisa (6) e a parede de extensão (10) da bomba; e um pistão (7) compreendendo uma válvula de passeio (8) em sua porção inferior, em que o pistão (7) é acionado pela haste de bombeio (3), e adaptado para deslizar verticalmente pela camisa (6) para o interior da câmara para separação, em que o pistão (7) compreende pelo menos um orifício (12) de ventilação, em que o pelo menos orifício (12) de ventilação é adaptado para comunicar fluidicamente o interior do pistão (7) com a câmara de separação (11) de gás quando o pistão (7) atinge uma posição de fim de curso, em que na posição de fim de curso, o pelo menos orifício (12) de ventilação é posicionado abaixo da camisa (6).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção está relacionada a bombas de fundo depoço. Mais especificamente, a presente invenção está relacionada a bombas de fundo de poço compreendendo meios para evitar gas lock.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Um dos métodos mais largamente difundidos de extração depetróleo onshore é conhecido como bombeamento mecânico. De acordo com este método, como largamente difundido no estado da técnica, uma bomba alternativa é instalada no fundo do poço, em que essa bomba é conectada a uma coluna de hastes com comprimento suficiente para que a outra extremidade alcance a superfície.

[0003] Na superfície, a coluna de hastes é conectada a um dispositivoconhecido como unidade de bombeio, cuja função é converter o movimento rotativo de um motor convencional em um movimento alternativo e de baixa rotação para a haste de bombeio, que por sua vez o transfere o para a bomba instalada no fundo do poço.

[0004] Também é sabido que cada amostra de petróleo é composta porcentenas de moléculas diferentes e em estados diferentes, desde o gasoso até o sólido em maior ou menor quantidade. Nos óleos com frações gasosas em maior quantidade, ocorre o efeito conhecido como “gas lock”, que é o acúmulo de gás no espaço entre a válvula de pé e a válvula de passeio. Este acúmulo de gás atrasa ou até mesmo impede a abertura da válvula de passeio, limitando o fluxo de óleo.

[0005] No atual estado da técnica, o problema travamento por gás debombas de fundo de poço é combatido com uma manobra conhecida como “checagem de fundo”, que consiste no reposicionamento do curso da bomba de forma que ao final do ciclo descendente, o pistão colida com a camisa, reduzindo ao máximo o espaço morto entre pistão e válvula de pé, o que reduz a possibilidade de acúmulo de gás e colabora para que o máximo de gás seja expelido.

[0006] Outra forma de combater este problema é a operação decirculação reversa, onde fluido é bombeado desde a superfície através do espaço anular entre os tubos de revestimento e de produção através da bomba de fundo, fazendo com que o gás seja retirado.

[0007] Os impactos provocados pela manobra de checagem de fundopodem danificar a bomba a ponto de inviabilizar seu funcionamento, pois se trata do impacto contínuo direto entre as válvulas de pé e passeio.

[0008] Nenhum desses problemas é satisfatoriamente solucionado peloestado da técnica, como fica claro a partir dos exemplos conhecidos descritos a seguir.

[0009] O documento WO2008153698A1 revela uma bomba de fundo depoço para remover volumes de líquidos, como petróleo, gases e água de produção, a partir de poços de petróleo. A bomba descrita por tal documento compreende, dentre outros elementos: uma câmara para separação de gás, com uma válvula de pé; um pistão com uma válvula de passeio; e um acionador da válvula de passeio. O acionador da válvula de passeio é composto por um pino que atua a esfera da mesma, abrindo a válvula de passeio, para equalizar a pressão entre o interior do pistão e a câmara de separação, evitando um travamento por gás.

[0010] No entanto, a bomba de fundo de poço revelada pelo documentoWO2008153698A1 faz uso de um pino para atuar a válvula de esfera da câmara de passeio, de modo que, devido aos repetidos movimentos da válvula, o pino é submetido a um elevado esforço mecânico o que o deixa muito suscetível a fraturas.

[0011] O documento US3215085A revela uma configuração de válvulade pé para uma bomba de fundo de poço de pistão. Este documento especificamente prevê que, fixado à válvula de pé, seja provido um meio de atuar a esfera da válvula de passeio fixada ao pistão, quando o pistão estiver em seu curso mais baixo. Na configuração apresentada por este documento, é adotado um pino de atuação da esfera da válvula de passeio. Assim, possibilita-se gás aprisionado no conjunto estacionário (câmara de separação) seja direcionado para o interior do pistão, prevenindo o travamento da bomba por gás.

[0012] Da mesma forma, a bomba de fundo de poço revelada pelodocumento US3215085A faz uso de um pino para atuar a válvula de esfera da câmara de passeio, de modo que, devido aos repetidos movimentos da válvula, o pino é submetido a um elevado esforço mecânico o que o deixa muito suscetível a fraturas.

[0013] O documento US7909589B2 revela uma bomba de fundo de poçoque compreende uma câmara de separação, com uma válvula de pé, e um pistão, com uma válvula de passeio, em que o pistão é dividido em duas partes. Entre as duas partes do pistão é provida uma câmara de captura de areia, para evitar que areia presente no fluido bombeado entre no pistão.

[0014] De acordo com o documento US7909589B2, também sãoprovidos orifícios entre as duas partes do pistão que permitem comunicação fluídica entre o interior do pistão e a câmara de separação (balanceamento). Assim, esses orifícios permitem que a pressão interna do pistão e a pressão da câmara de separação sejam equiparadas, evitando assim o travamento por gás da bomba.

[0015] Para que a seja possível equalizar a pressão interna do pistão e apressão da câmara de separação, é mantido um canal entre o pistão e a parede interna da câmara de separação, por onde pode escoar um fluido (como gás).

[0016] No entanto, uma vez que o petróleo bombeado compreende umasérie de impurezas como areia e lodo, o canal mantido entre o pistão e a parede interna da câmara de separação esta sujeito à entupimento, o que poderia causar o travamento da bomba por gás.

[0017] O documento US8858187B2 revela uma bomba de fundo de poçoque compreende um filtro provido no pistão adaptado para separar o interior do pistão da câmara de separação. Segundo este documento, o filtro compreende aberturas que permitem a passagem de fluido com o objetivo de balancear a pressão no interior do pistão e na câmara de separação, evitando assim o travamento da bomba por gás.

[0018] Em adição, é descrito no US8858187B2 que para que a sejapossível equalizar a pressão interna do pistão e a pressão da câmara de separação, é mantido um espaço entre o pistão e a parede interna da câmara de separação, por onde pode escoar um fluido (como gás), em que o espaço mantido é preferencialmente da mesma espessura das aberturas.

[0019] No entanto, uma vez que o petróleo bombeado compreende umasérie de impurezas como areia e lodo, o canal mantido entre o pistão e a parede interna da câmara de separação esta sujeito a entupimento, o que poderia causar o travamento da bomba por gás.

[0020] O documento US6273690B1 revela uma bomba de fundo de poçoque compreende um pistão e uma câmara de separação, com válvulas de pé e de passeio, em que um canal é provido entre o pistão e a câmara de separação de modo a prover comunicação ao redor do pistão. Segundo este documento, o canal é mantido em posição aberta quando o pistão está em sua posição superior de curso, e é mantido fechado quando o pistão está em sua posição inferior de curso. Assim, quando o canal estiver aberto, o objeto descrito assegura que a pressão interna do pistão é equalizada com a pressão da câmara de separação.

[0021] No entanto, uma vez que o petróleo bombeado compreende umasérie de impurezas como areia e lodo, o canal mantido entre o pistão e a câmara de separação está sujeito a entupimento, o que poderia causar o travamento da bomba por gás.

[0022] Assim, fica claro que o estado da técnica não provê um sistemade bombeamento de fundo de poço, preferencialmente para aplicação onshore, que seja eficaz e livre do risco de travamento por gás.

[0023] Como será mais bem detalhado a seguir, a presente invençãovisa a solução dos problemas do estado da técnica acima descritos de forma prática e eficiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0024] A presente invenção tem por objetivo prover uma bomba de fundode poço para produção de petróleo onshore capaz de minimizar substancialmente o efeito do gas lock.

[0025] De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presenteinvenção provê uma bomba de fundo de poço, compreendendo um niple com fim de curso conectado entre a coluna de tubos e a camisa da bomba, luva para impacto no niple com fim de curso, haste de ligação situada entre a luva para impacto no niple com fim de curso e pistão, câmara separadora de gás e pistão com orifício. Em que a camisa se estende verticalmente para o interior de uma parede de extensão da bomba; uma câmara para separação de gás compreendendo uma válvula de pé, em que a câmara para separação de gás é delimitada pela camisa e a parede de extensão da bomba; e um pistão compreendendo uma válvula de passeio em sua porção inferior, em que o pistão é acionado pela haste de bombeio, e adaptado para deslizar verticalmente pela camisa para o interior da câmara para separação, em que o pistão compreende pelo menos um orifício de ventilação adaptado para comunicar o interior do pistão com a câmara de separação de gás quando o pistão atinge uma posição de fim de curso descendente, em que na posição de fim de curso, o pelo menos orifício de ventilação é posicionado abaixo da camisa.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0026] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência àsfiguras anexas e seus respectivos números de referência.

[0027] A figura 1 ilustra uma vista esquemática da bomba bomba defundo com separador de gás e orifício anti gas lock de acordo com uma configuração opcional da presente invenção.

[0028] A figura 2 ilustra uma vista esquemática do detalhe dofuncionamento do orifício de ventilação do pistão ilustrado na figura 1.

[0029] A figura 3a ilustra uma vista esquemática da bomba de fundo comseparador de gás e orifício anti gas lock da figura 1 na posição inicial de ciclo.

[0030] A figura 3b ilustra uma vista esquemática da Bomba de fundo comseparador de gás e orifício anti gas lockda figura 1 em uma posição inicial de ciclo ascendente.

[0031] A figura 3c ilustra uma vista esquemática da Bomba de fundo comseparador de gás e orifício anti gas lock da figura 1 em uma posição inicial de ciclo descendente.

[0032] A figura 3d ilustra uma vista esquemática Bomba de fundo comseparador de gás e orifício anti gas lock da figura 1 na posição final de ciclo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0033] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partiráde uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.

[0034] A presente invenção se refere a uma bomba de fundo de poçopreferencialmente para uso onshore. Como já descrito em seções anteriores, uma bomba deste tipo é comumente instalada no fundo de um poço de produção e é conectada a uma coluna de hastes de bombeio com comprimento suficiente para que a outra extremidade alcance a superfície. Na superfície, a coluna de hastes é conectada a um dispositivo conhecido como unidade de bombeio, cuja função é converter o movimento rotativo de um motor convencional em um movimento alternativo e de baixa rotação para a haste de bombeio, que por sua vez o transfere o movimento para a bomba instalada no fundo do poço.

[0035] Entretanto, um fenômeno muito comum nesse tipo de bomba é ochamado efeito de gas lock, causado pelo acúmulo de gás na câmara de separação da bomba de fundo (espaço entre a válvula de pé e a válvula de passeio). Este acúmulo de gás atrasa ou até mesmo impede a abertura da válvula de passeio, literalmente obstruindo o fluxo de óleo, provocando perda de produção.

[0036] Bastante conhecido no ramo da extração de petróleo, estefenômeno ocorre pela presença de frações leves de hidrocarbonetos, que mudam de fase durante o ciclo de sucção da bomba de fundo, fazendo com que a pressão na câmara de separação não seja suficientemente elevada a ponto de provocar a abertura da válvula de passeio do pistão, o que impede a entrada de líquido produzido no mesmo, interrompendo o seu bombeamento. No caso das bombas convencionais, não há câmara de separação, mas o efeito ocorre da mesma forma enquanto o espaço entre pistão e camisa se expande.

[0037] Para solucionar este problema, a presente invenção provê umabomba de fundo de poço como ilustrada esquematicamente na figura 1, a qual ilustra uma configuração opcional da bomba de fundo com separador de gás e orifício anti gas lock, compreendendo:uma haste de bombeio 3 conectada a uma unidade de bombeio;um niple 5 conectado a uma extremidade inferior de um tubo de produção 2, e compreendendo uma camisa 6 que se estende verticalmente para o interior de uma parede de extensão 10 da bomba;uma câmara para separação de gás compreendendo uma válvula de pé 9, em que a câmara para separação é delimitada pela camisa 6 e a parede de extensão 10 da bomba; eum pistão 7 compreendendo uma válvula de passeio 8 em sua porção inferior, em que o pistão 7 é acionado pela haste de bombeio 3, e adaptado para deslizar verticalmente pela camisa 6 para o interior da câmara para separação.

[0038] A câmara de separação 11 promove a separação de fases damistura produzida no poço, em que a fase gasosa tende a se deslocar e se acumular na porção superior 110 da câmara de separação 11, e as fases líquidas se deslocam e se acumulam na porção inferior 111 da câmara de separação 11.

[0039] De modo a prevenir perda de produção devido ao efeito gas lock,o pistão 7 da bomba de fundo da presente invenção compreende pelo menos um orifício 12 de ventilação adaptado para comunicar o interior do pistão 7 com a câmara de separação 11 de gás quando o pistão 7 atinge uma posição de fim de curso, em que o orifício 12 de ventilação é posicionado abaixo da camisa 6.

[0040] O funcionamento da característica descrita no parágrafo anteriorpode ser visualizado na figura 2, a qual ilustra uma vista esquemática do detalhe do funcionamento do orifício 12 de ventilação do pistão 7 ilustrado na figura 1. Em uma situação de gas lock, devido ao acumulo de gás na câmara de separação 11, espera-se que esta câmara tenha pressão maior que do interior do pistão 7, mas não o suficiente para acionar a válvula de passeio 8.

[0041] Isso se deve ao fato de que existe uma grande quantidade de gás18 acumulado na porção superior 110 desta câmara e, uma vez que o fator de compressibilidade de gases é muito elevado em comparação com líquidos, o pistão 7 não exerce pressão suficiente na câmara de separação 11 para atuar a válvula de passeio 8 o que permitiria que a fase líquida 111 fosse direcionada para o interior do pistão 7 através da válvula de passeio 8.

[0042] No entanto, devido à presença do orifício 12 de ventilação,quando o pistão 7 atinge uma posição de fim de curso, em que o orifício 12 de ventilação é posicionado abaixo da camisa 6, o orifício 12 de ventilação passa a permitir a comunicação fluídica entre o interior do pistão 7 e a câmara de separação 11. Nessa situação, uma vez que a pressão na câmara de separação 11 é maior do que a pressão no pistão 7, o gás acumulado na porção superior 110 da câmara de separação 11 é impelido para o interior do pistão 7.

[0043] Com a expulsão do gás nessa região, a bomba volta a funcionarnormalmente no próximo ciclo de bombeio, sem que haja interrupção de produção.

[0044] As figuras 3a, 3b, 3c, e 3d ilustram respectivamente a bomba dafigura 1 nas posições inicial, no ciclo ascendente do pistão 7, no ciclo descendente do pistão 7, e final. Note-se que as posições inicial e final representam a mesma posição da bomba, ou do pistão 7, uma vez que ao final de um ciclo, a bomba imediatamente inicia um novo ciclo. Ressalta-se também que a posição inicial do pistão 7 representa o ponto em que o pistão 7 atinge uma posição de fim de curso inferior, ou seja, a posição mais baixa de seu movimento.

[0045] Apesar de as figuras ilustrarem que o pistão 7 compreende apenas um orifício 12 de ventilação, opcionalmente, pode ser provida uma pluralidade de orifícios de ventilação no pistão 7. Preferencialmente, esses orifícios são posicionados em uma mesma linha horizontal e podem compreender diferentes tamanhos. Assim, caso ocorra o entupimento de algum orifício 12 de ventilação, outros podem realizar a comunicação fluídica entre o interior do pistão 7 e a câmara de separação 11.

[0046] De um modo geral, observa-se que, durante o movimentoascendente e descendente do pistão 7, o orifício 12 de ventilação permanece obstruído pela camisa 6 da bomba, de modo que o orifício 12 de ventilação apenas entra em comunicação com a câmara de separação 11 quando o pistão 7 está mais próximo do seu fim de curso inferior.

[0047] Assim, em uma situação normal de funcionamento o orifício 12 deventilação somente faz a comunicação entre o interior do pistão 7 e a câmara de separação 11 na região mais superior 110 da câmara de separação 11, a qual, normalmente, é preenchida apenas com a fase gasosa.

[0048] De modo a assegurar que o curso inferior do pistão 7 nãoultrapasse um limite tolerável, invenção prevê opcionalmente a adoção de uma luva 4 de fim de curso fixada à haste de bombeio 3, em que o niple 5 é adaptado interromper o movimento descendente da luva 4 de fim de curso quando o pistão 7 atingir uma posição de curso mais inferior. Nessa configuração, a posição de curso mais inferior é tal que o orifício 12 de ventilação é posicionado abaixo da camisa 6, o que permite a comunicação fluídica entre o interior do pistão 7 e a câmara de separação 11.

[0049] Opcionalmente a luva 4 de fim de curso pode ser fixada em umaposição final da haste de bombeio 3, em que uma haste de ligação 13 é adotada, conectando a luva 4 de fim de curso ao pistão 7.

[0050] Em configurações particulares a luva 4 de fim de curso pode serconectada de modo regulável à haste de bombeio 3. Nessa configuração, a posição limite de fim de curso definido pela posição da luva 4 pode ser regulável.

[0051] Como de conhecimento de qualquer técnico no assunto, as válvulas de pé e de passeio 8 podem ser quaisquer conhecidas do estado da técnica, de modo que esta característica não representa um limitante ao escopo de proteção da invenção.

[0052] Assim, fica claro que a invenção ora descrita soluciona de modoinédito os problemas do estado da técnica a que se propõe, a saber, prover uma bomba de fundo de poço para produção de petróleo onshore que problemas por travamento por gás.

Claims

1. Bomba de fundo com separador de gás e orifício anti gas lock, compreendendo:um niple (5) conectado a uma extremidade inferior de um tubo de produção (2), e compreendendo uma camisa (6) que se estende verticalmente para o interior de uma parede de extensão (10) da bomba;uma câmara de separação (11) de gás compreendendo uma válvula de pé (9), em que a câmara de separação (11) de gás é delimitada pela camisa (6) e a parede de extensão (10) da bomba; eum pistão (7) compreendendo uma válvula de passeio (8) em sua porção inferior, em que o pistão (7) é acionado pela haste de bombeio (3), e adaptado para deslizar verticalmente pela camisa (6) para o interior da câmara para separação, a bomba de fundo de poço sendo caracterizada por o pistão (7) compreender pelo menos um orifício (12) de ventilação, em que o pelo menos orifício (12) de ventilação é adaptado para comunicar o interior do pistão (7) com a câmara de separação (11) de gás quando o pistão (7) atinge uma posição de fim de curso, em que na posição de fim de curso, o orifício (12) de ventilação é posicionado abaixo da camisa (6).

2. Bomba de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pistão (7) compreender uma pluralidade de orifícios de ventilação, em que os orifícios de ventilação são posicionados em uma mesma linha horizontal.

3. Bomba de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os orifícios de ventilação compreenderem diferentes dimensões.

4. Bomba de fundo de poço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o pelo menos um orifício (12) de ventilação realizar a comunicação fluídica entre o interior do pistão (7) e a câmara de separação (11) na região mais superior (110) da câmara de separação (11).

5. Bomba de fundo de poço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender uma luva (4) de fim de curso fixada à haste de bombeio (3), em que o niple (5) é adaptado interromper o movimento descendente da luva (4) de fim de curso quando o pistão (7) atingir uma posição de curso mais inferior.

6. Bomba de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a luva (4) de fim de curso ser fixada em uma posição final da haste de bombeio (3), em que uma haste de ligação (13) é adotada, conectando a luva (4) de fim de curso ao pistão (7).

7. Bomba de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado por a luva (4) de fim de curso ser conectada de modo regulável à haste de bombeio (3).