BR102019017643B1 - Sistema integrado de aquecimento e bombeamento submarino de petróleo e injeção de água para pressurização de reservatório e método de aquecimento, de bombeamento submarino acionado hidraulicamente e de injeção de água - Google Patents

Abstract

SISTEMA INTEGRADO DE AQUECIMENTO E BOMBEAMENTO SUBMARINO DE PETRÓLEO E INJEÇÃO DE ÁGUA PARA PRESSURIZAÇÃO DE RESERVATÓRIO E MÉTODO DE AQUECIMENTO, DE BOMBEAMENTO SUBMARINO ACIONADO HIDRAULICAMENTE E DE INJEÇÃO DE ÁGUA. A presente invenção está relacionada a sistemas de elevação artificial e garantia de escoamento de produção de poços de petróleo submarinos. Nesse sentido, a presente invenção provê um sistema integrado de aquecimento e bombeamento submarino de petróleo acionado hidraulicamente por água de injeção aquecida, o sistema compreendendo pelo menos um módulo de bombeamento (3) recuperável conectado a uma base submarina (2) que, por sua vez recebe os fluidos produzidos de pelo menos um poço submarino produtor (1). A base submarina (2) conecta-se a uma unidade de produção (8) através de um riser (6) por onde escoa o petróleo produzido e a uma linha de injeção (7) que alimenta o módulo de bombeamento (3) com água que após acionar o conjunto turbina (15) e bomba (16) é injetada através de pelo menos um poço injetor. A presente invenção ainda provê um método de bombeamento submarino acionado hidraulicamente associado ao sistema acima descrito.

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção está relacionada a sistemas de elevação de petróleo e de injeção de água para manutenção da vazão de produção e pressurização de reservatórios de petróleo de campos submarinos.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] Durante o processo de produção de petróleo no mar, em especial em águas profundas, diversos sistemas e equipamentos têm sido desenvolvidos para fornecer energia ao petróleo, tanto na forma de pressão como na forma de calor, com o intuito de facilitar e aumentar as vazões produzidas para a superfície.

[0003] Em campos submarinos é comum a injeção de água, do mar e produzida, para a manutenção da pressão do reservatório, a preservação dos níveis de produção e melhoria do fator de recuperação.

[0004] Atualmente, para poços submarinos, sempre que as condições de pressão e quantidade de gás livre são favoráveis, bombas são instaladas, preferencialmente, fora do poço produtor, sobre o solo marinho. Essa configuração facilita a instalação da bomba e eventual troca em caso de falha. Exemplos desta prática são descritos nos documentos de patente US7314084 e US7516795, onde bombas acionadas por motor elétrico do tipo BCS são instaladas fora do poço produtor.

[0005] Ainda, no documento US8857519 é proposto um método de modernização de sistemas de produção, popularmente conhecido como retrofitting, onde sistemas de separação e bombeamento submarino acionados eletricamente podem ser instalados e descidos através de risers de produção.

[0006] No documento BR 10 2017 009298-4 é apresentado um sistema para bombeamento de petróleo apoiado no solo marinho acionado hidraulicamente por um fluido motriz aquecido, totalmente incorporado a presente invenção.

[0007] Nas unidades de produção de petróleo, principalmente nas instalações de produção de campos gigantes, há um grande consumo de água do mar captada e utilizada para injeção nos reservatórios e principalmente para refrigeração dos equipamentos e sistemas de processamento da unidade de produção.

[0008] A maior parte da água captada após o resfriamento é retornada ao mar aquecida, com temperaturas da ordem de 45 a 50 0C, causando impacto ambiental. A água a ser injetada, dessulfatada ou não, também é utilizada para resfriamento.

[0009] Portanto tanto a água injetada como a água de refrigeração, aquecidas, possuem potencial térmico, que em determinadas condições pode ser utilizado para ajudar no escoamento e garantia de escoamento. Um exemplo é o pedido de patente BR 10 2013 019601-0 onde a água de injeção aquecida é escoada num sistema de “pipe-in-pipe” para aquecer o óleo produzido mitigando riscos de depósitos de parafinas nos risers e hidratos.

[0010] Assim, apesar dos méritos das diversas técnicas existentes para sistemas de bombeamento acionados elétrica ou hidraulicamente apoiados sobre o solo marinho, o estado da técnica ainda carece de uma solução de sistema integrado de bombeamento de petróleo e injeção de água que (i) otimize significativamente os comprimentos das linhas de injeção de fluido motriz e de água de pressurização (ii) possibilite, caso necessário, o aquecimento e diminuição de viscosidade do óleo produzido, (iii) o fluido água de injeção desempenhe simultaneamente as funções de fluido motriz e fluido de injeção e (iv) melhore o aproveitamento energético da unidade de produção, transferindo maior quantidade de calor para o fluido de injeção diminuindo o calor dissipado na água de refrigeração, reduzindo o impacto ambiental no ambiente marinho.

[0011] Como será melhor detalhado abaixo, a presente invenção visa a solução e otimização dos problemas do estado da técnica acima descritos de forma prática e eficiente.

Descrição Resumida da Invenção

[0012] A presente invenção tem por objetivo prover um sistema e um método de bombeamento acionado hidraulicamente pela água de injeção, com eventual aquecimento do óleo produzido.

[0013] A presente invenção tem por objetivo adicional prover um sistema e um método de bombeamento acionado hidraulicamente que reduza e otimize os comprimentos das linhas submarinas de produção e injeção.

[0014] A presente invenção tem por objetivo prover um sistema e um método de bombeamento e injeção que compreenda um otimização energética da unidade de produção, reduzindo a quantidade de calor liberado na água do mar, consequentemente minimizando o impacto ambiental.

[0015] A presente invenção tem a finalidade de prover um sistema de bombeamento submarino, sem componentes elétricos, tais como conectores e motores elétricos de alta potência, acionado por turbina sem que o fluido de acionamento se misture com o fluido produzido.

[0016] Assim, de forma a alcançar tais objetivos, a presente invenção provê um sistema integrado de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por fluido de injeção, o sistema compreendendo pelo menos um módulo de bombeamento recuperável conectado a uma base submarina que, por sua vez, está conectada a pelo menos um poço submarino produtor e também conectada a pelo menos um poço submarino injetor. A base submarina está conectada com uma unidade de produção através de um riser e uma linha de injeção. A água aquecida, com função de fluído motriz e de injeção, proveniente da unidade de produção primeiramente aciona hidraulicamente pelo menos um conjunto turbina e bomba, conhecida como HSP - Hydraulic Submersible Pump, alojada no módulo de bombeamento, opcionalmente fornece calor para o petróleo produzido através de um aquecedor (trocador de calor) e finalmente é injetada através de poços injetores.

[0017] A presente invenção ainda provê um método integrado de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por fluido de injeção, o método compreendendo as etapas de (i) acionar hidraulicamente uma bomba alojada no módulo de bombeamento através de fluido motriz proveniente de uma unidade de produção, (ii) bombear o fluido de produção, (iii) eventualmente fornecer calor ao petróleo produzido e (iv) injetar água no poço injetor.

Breve Descrição dos Desenhos

[0018] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência, representando exemplos não limitativos de modalidades da presente invenção.

[0019] A Figura 1 apresenta um fluxograma simplificado de uma concretização de um sistema de integrado de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção aquecida de acordo com a presente invenção.

[0020] A Figura 2A ilustra esquematicamente uma primeira concretização de um sistema de aquecimento e bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção composto por dois módulos: um de aquecimento, um de bombeamento e ainda uma base submarina.

[0021] A Figura 2B ilustra uma segunda concretização de um sistema de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção composto por um único módulo de bombeamento, sem aquecimento.

[0022] A Figura 3 ilustra uma terceira concretização de um sistema de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção composto um único módulo de bombeamento integrado com aquecimento.

[0023] A Figura 4 ilustra esquematicamente um arranjo submarino de um sistema de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção conectado a dois poços produtores e dois injetores, de acordo com a presente invenção.

[0024] As Figuras 5A, 5B e 5C ilustram esquematicamente alguns dos possíveis arranjos do módulo de bombeamento e do módulo de aquecimento, de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0025] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de concretizações preferenciais da presente invenção, aplicada a um sistema de aquecimento e bombeamento submarino interligado a pelo menos um poço produtor de petróleo, a pelo menor um poço injetor de água e a uma unidade de produção flutuante, por exemplo um FPSO.

[0026] Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essas concretizações particulares, podendo ser igualmente aplicada a outros tipos de unidades de produção, tais como Spar, TLP, Semi-sub, entre outras.

[0027] A Figura 1 ilustra um fluxograma de um sistema de aquecimento e bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção aquecida, que compreende uma base submarina (6) sobre a qual é apoiado e conectado pelo menos um módulo de bombeamento (5), um módulo de aquecimento (9), recuperáveis.

[0028] A base submarina (6) está conectada a pelo menos um poço submarino produtor (2) recebendo o fluido produzido por pelo menos uma linha de produção (4). A base submarina (2) está conectada a pelo menos um poço submarino injetor (1) através de pelo menos uma linha de injeção (3), que injeta água para manutenção da pressão do reservatório de produção. A base submarina (2) também está conectada hidraulicamente a uma unidade de produção (10) por um riser (8) e uma linha de injeção (7).

[0029] A linha de injeção (7) alimenta o aquecedor (14) com água de injeção aquecendo o petróleo produzido. A água de injeção também aciona a turbina (15) que por sua vez aciona uma bomba (16), que aspira e transfere energia na forma de pressão para o petróleo produzido. Após acionamento da turbina a água é injetada através do poço injetor (1).

[0030] A unidade de produção (10) compreende, interligados entre si, tubulação de captação de água do mar (20), bomba de captação de água do mar (21), filtro (22), tubulação de água produzida (23), unidade de dessulfatação (24), trocador de calor principal (25), trocador de calor secundário (26), bomba de injeção (27), tubulação de descarga de água de refrigeração para o mar (28).

[0031] Numa primeira concretização preferencial da presente invenção, ilustrada na Figura 2A, um sistema de aquecimento e bombeamento submarino é composto por pelo menos um módulo de bombeamento (5), onde uma bomba centrifuga (16) é acionada por uma turbina (15), conectados através de um selo ou acoplamento magnético (19). O módulo de bombeamento (5) está conectado hidraulicamente com um módulo de aquecimento (9) e este a uma base submarina (6). Ainda são ilustradas a linha de sucção da bomba (29), a linha de descarga da bomba (30), a linha de alimentação da turbina (31) e a linha de descarga da turbina (32).

[0032] Opcionalmente, um módulo de aquecimento (9) fornece calor ao fluido produzido, facilitando o escoamento pela diminuição da viscosidade e mitigando os riscos de obstrução da linha de produção (8) por depósitos de parafinas ou hidratos.

[0033] O fluido produzido proveniente do poço submarino produtor (2) chega à base submarina (6) através da linha de produção (4).

[0034] A água de injeção aquecida proveniente da unidade de produção (10) chega à base submarina (6) através da linha de injeção (7). Essa água de injeção aquecida tem as funções de (i) prover energia hidráulica para o funcionamento da turbina (15), que aciona a bomba centrífuga (19), e (ii) aquecer o petróleo produzido, reduzindo a viscosidade do mesmo e riscos de garantia de escoamento.

[0035] Em qualquer concretização, o conector (13) é separável em duas partes. Isso permite que os módulos possam ser facilmente retirados para manutenção ou substituição apenas separando-se o conector (13).

[0036] Preferencialmente, o módulo de bombeamento (5), o módulo de aquecimento (9) e o módulo de aquecimento e bombeamento (18) são montados numa estrutura, tal como um skid, facilitando o transporte e instalação por uma embarcação mais simples, de menor custo.

[0037] Válvulas de bloqueio (11) podem ser providas em qualquer linha de fluxo do sistema da presente invenção, tal como linha de sucção da bomba (29), linha de descarga da bomba (30), linha de alimentação da turbina (31) e linha de descarga da turbina (32). Tais válvulas de bloqueio (11) permitem o correto direcionamento e controle do fluxo de fluidos no sistema. Adicionalmente, ditas válvulas de bloqueio (11) permitem o bloqueio das linhas de fluido em caso de desconexão do módulo de bombeamento (5) ou módulo de aquecimento (9) da base submarina (6).

[0038] Opcionalmente, uma válvula de desvio (by-pass) (12) é provida na fronteira entre a linha de produção (4) e o riser (8) para permitir a passagem de pig, conforme ilustrado nas figuras.

[0039] A Figura 2B mostra que em determinadas características de óleo produzido e condições de escoamento, onde não é necessário aquecer o petróleo, o módulo de aquecimento (9) pode ser suprimido e o módulo de bombeamento (5) pode ser acoplado diretamente com a base submarina (6).

[0040] Dest a forma, e preferencialmente, o módulo de bombeamento (5), o módulo de aquecimento (9) e a base submarina (6) estão conectados através de conectores (13).

[0041] A Figura 3 ilustra uma terceira concretização de um sistema de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção composto por um único módulo de bombeamento e aquecimento, integrando os componentes bomba (16) e aquecedor (14) numa única estrutura.

[0042] A Figura 4 ilustra esquematicamente um arranjo submarino de um sistema de bombeamento submarino acionado hidraulicamente por água de injeção conectado a dois poços produtores (2) e dois injetores (1), de acordo com a presente invenção.

[0043] A Figura 5A ilustra um arranjo com um módulo único, somente de bombeamento (5), ou somente de aquecimento (9) ou de aquecimento e bombeamento integrados (18), conectados a uma base submarina (6).

[0044] A Figura 5B ilustra um arranjo com dois módulos, um de aquecimento (9) e um de bombeamento (5), empilhados e conectados a uma base submarina (6).

[0045] A Figura 5C ilustra um arranjo com dois módulos de qualquer dos tipos (5) ou (9) ou (18), justapostos, de forma que os mesmos podem ser instalados e retirados de forma independente.

[0046] A presente invenção ainda provê um método de bombeamento submarino acionado hidraulicamente compreendendo as etapas de: (i) acionar hidraulicamente uma bomba (19, 22) alojada no módulo de bombeamento (5) através de fluido motriz proveniente da unidade de produção (10) através da linha de injeção (7); (ii) bombear, por meio do módulo de bombeamento (5), o fluido de produzido; (iii) opcionalmente aquecer o petróleo produzido através do aquecedor (14); (iv) injetar água através de pelo menos um poço injetor 1) ) para manutenção da pressão reservatório de petróleo.

[0047] Opcionalmente, o método da presente invenção compreende a etapa adicional de aquecer a mistura de fluido motriz com fluido de produção no módulo de bombeamento (5) por meio do pelo menos um elemento aquecedor (14).

[0048] Portanto, o sistema de bombeamento da presente invenção baseado em acionamento hidráulico, com bomba (16) acionada por turbina (15), além de prover energia na forma de pressão, fornece energia na forma de calor. Esta propriedade é extremamente valiosa para produção de petróleos pesados altamente viscosos. O acréscimo de temperatura também é benéfico para cenários de campos em águas profundas com alta razão gás-líquido com problemas de parafinação de risers devido ao efeito Joule-Thomson da despressurização dos gases.

[0049] Além disso, as bombas acionadas hidraulicamente por turbinas hidráulicas de alta rotação são significativamente mais curtas do que bombas acionadas eletricamente tipo BCS para a mesma potência, facilitando a construção de módulos de bombeamento com dimensões reduzidas, instalados facilmente por embarcações menores e mais comuns, mais fáceis de serem contratadas e mobilizadas.

[0050] Adicionalmente, bombas acionadas hidraulicamente dispensam todos os componentes elétricos submarinos, componentes estes que muito tem contribuído para as falhas dos sistemas de BCS e outras bombas submarinas.

[0051] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações e concretizações particulares acima descritas.

Claims (6)

1) SISTEMA INTEGRADO DE AQUECIMENTO E BOMBEAMENTO SUBMARINO DE PETRÓLEO E INJEÇÃO DE ÁGUA PARA PRESSURIZAÇÃO DE RESERVATÓRIO, caracterizado por compreender: pelo menos um módulo de bombeamento (5) recuperável; pelo menos um poço submarino produtor (2) através de pelo menos uma linha de produção (4) que escoa o petróleo produzido; pelo menos um poço submarino injetor (1) através de pelo menos uma linha de injeção (3); uma base que se conecta uma unidade de produção (10) através de um riser (8) e uma linha de injeção (7), um módulo de aquecimento (9) recuperável, e válvulas de bloqueio (11); em que o módulo de aquecimento (16) fornece calor ao fluido produzido; em que fluido de injeção, água aquecida, proveniente da unidade de produção (10) através da linha de injeção (7): aciona hidraulicamente uma bomba (16) residente no módulo de bombeamento (5); e é injetado no poço injetor (1).

2) SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de bombeamento (5) compreender pelo menos a bomba (16) acionada hidraulicamente.

3) SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um aquecedor ser integrado com o próprio módulo de bombeamento (5).

4) SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de bombeamento (5), o módulo de aquecimento (9) e a base submarina (6) estarem conectados através de conectores (13).

5) SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o fluido injetor ser pré- aquecido na unidade de produção (10).

6) MÉTODO DE AQUECIMENTO, DE BOMBEAMENTO SUBMARINO ACIONADO HIDRAULICAMENTE E DE INJEÇÃO DE ÁGUA, que ocorre no sistema, conforme definido nas reivindicações de 1 a 5, caracterizado por compreender as etapas de: (i) aquecer o petróleo produzido aproveitando o calor da água de injeção; (ii) acionar hidraulicamente uma bomba (16) alojada em um módulo de bombeamento (5), através da água de injeção proveniente de uma unidade de produção (8) através de uma linha de serviço (7); (iii) bombear o petróleo produzido para a unidade de produção (10) através de pelo menos um riser (8); e (iv) injetar a água em pelo menos um poço injetor para manutenção da pressão reservatório.