BR102019021843A2 - Sistema de controle e segurança de valvula por acionamento elétrico para injeção de gas em coluna de produção de óleo - Google Patents

Abstract

sistema de controle e segurança de valvula poracionamento elétrico para injeção de gas em coluna deprodução de oleo. para aplicação em válvula de injeção de gás em coluna de produção de óleo que garante a operação de gas lift (gl) e proporciona fechamento seguro, com maior confiabilidade nas condições de segurança dos conjuntos solidários de barreiras (cbs) de segurança, possibilitando ainda integrar sensores para o acompanhamento do estado da válvula de gas lift (vgl), da operação de gas lift (gl) e da segurança do conjunto solidário de barreiras (csb) de segurança.

Description

SISTEMA DE CONTROLE E SEGURANÇA DE VALVULA POR ACIONAMENTO ELÉTRICO PARA INJEÇÃO DE GAS EM COLUNA DE PRODUÇÃO DE ÓLEO CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] Trata o presente relatório descritivo de patente de invenção de sistema de controle e segurança de válvula por acionamento elétrico para injeção de gás em coluna de produção de óleo que, ao mesmo tempo em que garante a operação de gas lift (GL), proporciona o fechamento seguro, com maior confiabilidade das condições de segurança dos conjuntos solidários de barreiras (CBS) de segurança do poço, possibilitando ainda integrar vários sensores para o acompanhamento do estado da válvula, condições de operação e do poço.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] A constante evolução tecnológica no setor de óleo e gás tornou possível a exploração de reservatórios até então considerados inviáveis à produção.

[0003] O foco na obtenção de maiores níveis de produção e recuperação incentivou o desenvolvimento de soluções que maximizassem o volume total de óleo produzido em um reservatório. Técnicas como elevação artificial foram sendo empregadas e aperfeiçoadas ao longo do tempo.

[0004] Os métodos de elevação artificial são empregados em reservatórios classificados como não-surgentes, que se caracterizam por não dispor de energia natural suficiente para escoar o fluido produzido até a superfície de forma viável.

[0005] De maneira a suprir essa necessidade, aplicam-se métodos artificiais de aporte energético, sob forma de temperatura e/ou pressão suficiente ao meio, para que este possa produzir de forma viável.

[0006] Mesmos os reservatórios classificados como surgentes, no decorrer da sua exploração, virão a apresentar decaimento dos seus níveis de pressão e temperatura naturais, o que afetará diretamente o potencial de produção, podendo atingir valores inviáveis, passando então a serem classificados como não-surgentes, tornando-se necessário o emprego de métodos de elevação artificial para continuidade da produção.

[0007] Atualmente a indústria possui diversos métodos de elevação artificial, com diferentes mecanismos de atuação, sendo a seleção do método mais adequado baseado na análise das características do reservatório, do óleo, da infraestrutura disponível na unidade de produção, dos custos e outros fatores.

[0008] A injeção de gás na coluna de produção através do espaço anular constitui um método de grande versatilidade e largamente empregado na indústria de óleo e gás para manutenção ou incremento dos níveis de produção.

[0009] Este método é conhecido como operação de gas lift, onde o gás é pressurizado no espaço anular e, através de uma válvula unidirecional, é injetado na coluna de produção.

[0010] O gás injetado dissolve-se no fluido contido no interior da coluna de produção, que em sua maioria é óleo cru, reduzindo o seu peso especifico e, consequentemente, da coluna hidrostática acima, fazendo com que este escoe com maior facilidade até a superfície, face à redução do diferencial de pressão necessário para isso.

[0011] A infraestrutura do sistema de injeção de gás consiste, básica e essencialmente, de uma unidade de tratamento, pressurização e controle de gás, posicionada na unidade de produção; uma linha de transporte que liga a dita unidade de tratamento à cabeça do poço, estabelecendo comunicação com o espaço anular, e posicionadas na coluna de produção, válvulas unidirecionais de injeção de gás que comunicam o espaço anular com a coluna de produção. Ditas válvulas unidirecionais de injeção de gás sendo conhecidas como válvulas de gas lift (VGL).

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0012] Atualmente as válvulas (1) de gas lift (VGL) são do tipo insertáveis, e posicionadas em um mandril (2) que compõem a coluna (3) de produção, conforme é ilustrado na figura 1. Dito mandril, conhecido como mandril de gas lift (MGL), é caracterizado por conter bolsa lateral e passagens que comunicam o espaço anular com a coluna de produção através da válvula de gas lift (VGL), alojada na bolsa lateral.

[0013] As válvulas de gas lift (VGL) são unidirecionais, projetadas para operarem sempre aberta no sentido do espaço anular para a coluna de produção, e não permitirem a passagem no sentido contrário, ou seja, da coluna de produção para o espaço anular, comportamento este que é obtido por meio do uso de um sistema do tipo check.

[0014] A abertura e o fechamento da válvula de gas lift (VGL) ocorre por diferencial de pressão entre o espaço anular e a coluna de produção, de maneira totalmente mecânica, controlado indiretamente, por verificação e aplicação de pressão no espaço anular, sem qualquer sensoriamento integrado à válvula.

[0015] As válvulas de gas lift (VGL) são calibradas mecanicamente para abertura quando atingido determinado valor de pressão, e sob essa condição, permitir a passagem de gás no sentido desejado (do espaço anular para coluna de produção), podendo o gás ser injetado de maneira contínua ou em golfadas.

[0016] Informações provenientes do setor, bem como artigos publicados sobre o tema, relatam que os mecanismos de fechamento utilizados nas válvulas de gas lift (VGL) não propiciam a confiabilidade necessária requerida pelo setor, apresentando sucessivas falhas em operação, sendo as principais falhas relacionadas ao fechamento do sistema do tipo check e aos selos de assentamentos da válvula no mandril.

[0017] Por questões relacionadas à segurança operacional do processo, é requerido que todos os poços contenham dois conjuntos solidários de barreiras (CSB) de segurança independentes, com as válvulas de gas lift (VGL) instaladas na coluna de produção, abaixo da válvula de segurança de subsuperfície e acima do packer, como ilustrado na figura 2, compondo assim o primeiro conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança do poço.

[0018] Os poços devem, por requisitos de segurança, ter dois conjuntos solidários de barreira (CSB) de segurança, para que, em caso de falha, e consequente comunicação entre a coluna de produção e o espaço anular, o segundo conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança contenha o sinistro, não havendo maiores prejuízos.

[0019] Em um poço convencional são instaladas, em média, três válvulas de gas lift (VGL), podendo, dependendo das características específicas do poço, ser necessária quantidade maior ou menor de válvulas.

[0020] As válvulas de gas lift (VGL) empregadas nos sistemas convencionais de injeção de gás, são calibradas para diferentes pressões de abertura, sendo a última, que apresenta menor diferencial de pressão para abertura, responsável pela constante injeção de gás na coluna de produção, enquanto as demais são responsáveis pelo sistema de partida do poço.

[0021] A válvula de gas lift (VGL) possui dispositivo unidirecional do tipo check, que consiste de um mecanismo de abertura e fechamento indireto, sensível ao diferencial de pressão atuante sob o componente selante, que, quando suficiente, comprime a mola de resistência, deslocando o componente selante, permitindo a passagem de fluido no sentido do diferencial de pressão. Ainda, com a passagem do fluido, o diferencial de pressão diminui, fazendo com que a mola relaxe, retornando o componente selante à posição de vedação, fechando; funcionamento este que ocorre de maneira intermitente durante todo o regime de injeção de gás na coluna de produção.

[0022] Os mecanismos de fechamento automático por mola, como descrito anteriormente, apresentam problemas operacionais que impedem o correto fechamento da válvula, e que, em situações extremas, no poço, podem ocasionar fluxo descontrolado de fluido no sentido da coluna de produção para o espaço anular, ocorrência esta listada na literatura específica como um dos principais resultados das falhas envolvendo válvulas de gas lift (VGL).

[0023] As principais causas que levam a esse tipo de falha são depósitos de resíduos na região de passagem e/ou superfície selante; desgaste dos componentes, devido regime de funcionamento; corrosão de componentes como da haste da válvula principal e/ou da válvula de retenção, evitando o contato uniforme com o orifício; erro na calibração da pressão interna da válvula; assentamento incorreto na bolsa lateral; danos nos selos externos da válvula.

[0024] Outro fator operacional importante a ser destacado é o conjunto da válvula de gas lift (VGL) e do mandril de acomodação desta, que fazem parte do conjunto solidário de barreira (CSB) de segurança primário do poço, e que, por norma, é tido como conjunto de elementos fundamentais para garantia da segurança operacional, devendo, por isso, possuir elevado nível de confiabilidade.

[0025] O que se observa na atualidade é que a válvula de gas lift (VGL) não é projetada e testada seguindo os requisitos mínimos capazes de garantir a confiabilidade operacional e a integridade do poço, cuja falha compromete a integridade do conjunto solidário de barreira (CSB) de segurança primário e, por sua vez, os níveis de segurança do poço, podendo acarretar, desde severas multas para as responsáveis, até desastres e/ou acidentes.

[0026] Apesar das companhias investirem no desenvolvimento de meios que aumentem a confiabilidade e segurança dos equipamentos de poço, dentre os quais se pode citar o sistema de segurança anular descrito na patente US5329999, ainda é pouco o foco dado às válvulas de gas lift (VGL) e aos mandris de gas lift (MGL).

[0027] Desta forma, é desejável a proposição de solução pela qual a válvula de gas lift (VGL) e o mandril de gas lift (MGL) possuam duas funções principais; qual sejam, a injeção de gás, garantindo a operação de gas lift (GL), e o seu fechamento seguro, garantindo a confiabilidade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança do poço.

[0028] É desejável ainda que seja possibilitada a integração de sensores para acompanhar o estado da válvula de gas lift (VGL), das condições de operação de gas lift (GL) e da integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança do poço.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0029] O objetivo principal da presente invenção é elevar a confiabilidade do sistema de injeção de gás, possibilitando a aquisição de dados e garantindo a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço, a partir da introdução de sensores e uma barreira de vedação, entre o espaço anular e a coluna de produção, operada de forma eletricamente, com fechamento seguro (fail-safe-close), e integrada à válvula de gas lift (VGL).

[0030] Esta barreira em conjunto com sensoriamento é proporcionada pelo sistema da presente invenção, a partir da introdução de um módulo de controle e segurança que, com sensores embarcados, acionado de forma comandada ou emergencial, garantirá o fechamento seguro, e a geração de dados referente às condições e ambientais e operacionais, preservando a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço.

[0031] Este módulo de controle e segurança poderá integrar os sistemas convencionais de injeção de gás e mandril, ou estar presente em novos conceitos e designs de sistemas de injeção de gás.

[0032] As principais vantagens desta solução em relação à técnica anterior é o fato de não ser um sistema passivo, sendo atuado a partir da superfície, por meio de cabo elétrico, com o monitoramento contínuo dos paramentos ambientais e operacionais.

[0033] O sistema proposto atua em situações comandadas ou emergenciais, sem observar problemas associados a desgastes de componentes.

[0034] Diferentemente dos atuais sistemas passivos de injeção de gás, que são atuados exclusivamente em decorrência do aumento da pressão no espaço anular, sem qualquer mecanismo de comunicação com a superfície, a presente solução propõe a integração do mecanismo de fechamento seguro e sensores ao sistema, para garantir estanqueidade e monitorar todos os parâmetros envolvidos na operação.

[0035] Esta solução oferece enorme vantagem, pois garante ao operador o fechamento seguro do sistema e possibilita o acompanhamento, em tempo real, das condições de pressão, temperatura, vibração, vazão, sentido de fluxo, além de outros parâmetros, melhorando a tomada de decisão sobre as operações.

[0036] Outra vantagem associada à segurança se verifica na fase inicial da operação de injeção de gás, quando todo o fluido de completação presente no espaço anular do poço deve escoar pelas válvulas de partida e por fim de injeção para então iniciar a injeção de gás; operação esta que, atualmente, associa riscos à integridade da válvula, em especial ao elemento selante da válvula check.

[0037] A solução proposta garante a estanqueidade do sistema, mantendo íntegro o conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço em caso de falha da válvula check.

[0038] Em relação este aspecto, face ao mecanismo de vedação ser menos exposto ao escoamento, se previne o desgaste e a deposição de resíduos nas passagens e superfícies de vedação, que são grandes vantagens frente às soluções convencionais, visto ser esta uma das principais causas de falhas ocorridas em válvulas de gas lift.

[0039] O comando de abertura e fechamento do sistema proposto de injeção de gás é realizado por meio de dispositivo de atuação acionado eletricamente da superfície, por meio de cabo elétrico, de forma que, com o mecanismo na posição totalmente aberta, será travado e somente poderá ser liberado pelo comando, ou interrupção no fornecimento de energia elétrica, retornando à condição de fechamento, o que configura uma vantagem operacional em relação às válvulas atuais que atuam de forma intermitente, em função da pressão no espaço anular do poço, estando, portanto, menos sujeita às falhas por deformações, desgastes e danos dos elementos de vedação e de suas sedes.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0040] Para um melhor entendimento do sistema de controle e segurança ora proposto, faz-se referência aos desenhos em anexo, de forma que possa ser reproduzido por técnica adequada, caracterizando a sua funcionalidade, sendo, no entanto, estes desenhos meramente ilustrativos, podendo variar, desde que não fujam do seu princípio funcional, e onde:

[0041] A figura 1 ilustra válvula de gás lift (VGL) do estado da técnica posicionada em mandril com bolsa lateral constituindo parte da coluna de produção.

[0042] A figura 2 ilustra válvulas de gás lift (VGL) do estado da técnica instaladas na coluna de produção abaixo da válvula de segurança de subsuperfície e acima do packer, compondo o primeiro conjunto solidário de barreira (CSB) de segurança do poço.

[0043] A figura 3 ilustra o diagrama em blocos do fluxo da operação de gas lift do sistema de controle e segurança da presente invenção.

[0044] A figura 4 ilustra o diagrama em blocos da operacionalidade do sistema de controle e segurança da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0045] Em conformidade com o quanto ilustra as figuras 3 e 4, o sistema de controle e segurança da presente invenção é instalado de forma a enviar e receber dados de monitoramento e comando para e do módulo de aquisição de dados de superfície, a partir dos quais o operador controla a pressurização do gás no espaço anular, a qual será fornecida, através do módulo de controle de segurança, à válvula de gas lift, para ser injetado na coluna de produção.

[0046] O módulo de controle e segurança constitui barreira de vedação entre o espaço anular e a coluna de produção, operado eletricamente, com fechamento seguro (fail-safe-close).

[0047] O fechamento, de forma comandada ou emergencial, do módulo de controle e segurança ocorre em situação de interrupção da produção, perda de energia e/ou sinistro, para garantir a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço.

[0048] O sistema de controle e segurança pode ser integrado em sistemas convencionais de injeção de gás e mandril, ou em novos conceitos e designs de sistemas de injeção de gás.

[0049] O sistema de controle e segurança será atuado a partir da superfície, por meio de cabo elétrico, com o monitoramento contínuo dos paramentos operacionais.

[0050] O sistema de controle e segurança prevê a integração de qualquer tipo de sensor capaz de monitorar todos os parâmetros envolvidos na operação.

[0051] O sistema de controle e segurança possibilita uma maior confiabilidade quanto à estanqueidade do sistema de injeção de gas lift, mantendo a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço, pela sua não exposição, ou exposição parcial, ao escoamento de fluido.

[0052] A operação do sistema de controle e segurança é controlada pelo módulo de atuação, que mantem o módulo de travamento na posição aberta durante a operação de injeção de gás, com o consumo energético residual, sendo que pela perda de energia, de forma comandada ou emergencial, ocorrerá o fechamento instantâneo, através do módulo de segurança, com o bloqueio da injeção do gás do espaço anular para a coluna de produção, de maneira garantir a estanqueidade, e consequentemente, a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço.

[0053] O comando de abertura e fechamento da injeção de gás é realizado eletricamente, a partir da superfície, pelo módulo de comunicação.

[0054] O sistema de controle e segurança conta ainda com módulo de monitoramento dos sensores que verificam, em tempo real, os parâmetros operacionais do equipamento e do poço.

Claims (10)

1. Sistema de controle e segurança por válvula de acionamento elétrico para injeção de gás em coluna de produção de óleo, caracterizado por enviar e receber dados de monitoramento e comando para e do módulo de aquisição de dados de superfície, a partir dos quais o operador controla a pressurização do gás no espaço anular, a qual será fornecida, através do módulo de controle de segurança, à válvula de gas lift, para ser injetado na coluna de produção.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de controle e segurança constituir barreira de vedação entre o espaço anular e a coluna de produção, operado eletricamente, com fechamento seguro (fail-safeclose).
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fechamento, de forma comandada ou emergencial, ocorrer em função da desenergização, e garantir a integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por poder ser utilizado em equipamentos convencionais de injeção de gás e mandril, ou integrado em novos conceitos e designs de sistemas de injeção de gás.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser atuado a partir da superfície, por meio de cabo elétrico, com o monitoramento contínuo dos paramentos operacionais.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por prever a integração de qualquer tipo de sensor capaz de monitorar todos os parâmetros envolvidos na operação, tais como sensores de pressão, temperatura, vibração, vazão, direção de fluxo, entre outros.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por elevar a confiabilidade da integridade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço pela sua não exposição, ou exposição parcial, ao escoamento de fluido de completação.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser controlado pelo módulo de atuação, que mantem o módulo de travamento na posição aberta durante a operação de injeção de gás, com o consumo energético residual, sendo que pela perda de energia, de forma emergencial ou por comando, ocorrerá o fechamento instantâneo, através do módulo de segurança, com o bloqueio da injeção do gás do espaço anular para a coluna de produção, de maneira garantir a estanqueidade do conjunto solidário de barreiras (CSB) de segurança primário do poço.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a abertura e o fechamento da injeção de gás ser realizado eletricamente, a partir da superfície, pelo módulo de comunicação.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por contar ainda com módulo de monitoramento dos sensores que verificam, em tempo real, os parâmetros operacionais do equipamento e do poço.

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