BR102020002512A2

BR102020002512A2 - Arranjo para escoamento de fluidos em poços submarinos utilizando um módulo de conexão para suporte e integração

Info

Publication number: BR102020002512A2
Application number: BR102020002512-0A
Authority: BR
Inventors: Edenilson Wichinescki
Original assignee: Aker Solutions Do Brasil Ltda
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-08-17
Also published as: NO20220949A1; GB202405194D0; GB2607526B; GB2607526A; WO2021158124A1; GB202212163D0; US20230105722A1

Abstract

arranjo para escoamento de fluidos em poços submarinos utilizando um módulo de conexão para suporte e integração. a presente invenção refere-se a um arranjo para utilização em poços de produção submarina utilizando um inovador módulo de conexão submarino para escoamento do fluido de produção e/ou injeção que incorpora um módulo de acessórios e de utilidades, permitindo facilitar a operação de instalação e de remoção dos equipamentos submarinos, tais como manifolds, árvores, separadores, estruturas, diminuindo sua complexidade e dificuldade de manuseio

Description

ARRANJO PARA ESCOAMENTO DE FLUIDOS EM POÇOS SUBMARINOS UTILIZANDO UM MÓDULO DE CONEXÃO PARA SUPORTE E INTEGRAÇÃO

Campo da invenção

[001] A presente invenção pertence ao campo dos equipamentos submarinos destinados ao escoamento de fluidos para e a partir de poços submarinos para exploração de petróleo. Mais especificamente, trata de um arranjo para escoamento do fluido de produção e/ou injeção de outros fluidos utilizando um módulo de conexão submarino que incorpora um módulo de acessórios e de utilidades.

Histórico da invenção

[002] Os equipamentos submarinos, como árvores de natal, manifolds, módulos e terminações de linha etc., são caracterizados por se configurarem com um ou mais dispositivos de bloqueio e acessórios de controle e/ou monitoramento do fluxo de produção ou injeção.

[003] O manifold é o equipamento que recebe a produção de várias origens para unificar em uma linha. Pode ser de produção ou de injeção, dependendo de sua utilização. A árvore de natal é o equipamento que se instala no poço de produção, interligando-o à outra unidade, como o manifold ou um navio.

[004] Atualmente, o escoamento de fluidos de produção ou de injeção em poços de petróleo é feito por módulos de produção ou injeção, agrupados nos equipamentos submarinos, os quais se configuram como equipamentos menores recuperáveis e comportam os acessórios e utilidades, conectados à estrutura do equipamento principal. Sua instalação é realizada por meio de cabos ou de uma coluna de tubos, enquanto a linha de fluxo é instalada por um módulo separado.

[005] Manejar o equipamento submarino, portanto, acaba se revelando uma prática custosa, pois, com o conjunto de módulos, torna-se um aparato pesado, difícil de manejar, demandando uma logística onerosa para sua instalação ou recuperação.

[006] A solução aqui proposta elimina os módulos de tradicionais soluções e incorpora suas atribuições diretamente no módulo de linha de fluxo, simplificando a estrutura principal do equipamento submarino e sua tubulação, reduzindo o peso na ordem de 60%, sem acréscimo de operações e da logística de instalação.

[007] Portanto, tem-se um arranjo de equipamentos que utiliza um módulo de conexão submarino para escoamento do fluido de produção e/ou injeção de outros fluidos compreendendo uma forma de conexão em estrutura submarina atrelada a uma linha de fluxo, incorporando um módulo de acessórios e utilidades tais como, medidor de vazão, regulador de pressão, válvulas, bombas, bobinas, transformadores elétricos, separadores de fluidos e sensores diversos.

[008] Tais características permitem que um módulo de acessórios, em conjunto com um módulo de conexão submarino, possa ser instalado em uma única intervenção e que possa ser recuperado em separado, sem a desmobilização das linhas de fluxo.

Análise do estado da técnica

[009] A patente US6481504 mostra um conector de linha de fluxo tendo uma primeira porção para montagem em uma peça de equipamento submarino, como uma cabeça de poço, uma segunda porção conectada a uma porção final de uma linha de fluxo, sendo que cada parte tem um guia para conectar as partes e permitir que girem para alinhamento axial, constituindo uma conexão estanque, sendo que a segunda parte de conector tem um pacote de equipamento submarino, por exemplo bobinas, separadores de gás/água, liquidificadores de gás, bombas e similares, para conexão à primeira peça do equipamento submarino.

[010] O documento WO2016166534 revela um aparelho de válvula para um sistema de circulação em uma planta de produção submarina de gás e óleo que inclui uma entrada para um fluxo de produção da instalação de produção submarina de óleo e gás, uma saída para o fluxo de trabalho e uma válvula de controle de fluxo disposta entre entrada e saída, onde uma primeira linha de circulação em comunicação com um circuito de amostragem é disposta entre a entrada e a válvula de controle de fluxo e uma segunda linha de fluxo em comunicação com um circuito de amostragem é disposta entre a saída e a válvula de controle de fluxo, sendo que a válvula de controle de fluxo pode ser operada para ser parcialmente fechada para criar uma diferença de pressão entre a primeira e a segunda linhas de fluxo e, assim, empurrar um fluido de produção para o circuito de amostragem.

[011] O pedido US20170328163 traz um arranjo de conectores submarinos com medidor de vazão incorporado, configurado para proteger uma linha de fluxo flexível em equipamentos de gerenciamento de produção submarina.

[012] A inovação em US20040079532 mostra um sistema de suporte tubular com uma cuba para suportar pelo menos um membro tubular incluindo um corpo com pelo menos uma porta de acesso para aceder a uma abertura de canal de fluido do suporte posicionada dentro da cuba, que serve para conexão a um membro tubular e ter pelo menos um canal de fluido através dele a partir de uma superfície inferior para uma superfície externa, de modo que uma ou mais linhas de controle conectadas a um tubular suportado (tubo, revestimento, riser, tubulação) possam ser colocadas em comunicação de fluido com pelo menos um canal de fluido e, através de uma porta de acesso, o canal de fluido pode ser colocado em comunicação fluida com outro aparelho, por exemplo, uma unidade de controle de superfície.

[013] A patente US8960300 elucida um sistema de ligação submarino que inclui uma unidade de suporte com um primeiro conector e uma unidade de distribuição incluindo uma estrutura externa a ser desembarcada e suportada pela unidade de suporte e uma estrutura interna que é móvel dentro da estrutura externa.

[014] Como se nota, nenhuma das realizações do estado da arte aponta para uma solução como a proposta pela presente inovação, que consiste em um sistema de conexão para conduzir o fluido de produção ou de injeção incorporando acessórios e utilidades como medidor de vazão, regulador de pressão, válvulas e sensores variados, que possam ser instalados todos em uma única campanha e possibilitar a recuperação destes acessórios sem a necessidade da desmobilização das linhas de fluxo.

Descrição das figuras

[015] A Figura 1 representa uma vista em corte de uma árvore de natal molhada (13) típica instalada numa base adaptadora de produção (11), onde se percebem o suspensor de coluna (12), o módulo de conexão vertical (14) da linha de produção (17), o módulo de conexão vertical (15) da linha anular (18), a linha de fluxo (17) e a linha anular (18).

[016] A Figura 2 representa uma vista em corte de uma árvore de natal molhada (13) típica instalada numa base (11), onde se percebem o suspensor de coluna (12), o módulo de utilidades (16), o módulo de conexão vertical (14) da linha de produção (17), o módulo de conexão vertical (15) da linha anular (18), a linha de fluxo (17) e a linha anular (18).

[017] A Figura 3 representa uma vista em corte de uma configuração do arranjo da presente inovação em uma árvore de natal molhada (13) típica instalada numa base (11), onde se percebem o suspensor de coluna (12), o módulo de conexão vertical (14) da linha de produção (17), o módulo de conexão vertical (15) da linha anular (18), a linha de fluxo (17) e a linha anular (18).

[018] A Figura 4 mostra, esquematicamente, o estado atual da técnica, onde o equipamento submarino (9) com módulo de utilidades (10) típico incorporado (Fig. 4A) e quando necessário este módulo de utilidades (10) pode ser recuperado para manutenção (Fig. 4B).

[019] A Figura 5 representa o uso do objeto desta inovação, onde se percebe, na Fig. 5A, o MC-SI (3), módulo de conexão para suporte e integração, instalado diretamente no equipamento submarino (9) e sua remoção, na Fig. 5B, para manutenção

[020] A Figura 6 traz uma representação esquemática dos tipos de conexão do MC-SI (3): vertical (6A), horizontal (6B) e inclinada (6C), onde se percebem o “hub” de conexão (1) do equipamento submarino (9) e o apoio (2) da linha de fluxo (4).

[021] A Figura 7 mostra, esquematicamente, a sequência de instalação (“a” a “d”) e remoção (“d” a “f”) do MC-SI (3) proposto, ao equipamento submarino (9) por meio do “hub” de conexão (1), com a desconexão da linha de fluxo (4).

Descrição da inovação

[022] A utilização de estruturas complexas, tais como o manifold ou árvores de natal, onde se arranjam diversos módulos de diferentes finalidades, dentre eles o módulo de conexão (10), demanda uma operação complexa e onerosa, por envolver embarcações específicas, de alto valor para mobilização, em período extenso.

[023] “Árvore de natal” é o nome dado a uma estrutura que abriga um conjunto de válvulas instalado sob cabeças de poços de exploração de petróleo e gás natural que regula sua produção. Sua função é conter e controlar a produção ou injeção de fluido no poço por meio do conjunto de válvulas. Nos poços marítimos, são chamadas de “árvore de natal molhada” (ANM) e, quando estão acima do nível do mar, de “árvore de natal seca”.

[024] O sistema de árvore de natal molhada (13) típico pode se conectar à cabeça dos poços submarinos por meio de uma estrutura de base assentada e travada sobre a cabeça do poço através de um conector, a “base adaptadora de produção” - BAP (11), concebida para alojar o suspensor de coluna (12), receber e travar a ANM (13) e receber os “hubs” de conexão (1) das linhas de produção (17) e de controle, permitindo a retirada da ANM (13) e a intervenção no poço sem a retirada das linhas de fluxo (17) e umbilical.

[025] Na Figura 1, pode-se ver o arranjo típico de uma árvore de natal molhada (13) instalada sobre uma base (11), em uma vista em corte lateral, onde válvulas são responsáveis pela operação e segurança da ANM (13). Neste esquema, o poço, que é a perfuração no leito marinho até o bolsão de petróleo, pode ser dividido em duas partes: o tubo de produção, que é a tubulação inserida no poço perfurado, passa pelo TH, ANM (13), BAP (11) e chega à superfície pela da linha de fluxo (17); e o anular do poço, que é o espaço compreendido entre a parede interna do poço e a parede externa do tubo (ou coluna) de produção e chega à superfície pela linha anular (18).

[026] Quando o poço tem “surgência”, ou seja, quando o petróleo sobe espontaneamente em função da pressão interna do próprio bolsão, a produção passa pela ANM (13) e se encaminha para as linhas de fluxo através do módulo de conexão (14) de linha de fluxo (4) até a superfície. Caso seja necessário, a ANM (13) pode bloquear o fluxo por meio das suas válvulas e interromper a produção.

[027] Quando o poço não tem surgência, geralmente em função do tempo de exploração, umas das principais técnica usadas para viabilizar a produção é a injeção de gás (gas lift) pela linha do anular (18), forçando a subida do petróleo.

[028] O módulo de conexão pode ser vertical (MCV), quando o conector, ou seja, o equipamento que prende a linha de escoamento na ANM (13), está na posição vertical em relação ao leito marinho. E o conector é horizontal (MCH) quando na posição horizontal em relação ao leito marinho.

[029] A partir do conector (MCV ou MCH), a linha toma a direção necessária para chegar à superfície e esta não caracteriza como vertical ou horizontal o sistema de conexão. É a posição do conector em relação ao leito marinho é que define a nomenclatura.

[030] Para ter eficiência na produção, é fundamental ter controle do volume e da pressão da produção, pois com estes dados é possível saber quando será necessário estimular a produção, por exemplo, com injeção de gás.

[031] Outro cenário é o direcionamento da produção de várias ANM para um equipamento, o manifold, que reúne o montante da produção das ANM e, através de uma única linha de fluxo, transfere a produção para superfície. Como cada um dos poços pode ter pressão e vazão diferentes dos demais e para evitar que o poço de maior pressão faça com que o poço de menor pressão acabe recebendo a sua produção na ANM, é necessário regular a pressão da sua saída para que o manifold consiga fazer coleta simultânea.

[032] Assim, o controle da pressão e da vazão é realizado no manifold por meio dos módulos de controle, que é a forma tradicional hoje ou, na nova tendência do mercado, colocando-se este controle diretamente na ANM.

[033] Para a estimulação da produção por injeção de gás ou água no poço também se faz necessário ter controle da pressão e da vazão do fluido injetado, pelos mesmos argumentos do diferencial de pressão entre os poços.

[034] Assim como acontece nos manifolds, o módulo de utilidades - MU (16), seguindo a forma tradicional do mercado, acaba por aumentar a complexidade, o tamanho, o peso e o custo do equipamento. A exemplo de módulos de choque, crossover e flowmeter.

[035] A prática atual de inclusão do módulo de utilidade (16), por exemplo, o módulo de controle de pressão e de vazão, em uma ANM (13) tradicional é representada na Figura 2. No centro da figura é possível ver a inclusão do módulo (16) na estrutura da ANM (13), podendo ser aplicado também a manifolds,sendo que a linha de produção (17) tem que ser desviada para passar pelas válvulas de controle do MU e retornar pelo mesmo conector (14) para seguir o caminho de produção pela linha de fluxo (17) através do módulo de conexão de linha (14). Da mesma forma, mas no sentido oposto, o fluído de injeção (18), que vem da plataforma, tem que passar pelo módulo de conexão de linha (15), ser desviado para passar pelas válvulas de controle de injeção do módulo (16) e retornar pelo mesmo conector (15) para assim ter acesso ao anular do poço.

[036] O módulo de utilidades (16) tem o predicado de ser recuperável, pois as válvulas que controlam a pressão e a vazão do fluido necessitam de maior constância de manutenção. Como pode ser visto na Figura 2, o conector do módulo de utilidades (16) precisa dar passagem no mínimo para quatro linhas, o que sugere uma estrutura de maior porte, em comparação com o conector do módulo de conexão de linha.

[037] A proposta da presente inovação é um módulo de conexão de linha, o MCSI (3), que embute as válvulas de controle do fluido e outras utilidades, antes presentes no módulo de utilidades (16), e acrescenta um segundo conector, que permite a separação da linha de fluxo (4) do conjunto de válvulas de controle, e, com isso, pode-se recuperar o equipamento sem desmobilizar a linha de fluxo (4). Assim, complexidade, tamanho, peso e custo do equipamento ficam significativamente menores em comparação com a inclusão de um módulo dedicado na ANM (13) ou no manifold.

[038] Ainda, percebe-se um ganho de flexibilização na operação do equipamento, pois, no módulo de utilidades (16), as válvulas de injeção e produção estão juntas, em contraposição ao proposto na inovação aqui descrita, em que tais válvulas são separadas e, portanto, podem trabalhar de modo independente.

[039] Em um exemplo de aplicação do arranjo inovador aqui proposto, um poço surgente usaria apenas o módulo de produção (14). Em um segundo exemplo, no caso de uma ANM (13) de injeção, usar-se-ia apenas o módulo de injeção (15). Adicionalmente, pode-se usar o MC-SI (3) em uma ANM (13) tradicional existente sem alterações significativas.

[040] O módulo de conexão (3) aqui descrito cumpre a função de conduzir o fluido de produção ou de injeção tal como os dispositivos atualmente utilizados, mas, incorporando acessórios e utilidades, tais como medidor de vazão, regulador de pressão, válvulas e sensores variados que possam ser recuperados sem desmobilização dos equipamentos instalados, tais como árvore de natal, manifold e linhas de fluxo (4).

[041] Resumidamente, como ilustrado na Figura 6, a presente inovação se compõe de um módulo de conexão (3) de linha, que pode ser utilizado na vertical (6A), na horizontal (6B) ou inclinado (6C), no qual são incorporados acessórios e utilidades necessários para a operação de extração de petróleo, tais como medidor de vazão, bombas, bobinas, transformadores elétricos, separadores de fluidos regulador de pressão, válvulas e sensores.

[042] Diferentemente dos demais aparatos existentes e tradicionalmente utilizados, a instalação deste sistema pode ser realizada em uma única operação, como ilustrado na Figura 7 (“a” a “d”).

[043] Após instalado, o sistema permite que a linha de fluxo (4) possa ser desmembrada do sistema, permanecendo apoiada no equipamento submarino (9), enquanto o módulo de utilidades (3) pode ser recuperado para manutenção ou ajustes na superfície – como representado na Figura 7 (“d” a “f”).

[044] Feita a intervenção no módulo de utilidades, este pode ser reinstalado no equipamento submarino (9) e conectado novamente à linha de fluxo (4).

[045] Para tanto, é importante comparar o MC-SI (3) com os dispositivos atualmente utilizados, de modo a explicitar suas diferenças de modo compreensível.

[046] No estado da técnica atual em uma configuração tal como ilustrada na Figura 2, os módulos de conexão vertical (14 e 15) possuem, via de regra, apenas os conectores para a conexão com o hub (1) no equipamento (9). Ou seja, o módulo de conexão (15 e 14) se comunica com um módulo de controle de fluxo (FCM), alocado no módulo de utilidade (16) que controla o fluxo na linha de escoamento – seja de injeção, seja de produção.

[047] Neste arranjo tradicional, conforme a Figura 2, o FCM é instalado de modo independente em uma operação dedicada, demandando uma operação complexa, de diversas fases de instalação. E, nesta configuração, pode-se recuperar o módulo sem necessidade de recuperar o equipamento ou a linha, porém, para recuperar a linha é necessário recuperar juntamente o MCV-A (15) ou MCVP (14).

[048] Assim, o problema de uma logística complexa, portanto, onerosa, fica evidente no procedimento atual, dado o arranjo entre equipamentos em voga.

[049] Ao unir o módulo de conexão (14 e 15) com o FCM em um único equipamento, mantendo a conexão com a linha de fluxo (4), o MC-SI (3) facilita a tarefa de instalação do conjunto, possibilitando-a em uma única operação.

[050] Ainda, em caso de recuperação do MC-SI (3), este é desconectado da linha (4) e recuperado, deixando a linha (4) apoiada no equipamento submarino (9), permitindo, ainda, que a recuperação do módulo (3) não implique na recuperação da linha (4) ou do equipamento (9) todo.

[051] Adicionalmente, o arranjo utilizando o MC-SI (3) aqui proposto apresenta, como vantagens em relação aos sistemas atuais:

a) a redução do número de linhas, válvulas e conexões;
b) a redução do tamanho e do peso do equipamento na instalação dos módulos;
c) a dispensa do conector maior dual bore;
d) a diminuição do número de campanhas quando da instalação ou recuperação do equipamento;
e) a possibilidade de utilizar a válvula do MC-SI (3) para descer a linha seca.

[052] Ainda, o MC-SI (3) permite a conexão com diferentes tipos de “hubs” de conexão (1), como ilustrado na Figura 6: o sistema de conexão vertical (6A); o sistema de conexão horizontal (6B); o sistema de conexão inclinada (6C).

[053] A configuração proposta pela presente inovação permite uma facilidade de instalação e de remoção que as demais soluções não conseguem proporcionar. Para ilustrar, descreve-se aqui a sequência de instalação e remoção do MC-SI (3) em uma configuração de conexão vertical, como ilustrado na Figura 7, onde as etapas de conexão (“a” a “d”) e de remoção (“d” a “f”) são:

a) aproximação do módulo (3) ao equipamento submarino (9);
b) posicionamento do módulo (3) de modo a possibilitar a captura da conexão (9);
c) assentamento e trava do módulo (3) no equipamento submarino (9) pela interface de conexão (1);
d) sistema conectado e pronto para testes e produção;
e) desmembramento da linha de fluxo (4) do módulo (3);
f) desconexão do módulo (3) da conexão (1) e retirada do módulo (3).

[054] Assim, o MC-SI (3) proposto para a presente inovação se constitui em um equipamento submarino composto de pelo menos 2 conectores onde pelo menos um desses conectores é instalado no equipamento residente, tal como uma ANM (13) ou um manifold, e pelo menos um outro conector faz a conexão com a linha de fluxo (F ou A).

[055] De modo a possibilitar sua conexão em diferentes posições, o MC-SI é dotado de conectores posicionados de modo ortogonal (6A), em posição oposta (6B) ou em ângulo (6C), permitindo sua conexão com o equipamento submarino em modos variados, tal como ilustrado na Figura 6. Tais conectores podem ser dotados de acionamento elétrico, hidráulico ou mecânico para travamento e liberação do conjunto.

[056] O módulo MC-SI (3) da presente inovação compõe-se de uma estrutura formada por vigas e tubos ou por blocos forjados, podendo comportar módulos adicionais para conexão, como, por exemplo, módulo de choque, medidor de fluxo (flowmeter), sensores de pressão e de temperatura, dentre outros.

[057] Sua estrutura ainda possui um acessório para facilitar seu manuseio e instalação, que pode ser uma alça, manilha, sistema de conexão rosqueada ou sistema de ferramenta de instalação, a depender do arranjo onde se utiliza.

[058] A forma geométrica do módulo MC-SI (3) da presente inovação é resultante das condições operacionais, podendo assumir quaisquer configurações necessárias. Entretanto, comporta ao menos meios de passagem dos fluidos de produção ou de injeção. Opcionalmente, o módulo permite a passagem de um dispositivo PIG para inspeção ou manutenção das linhas.

[059] Esta inovação não se limita às representações aqui comentadas ou ilustradas, devendo ser compreendida em seu amplo escopo. Muitas modificações e outras representações do invento virão à mente daquele versado na técnica à qual essa inovação pertence, tendo o benefício do ensinamento apresentado nas descrições anteriores e desenhos anexos. Além disso, é para ser entendido que o invento não está limitado à forma específica revelada, e que modificações e outras formas são entendidas como inclusas dentro do escopo das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam empregados aqui, eles são usados somente de forma genérica e descritiva e não como propósito de limitação.

Claims

Arranjo para escoamento de fluidos em poços submarinos caracterizado por utilizar um módulo de conexão para suporte e integração - MC-SI (3) que permite o escoamento dos fluidos de produção (17) ou de injeção (18) e que incorpora um módulo de acessórios e de utilidades, dito módulo de conexão para suporte e integração (3) compreendendo pelo menos 2 conectores onde pelo menos um desses conectores é instalado no equipamento residente, tal como uma ANM (13) ou um manifold, e pelo menos um outro conector faz a conexão com a linha de fluxo (F ou A).
Módulo de conexão para suporte e integração, tal como descrito na reivindicação 2, caracterizado por compreender conectores ortogonais (6A), opostos (6B) ou inclinados (6C), de modo a permitir sua utilização na vertical (3A), na horizontal (3B) ou inclinado (3C).
Módulo de conexão para suporte e integração, tal como descrito na reivindicação 2, caracterizado por compreender um acessório para facilitar seu manuseio e instalação, tal como uma alça, manilha, sistema de conexão rosqueada ou sistema de ferramenta de instalação, a depender do arranjo onde se utiliza.
Modulo de utilidades, mencionado na reivindicação 1, caracterizado por compreender medidores de vazão, reguladores de pressão, válvulas, bombas, bobinas, transformadores elétricos, separadores de fluidos e sensores