BR102021017557A2

BR102021017557A2 - Valvula de injeção de gás em coluna de produção de óleo

Info

Publication number: BR102021017557A2
Application number: BR102021017557-5A
Authority: BR
Inventors: Felipe Gherren Noel; Giancarlo Vilela De Faria; Leonardo Gonçalves Candido Gomes; Ricardo Naoyuki Alves De Moraes Sawaguchi
Original assignee: Ouro Negro Tecnologias Em Equipamentos Industriais S/A
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-14
Also published as: WO2023028685A1; GB202403189D0; GB2624609A

Abstract

Para aplicação em válvula de injeção de gás em coluna de produção de óleo que garante a operação de gas lift, proporcionando fechamento seguro, com maior confiabilidade nas condições de segurança dos conjuntos solidários de barreiras de segurança, possibilitando integrar sensores para o acompanhamento do estado da válvula de gas lift.

Description

VALVULA DE INJEÇÃO DE GÁS EM COLUNA DE PRODUÇÃO DE ÓLEO

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] Relatório descritivo de patente de invenção de válvula de injeção de gás em coluna de produção de óleo, mais especificamente, no acionamento de válvula empregada na operação de gas lift, com vistas a proporcionar o fechamento seguro, com maior confiabilidade das condições de segurança dos conjuntos solidários de barreiras de segurança do poço, possibilitando ainda integrar vários sensores para 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 do setor utiliza vários métodos de elevação artificial, com diferentes mecanismos de atuação, sendo a seleção baseada na análise das características do reservatório, do óleo, da infraestrutura disponível na unidade de produção, dos custos, além de 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, em essência, 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, conhecidas como válvulas de gas lift.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0012] Atualmente as válvulas (1) de gas lift são do tipo insertáveis, e são 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, é caracterizado por conter bolsa lateral e passagens que comunicam o espaço anular com a coluna de produção através da válvula de gas lift.

[0013] As válvulas de gas lift são unidirecionais, e são projetadas para operar sempre abertas, no sentido do espaço anular para a coluna de produção, e impedir 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] Abertura e fechamento da válvula de gas lift ocorre por diferencial de pressão entre o espaço anular e a coluna de produção, ocorrendo de forma 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 são calibradas mecanicamente para abertura quando atingido determinado valor de pressão, para que, sob essa condição, permita 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] Por questões relacionadas à segurança operacional do processo, é requerido que todos os poços contenham dois conjuntos solidários de barreiras de segurança independentes, com as válvulas de gas lift instaladas na coluna de produção, abaixo da válvula de segurança de subsuperfície e acima do packer, como ilustrado na figura 2, compondo o primeiro conjunto solidário de barreiras de segurança do poço.

[0017] Os poços devem, por requisitos de segurança, ter dois conjuntos solidários de barreira 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 de segurança contenha o sinistro, não havendo maiores prejuízos.

[0018] Em um poço convencional são instaladas, em média, três válvulas de gas lift, podendo, dependendo das características específicas do poço, ser necessária quantidade maior ou menor de válvulas.

[0019] As válvulas de gas lift 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

[0020] A válvula de gas lift 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 a passagem; funcionamento este que ocorre de maneira intermitente durante todo o regime de injeção de gás na coluna de produção.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] Outro fator operacional importante a ser destacado é o conjunto da válvula de gas lift e do mandril de acomodação desta, que fazem parte do conjunto solidário de barreira 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.

[0024] O que se observa na atualidade é que a válvula de gas lift 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 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.

[0025] 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 e aos mandris de gas lift.

[0026] Desta forma, é desejável a proposição de solução pela qual a válvula de gas lift e o mandril de gas lift 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 de segurança do poço.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0027] O objetivo principal da presente invenção é propor uma válvula de gas lift, atuada eletricamente, insertável em bolsa lateral do mandril, na região anular, alimentada por meio de um cabo elétrico que, através dos componentes internos, permite a continuidade de apenas uma linha de alimentação para equipamentos adjacentes.

[0028] Outro objetivo da presente invenção é propor uma válvula de gas lift que utiliza um sensor para medição de pressão e temperatura, ou de vibração, ligado a uma placa eletrônica responsável pela comunicação e pelo controle do atuador elétrico da válvula, que pode, por exemplo, ser um atuador piezelétrico.

[0029] Outro objetivo da presente invenção é propor uma válvula de gas lift que incorpora uma camisa deslizante, dotada de orifícios para passagem do gás, e de vedações em seu entorno, ligada ao atuador de abertura e fechamento do fluxo em condições normais de operação.

[0030] Outro objetivo da presente invenção é propor uma válvula de gas lift que, em caso de falha e de perda inesperada de alimentação, prevê mola posicionada de forma a exercer, constantemente, força na camisa deslizante, na direção do seu fechamento, configurando um mecanismo fail-safe-close.

[0031] Outro objetivo da presente invenção é propor uma válvula de gas lift que, para garantir que o atuador elétrico não trave com a camisa deslizante aberta, quando da falta de energia, prevê uma bateria, que, em condições normais de operação, é constantemente carregada, e, quando da falta de energia, recebe sinal da placa eletrônica para fornecer energia suficiente para o destravamento do atuador elétrico, permitindo que a mola retorne a camisa à posição fechada, sendo que, quando do restabelecimento da energia, a válvula poderá voltar a ser controlada normalmente, sendo a bateria realimentada para, em caso de nova falha, voltar a fornecer energia ao atuador

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0032] Para um melhor entendimento da válvula de injeção de gás em coluna de produção de óleo, 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:

[0033] A figura 1 ilustra uma vista esquemática de uma válvula de gás lift do estado da técnica posicionada em mandril com bolsa lateral constituindo parte da coluna de produção;

[0034] A figura 2 ilustra uma vista esquemática de válvulas de gás lift 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 de segurança do poço;

[0035] A figura 3 ilustra uma vista em perspectiva da válvula de gas lift da presente invenção instalada na bolsa lateral do mandril, na região anular;

[0036] A figura 4 ilustra uma vista em perspectiva ampliada da válvula de gas lift da presente invenção instalada na bolsa lateral do mandril, na região anular;

[0037] A figura 5 ilustra uma vista em corte longitudinal da válvula de gas lift da presente invenção;

[0038] A figura 6 ilustra uma vista em corte longitudinal da válvula de gas lift da presente invenção, ilustrando em detalhe ampliado a camisa deslizante na condição aberta, e

[0039] A figura 7 ilustra uma vista em corte longitudinal da válvula de gas lift da presente invenção, ilustrando em detalhe ampliado a camisa deslizante na condição fechada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0040] Em conformidade com o quanto ilustra as figuras 3 a 6, a válvula (3) de gas lift da presente invenção é insertável em bolsa lateral (4) do mandril (5), na região anular, alimentada por um cabo elétrico (não ilustrado) de alimentação, que passa através do conector mecânico (6), sendo conectado ao conector elétrico (7) para alimentação dos componentes internos da válvula; dito conector elétrico sendo conectado ao conector derivação (8), do tipo descrito na patente BR102019025592-7, da ora requerente, aqui incorporado por referência, de onde a energia é derivada para a eletrônica embarcada (9), e para o conector derivação (8) localizado na outra extremidade da válvula, de forma que a energia possa ser conduzida até o outro conector elétrico (7), que, por sua vez, se conecta a outro cabo de alimentação, permitindo a alimentação de válvula adjacente, sem necessidade de outro cabo, dita eletrônica embarcada (9) sendo responsável por aquisitar os dados de um sensor adjacente (10), aqui representado por um sensor de pressão e temperatura, podendo ser um sensor de vibração ou outro, além de alimentar um atuador elétrico (11), alimentando ainda uma bateria (12); dito atuador elétrico, tendo elevada eficiência e baixo consumo energético, como, por exemplo, um atuador piezelétrico, que é responsável por movimentar uma camisa deslizante (13), com orifícios (14), para permitir a passagem do gás de elevação artificial para o interior da coluna de produção, quando ditos orifícios estão alinhados com as portas (15) de comunicação com a coluna de produção para passagem de fluido de um mandril (5) no qual a válvula é instalada, tendo, ao redor da dita camisa deslizante, e entre ditos orifícios do revestimento e do mandril, vedações (16) para impedir a passagem de fluido da coluna de produção para a região anular, e vice-versa, de forma indesejada.

[0041] A bateria, que é carregada constantemente pelo cabo de alimentação, no caso de interrupção deste fornecimento, recebe um sinal da eletrônica (9) para alimentar o atuador elétrico (11) com energia suficiente para sua liberação, permitindo que a mola de retorno (17) movimente a camisa deslizante na direção de fechamento da válvula, impedindo a migração de fluido entre a região anular e a coluna de produção, sendo que, com o restabelecimento do fornecimento de energia, o atuador elétrico volta a ser comandado pela eletrônica, para abrir e fechar a válvula, conforme desejado pelo operador, além de recarregar a bateria para que esta possa operar novamente em caso de interrupção do fornecimento de energia.

Claims

Válvula (3) de injeção de gás em coluna de produção de óleo, caracterizada por poder ser insertável em bolsa lateral (4) do mandril (5), na região anular, alimentada por um cabo elétrico de alimentação, que passa através do conector mecânico (6), sendo conectado ao conector elétrico (7) para alimentação dos componentes internos da válvula; dito conector elétrico sendo conectado ao conector derivação (8), de onde a energia é derivada para a eletrônica embarcada (9), e para o conector derivação (8) localizado na outra extremidade da válvula, de forma que a energia possa ser conduzida até o outro conector elétrico (7), que, por sua vez, se conecta a outro cabo de alimentação, permitindo a alimentação de válvula adjacente, sem que haja necessidade de outro cabo, dita eletrônica embarcada (9) sendo responsável por aquisitar os dados de um sensor adjacente (10), além de alimentar um atuador elétrico (11), alimentando ainda uma bateria (12); dito atuador elétrico sendo responsável por movimentar uma camisa deslizante (13), com orifícios (14), para permitir a passagem do gás de elevação artificial para o interior da coluna de produção, quando ditos orifícios estão alinhados com as portas (15) de comunicação com a coluna de produção para passagem de fluido de um mandril (5) no qual a válvula é instalada, tendo, ao redor da camisa deslizante e entre os orifícios do revestimento e do mandril, vedações (16) para impedir a passagem de fluido da coluna de produção para a região anular, e vice-versa, de forma indesejada; dita bateria (12), carregada constantemente pelo cabo de alimentação, no caso de interrupção deste fornecimento, recebe um sinal da eletrônica para alimentar o atuador elétrico com energia suficiente para sua liberação, permitindo que a mola de retorno (17) movimente a camisa deslizante na direção de fechamento da válvula, impedindo a migração de fluido entre a região anular e a coluna de produção, sendo que, com o restabelecimento do fornecimento de energia, o atuador elétrico volta a ser comandado pela eletrônica, para abrir e fechar a válvula, conforme desejado pelo operador, além de recarregar a bateria para que esta possa voltar operar novamente em caso de interrupção do fornecimento de energia.
Válvula (3) de injeção de gás em coluna de produção de óleo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o sensor adjacente poder ser um sensor de pressão e temperatura; de vibração ou outro.
Válvula (3) de injeção de gás em coluna de produção de óleo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o atuador elétrico possuir elevada eficiência e baixo consumo energético.
Válvula (3) de injeção de gás em coluna de produção de óleo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o atuador elétrico poder ser um atuador piezelétrico.
Válvula (3) de injeção de gás em coluna de produção de óleo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a bateria fornecer energia suficiente para liberação do atuador elétrico.