BR102021020136A2 - Sistema para geração de energia elétrica submarina - Google Patents

Abstract

A presente invenção trata de um sistema de geração de energia elétrica submarina por meio do aproveitando a energia de pressão e cinética de correntes de hidrocarbonetos provenientes de reservatórios, nos quais o fluido produzido do reservatório pode se encontrar em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com uma corrente de gás em fase densa e pelo menos um líquido imiscível. O sistema é concretizado por meio de um arranjo que inclui um homogeneizador de fluxo, uma turbina do tipo rotodinâmica multiestágio de alta pressão diferencial, projetada para instalação em solo marinho e/ou na coluna de produção, tendo um alojamento comum (20) para o conjunto rotodinâmico, um ou dois geradores de energia e/ou um par gerador de energia/motor acoplados no mesmo eixo central (21) da turbina, em que o alojamento comum (20) compreende uma entrada de fluido de processo no conjunto rotodinâmico (1) e uma saída de fluido de processo do conjunto rotodinâmico (2), em que a seção rotodinâmica compreende uma pluralidade de rotores (12) e difusores (11), montados de forma estagiada e podendo conter conjuntos de rotores e impulsores com geometria e tamanho diferente ao longo do eixo central (21) da turbina. Um conversor e/ou transformador de potência para adequar a energia gerada aos requisitos dos sistemas submarinos que precisam ser alimentados, umbilicais, conectores de potência, sistema de monitoramento e controle e a instrumentação necessária também são parte integrante desse sistema.

Description

SISTEMA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA SUBMARINA Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de um sistema de geração de energia elétrica a partir do aproveitamento da energia cinética e de pressão de reservatórios com alto teor de CO2, alta pressão e vazão com aplicação submarina visando a redução do consumo de combustíveis fósseis e consequentemente, a redução da intensidade de emissões de gases de efeito estufa (IGEE), permitindo assim a redução da demanda de energia para os sistemas submarinos.

Descrição do Estado da Técnica

[002] A descoberta de grandes reservas de petróleo e gás natural na região conhecida como pré-sal transformou o setor de petróleo e gás no Brasil, elevando-o a uma posição relevante em termos de reservas mundiais de hidrocarbonetos. Entretanto, devido às características da região, enormes desafios precisam ser superados. Os hidrocarbonetos produzidos na referida região apresentam elevada razão gás-óleo (RGO) e, em alguns casos, teores de CO2 superiores a 30%.

[003] Desta forma, o emprego de processos convencionais para a separação do CO2 e o processamento do gás natural tornou-se menos eficaz e mais oneroso, havendo a necessidade de arranjos e processos de maior complexidade e de custos elevados, notadamente no que concerne ao tamanho das plantas de processamento de gás natural, por exemplo. De uma forma geral, as referidas plantas eram projetadas de modo a se adaptar aos espaços confinados de uma plataforma de produção offshore. Com o advento das descobertas de reservas contendo elevados teores de CO2, altas RGOs e altos índices de produtividade as plantas de processamento de gás natural precisaram ser ampliadas e passaram a apresentar maior complexidade para atender à especificação do gás para exportação e consumo, impactando diretamente no porte e no custo das embarcações, notadamente quando os teores de CO2 presentes na mistura de hidrocarbonetos ultrapassam a faixa de 10 - 20%.

[004] De uma forma geral, os processos normalmente utilizados para separação de CO2 envolvem: absorção com aminas, separação por membranas ou por criogenia, e até mesmo a associação dos referidos processos. Esquemas de processos para teores superiores a 10% de CO2 são empregados, mas trazem um aumento da complexidade da planta de gás natural e resultam em maiores custos, tendo também impacto direto na redução do espaço destinado ao processamento de óleo e o seu armazenamento.

[005] Devido às limitações encontradas em tais processos, esforços e investimentos vêm sendo empreendidos para desenvolver soluções que permitam realizar a separação primária de correntes do tipo gás/óleo, gás denso/óleo e água/óleo em sistemas de separação a altas pressões com foco em reduzir o RGO do fluido a ser processado na superfície de uma unidade marítima (topside de Unidades Estacionárias de Produção – UEP), bem como em terra e assim, aumentar o volume de petróleo produzido, bem como para reduzir o volume total de gás processado nestas unidades. Contudo, o aumento da complexidade e tamanho dos sistemas subsea, principalmente os sistemas de separação, bombas booster e reinjeção, terminam por aumentar também a demanda de energia elétrica para as estações de processamento submarinas. Assim, soluções inovadoras de geração de energia elétrica submarina precisam ser desenvolvidas para aumentar a viabilidade e atratividade econômica do processamento submarino, reduzir o consumo de combustíveis fósseis e consequentemente, a intensidade de emissões de gases de efeito estufa (IGEE), reduzir as perdas de transmissão elétrica entre a UEP e a estação de processamento submarina e reduzir o tamanho, peso e complexidade do sistema de geração de energia elétrica da UEP.

[006] Diversas patentes e pedidos apresentam sistemas, métodos e equipamentos para geração de energia elétrica com base na conversão da energia do movimento das ondas, correntes marítimas, movimento hidráulico em energia elétrica, tais como US 9,074,577B2, US 7199481B2, WO 2012167015A2, US 20150035279A1, WO 2016/077898A1, WO 2012/050466A1, WO 2014/107775A1 e WO 2016/090441A3.

[007] Alguns trabalhos fazem uso da energia cinética de fluidos associados a produção de petróleo para geração de energia elétrica. A patente US 8,779,614 B2 apresenta um sistema e método para conversão do fluxo de um fluido (ex.: injeção química) proveniente da UEP em energia elétrica ou hidráulica para utilização em condição submarina.

[008] O pedido de patente US 20090151954 A1 apresenta um sistema e métodos para fornecer energia a equipamentos de apoio submarinos. A energia pode ser fornecida desviando pelo menos uma porção de um fluido de um sistema de produção de poços para unidades de equipamento de apoio submarino que podem ser descartadas nas proximidades do fundo do mar, leito do mar ou linha de lama de perfuração. O sistema de produção de poços pode incluir, mas não está limitado a um sistema de injeção de água, sistema de gás lift ou combinações dos mesmos.

[009] A patente US 7,224,080 B2 apresenta um sistema de energia submarino para uso na captura de energia “livre” ou “residual” (por exemplo, gases ou líquidos térmicos, geotérmicos, pressurizados de subsuperfície, vento, ondas, solar ou outros livres, resíduos ou fontes de energia de baixo custo) converter e/ou armazenar para alimentar um serviço ou dispositivo submarino durante períodos em que o suprimento de energia livre ou residual não é tão abundante, não está disponível ou as demandas exigem uma saída maior do que a fornecida no estado estacionário. O sistema de energia submarino pode incluir: (1) um ou mais dispositivos de captura de energia - como uma turbina e/ou um gerador termoelétrico - para a coleta de energia livre ou residual, (2) uma célula de combustível, eletrolisador de oxigênio e hidrogênio, vasos de armazenamento, etc.

[0010] A patente US 6,998,724 B2 revela um sistema para gerar energia elétrica a partir de uma instalação submarina que inclui pelo menos uma linha de fluxo, em que o sistema inclui uma turbina que está operativamente conectada à linha de fluxo (linha de injeção ou produção), sendo que o fluxo através da turbina gera a energia elétrica.

[0011] A patente US 5,839,508 apresenta um aparato de geração de energia elétrica conectado a coluna de produção. O sistema é alojado lateralmente a coluna de produção e desvia parte do fluxo para geração de energia elétrica utilizando uma turbina.

[0012] No entanto, nenhuma das soluções acima se assemelha e apresenta as vantagens da presente invenção pois utilizam normalmente água e/ou outro fluido monofásico para geração de energia em condições de baixa pressão e baixa vazão, ou seja, as soluções descritas nas referências acima não precisam lidar com a formação de fases adicionais pela mudança no equilíbrio termodinâmico do fluido causada por reduções na pressão e temperatura ao passar pelos vários estágios da turbina.

[0013] Adicionalmente, a presente invenção permite trabalhar com fluidos provenientes de reservatórios produtores de gás ou óleo nos quais o fluido pode se encontrar em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com, por exemplo, uma corrente de gás em fase densa (densidade maior ou igual a 200 kg/m3 ) e pelo menos um líquido imiscível, acomodando possíveis reduções de temperatura por efeito JouleThomson durante a expansão volumétrica e/ou esforços mecânicos no eixo da turbina e pás, os quais nas turbinas convencionais podem levar a desgaste acentuado em internos, indisponibilidade do equipamento e/ou mesmo a falhas catastróficas. Além disso, diferentemente da presente invenção, não permitem gerar uma grande quantidade de energia em um único eixo mecânico, conforme se tornará evidente a partir da descrição a seguir.

[0014] Dessa forma, com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção, através de um sistema de geração de energia elétrica com um potencial de produzir in situ uma grande quantidade de energia, aproveitando a energia disponível nas correntes provenientes de reservatórios produtores de gás ou óleo de alta pressão e/ou normalmente com altos teores de CO2.

[0015] O referido sistema permite a geração de energia elétrica e quebra de pressão por meio do aproveitamento de parte da energia de pressão e cinética de um fluido complexo proveniente de reservatórios com pressão entre 100 a 1200 bar, mais preferencialmente com pressões entre 200 e 700 bar. Neste caso, o fluido de reservatório pode se encontrar em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com, por exemplo, uma corrente de gás em fase densa (viscosidade de gás e densidade de líquido) e pelo menos um líquido imiscível.

[0016] A eletricidade gerada no sistema permite suprir total e/ou parcialmente a demanda elétrica de sistemas subsea como, por exemplo, árvore de natal molhada (ANM), estação de processamento submarino, bombas booster e bombas de reinjeção, contribuindo para reduzir a dependência de geração de energia via combustíveis fósseis (melhoria ambiental), perdas de transmissão e reduzindo o peso e complexidade do sistema de geração de energia elétrica da UEP.

[0017] Em função do exposto, esta solução tem potencial para aumentar a atratividade econômica de projetos de que utilizem sistemas de separação submarinos em campos produtores com alto índice de produtividade, altas pressões e altas RGOs.

Descrição Resumida da Invenção

[0018] A presente invenção trata de um sistema para geração de energia elétrica em ambiente submarino aproveitando a energia de pressão e cinética de correntes de hidrocarbonetos provenientes de reservatórios, com pressão entre 100 a 1200 bar, mais preferencialmente com pressões entre 200 e 700 bar, para gerar energia mecânica e em seguida eletricidade. De forma geral os reservatórios com alta pressão, alto índice de produtividade, elevadas RGOs e concentrações de CO2 variadas, como os encontrados no pré-sal, apresentam condições apropriadas para a utilização de tal sistema, pois normalmente precisam de mecanismo para quebra de pressão (gerar perda de carga) e controle de vazão como as válvulas chokes, instaladas na cabeça do poço, na entrada de um separador submarino ou mesmo na chegada do topside. Outra forma de geração de perda de carga nos sistemas de produção (proposital ou não intencional) está associada ao diâmetro e comprimento da linha de produção. Assim, o sistema desta invenção procura tirar proveito desta energia normalmente desperdiçada no processo produtivo para gerar energia elétrica in situ na região submarina.

Breve Descrição dos Desenhos

[0019] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se: - A Figura 1 ilustra a curva de comportamento da pressão disponível na árvore de natal de um sistema de produção em função da pressão requerida para a produção do fluido do reservatório utilizando diferentes diâmetros interno de dutos de produção; - A Figura 2 ilustrando uma primeira concretização da turbina mutiestágio para geração de energia submarina conforme a presente invenção; - A Figura 3 ilustrando uma segunda concretização da turbina mutiestágio para geração de energia submarina do tipo back to back conforme a presente invenção; - A Figura 4 ilustrando uma terceira concretização da turbina mutiestágio para geração de energia submarina com dois geradores acoplados ao mesmo eixo central da turbina conforme a presente invenção; - A Figura 5 ilustrando uma quarta concretização da turbina mutiestágio para geração de energia submarina com um gerador e um motor acoplados ao mesmo eixo central da turbina conforme a presente invenção; - A Figura 6 ilustra diferentes dispositivos de homogeneização de fluxo que podem ser utilizados em conjunto com a turbina. Os dispositivos (28) e (29) são exemplos de dispositivo de homogeneização estáticos em linha. O dispositivo (30) é um exemplo de dispositivo de homogeneização estático acoplado ao alojamento comum (20). O dispositivo (31) é um exemplo de dispositivo de homogeneização dinâmico acoplado ao alojamento comum (20) que apresenta pás de homogeneização acionadas / conectadas ao eixo central (21) da turbina; - A Figura 7 ilustra um arranjo submarino geral no qual o sistema de geração de energia (22) se encontra entre a ANM (24) e uma estação de separação e bombeio submarina (23). Nesse caso, a energia gerada pelo sistema (22) poderá suprir a demanda elétrica da árvore de natal (24) e/ou da estação submarina (23) de forma total e/ou parcial; - A Figura 8 ilustra um segundo arranjo geral submarino do sistema (22) conectado as árvores de natal (24) de dois poços produtores. A vazão máxima que chega ao sistema de geração de energia (22) pode ser controlada, por exemplo, por válvulas de controle e/ou chokes (26). Nesse caso, a energia gerada pelo sistema (22) poderá suprir a demanda elétrica das árvores de natal (24) e/ou da estação submarina (23) de forma total e/ou parcial; - A Figura 9 ilustra um terceiro arranjo geral submarino do sistema (22) que está conectado a árvore de natal (24) e no qual o sistema de geração de energia também desempenha a função de controle de vazão e pressão do fluido que chega no sistema de separação e bombeio submarina (23). Nessa ilustração, válvulas de controle e/ou chokes (26) podem ser usadas para um ajuste mais apurado da pressão de entrada do sistema de geração de energia e válvulas on-off (25) para seleção de linhas de fluxo. Nesse caso, a energia gerada pelo sistema (22) poderá suprir a demanda elétrica da árvore de natal (24) e/ou da estação submarina (23) de forma total e/ou parcial; - A Figura 10 ilustra um quarto arranjo geral submarino do sistema de geração de energia (22) no qual esse sistema se encontra instalado na coluna de produção (27) do poço. Em princípio, esse sistema também permite controlar a vazão e a pressão do fluido que chega na cabeça da árvore de natal (24). Nesse caso, a energia gerada pelo sistema (22) poderá suprir a demanda elétrica da árvore de natal (24) e/ou da estação submarina (23) de forma total e/ou parcial;

Descrição Detalhada da Invenção

[0020] O sistema para geração de energia elétrica em ambiente submarino a partir da energia de pressão e cinética de correntes de hidrocarbonetos provenientes do reservatório de petróleo de acordo com a presente invenção inclui um sistema de homogeneização de fases, uma turbina do tipo rotodinâmica multiestágio de alta pressão diferencial, projetada para instalação em solo marinho e/ou na coluna de produção, tendo um alojamento comum (20) para o conjunto rotodinâmico e o gerador de energia (5), em que o alojamento comum (20) compreende uma entrada (1) de fluido de processo no conjunto rotodinâmico e uma saída (2) de fluido de processo do conjunto rotodinâmico, em que a seção rotodinâmica compreende uma pluralidade de rotores (12) e difusores (11), montados de forma estagiada. Neste caso, os rotores são fixados no eixo central (21) do conjunto rotodinâmico e irão transferir a energia cinética e de pressão do escoamento para o eixo de rotação, a qual será convertida em energia elétrica por um gerador, e os difusores (estático) irão direcionar o fluxo para o próximo estágio e gerar uma redução de pressão pela expansão controlada do fluido, a qual irá ajudar a movimentar as pás dos rotores do próximo estágio e gerar mais energia por eixo de rotação. A concretização desse sistema é melhor ilustrada nas descrições das Figuras 2 a 5. A diferença de densidade entre as fases que compõem a mistura em escoamento multifásico pode fazer com que as fases escoam em velocidades relativas diferentes. Isso pode causar variações abruptas no torque de eixo da turbina, o que pode gerar danos ao sistema com o tempo. No caso da geração de energia em condições de alta pressão e altas concentrações de CO2, foco principal dessa invenção, a diferença de densidade entre as fases fica normalmente muito próxima dos valores observados entre fases líquidas imiscíveis (200 e 700 kg/m3 ). Isso atenua em parte esse problema. No entanto, para estender a vida útil do equipamento, dispositivos de homogeneização de escoamento a montante da turbina também são parte integrante desse sistema. Esses dispositivos podem ser estáticos ou dinâmicos. Com objetivo de ilustrar a concretização, mas sem esgotar outras soluções para a homogeneização do padrão de escoamento, são apresentadas algumas soluções para homogeneização de fluxo na Figura 6. As descrições dos arranjos gerais dessa aplicação são ilustradas nas Figuras 7 a 10.

[0021] Os trabalhos relatados na literatura que envolvem a geração de energia submarina fazem uso geralmente de turbinas de um estágio único especialmente desenhadas para o tipo de aplicação requerida como, por exemplo, para o aproveitamento de correntes marítimas, ondas, mares e outras correntes hidrocinéticas, etc. O potencial de geração de energia elétrica por meio de ondas e marés é dependente de condições como, por exemplo, o comprimento da onda, a velocidade da onda, fase, direção, etc. Existe também a dificuldade em manter um fornecimento regular de energia devido as variações climáticas e o ciclo de marés. Adicionalmente, o potencial de geração de energia está concentrado em regiões específicas do planeta. As centrais necessitam de um fluxo constante de grandes volumes de água para gerar energia significativa. A geração de energia elétrica por meio de correntes marítimas também se concentra em regiões especificas e algumas zonas marítimas têm correntes irregulares e/ou apresentam baixa densidade energética. Os outros processos citados nesta invenção como referência utilizam turbinas para geração de energia elétrica de forma limitada.

[0022] No caso de operar com escoamento multifásico, as pás são mais alongadas para poderem promover mais atrito, caraterística que favorece a mistura de fases. Por serem propostas para uso em reservatórios com alta vazão e alta pressão, o conjunto rotodinâmico da turbina multiestágio pode ser constituído por rotores radiais, semi-axiais, axiais ou combinações dos mesmos. Adicionalmente, mudanças no diâmetro do conjunto de impelidores e rotores dos últimos estágios podem ser implementadas para compensar a expansão volumétrica gerada com a redução de pressão do fluido de processo. Esse tipo de concretização permite aproveitar a energia cinética e de pressão de fluidos com até 700 bar de pressão. Nas aplicações nos quais o fluido tenha altos teores de CO2 e alta RGO (razão gás óleo), a quantidade de estágios de rotores e impelidores na câmara é dimensionada preferencialmente para manter uma pressão mínima na saída da turbina que garanta uma massa específica maior ou igual a 200 Kg/m3 de modo a mitigar o efeito JouleThomson e possíveis desbalanceamentos esforços mecânicos na turbina causados por distribuições assimétricas da fase gás denso durante a expansão. A energia de pressão e cinética transferida ao conjunto rotodinâmico na forma de energia mecânica é convertida em energia elétrica por meio de um gerador de energia (5) com isolamento e/ou blindagem adequada, acoplado ao eixo rotodinâmico, a turbina também conta com uma pluralidade de rolamentos (6, 7, 10 e 16), configurados para suportar os esforços axiais e radiais do eixo central (21) da turbina.

[0023] O referido sistema permite a geração de energia elétrica e quebra de pressão por meio do aproveitamento de parte da energia de pressão e cinética de um fluido complexo proveniente de reservatórios com pressão entre 100 a 1200 bar, mais preferencialmente com pressões entre 200 e 700 bar. Neste caso, o fluido de reservatório pode se encontrar em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com, por exemplo, uma corrente de gás em fase densa (viscosidade de gás e densidade de líquido) e pelo menos um líquido imiscível. Estas características levam a projetos rotodinâmicos das turbinas de maior complexidade e que precisam ser ajustados caso a caso em função das características do fluido de reservatório, seu envelope termodinâmico e da curva de produtividade do poço. Adicionalmente, a queda de pressão imposta pelo equipamento ao fluido proveniente do reservatório, caso não seja projetada de forma adequada, pode levar ao resfriamento excessivo do fluido (efeito Joule-Thomson) trazendo possíveis transtornos como, por exemplo, deposição de parafinas, formação de hidratos e bloqueio de linhas de produção. Vale ressaltar que a utilização do sistema em ambiente marinho termina por agregar ainda mais complexidade ao sistema proposto tendo em vista que requer equipamentos projetados para as condições de severidade do ambiente marinho.

[0024] Como pode ser observado na Figura 1, esta ilustra um exemplo do potencial de aproveitamento de energia de pressão e cinética de um poço em função da pressão de equilíbrio na cabeça da árvore de natal e dos diâmetros da linha de produção a jusante do sistema de geração de energia. Em três potenciais cenários de aplicação, a potência disponível da energia de pressão e cinética da corrente de hidrocarboneto pode chegar a aproximadamente 2,5 MW. Assim, considerando-se uma eficiência global de geração elétrica submarina na faixa de 90 a 20%, ter-se-ia uma disponibilidade de energia entre 2,25 a 0,5 MW de potência elétrica disponível para suprimento aos consumidores elétricos submarinos ou para transmissão.

[0025] Para estes cenários assumidos, os pontos de produtividade ótimos (pressões de equilíbrio na cabeça da árvore de natal) foram avaliados os diâmetros de 7, 8 e 9 polegadas para as linhas de produção a jusante do sistema de geração de energia (22) e encontradas as vazões totais de fluido produzido (óleo e gás denso) e os diferenciais de pressão disponíveis para geração da energia requerida naquela condição, conforme apresentado na Tabela1. Esse caso considerou um fluido com 30 a 70% de CO2, RGO (razão gás óleo) de 3000 Sm³/Sm³ e o sistema de geração de energia (22) foi posicionado a meia distância (300 metros) entre a árvore de natal (24) e o sistema de separação submarina (23) que recebe o fluido produzido na pressão de 120 barg.

[0026] A Figura 2 mostra um primeiro exemplo da concretização do sistema de geração de energia elétrica submarina, a energia de pressão e cinética transferida ao conjunto rotodinâmico na forma de energia mecânica é convertida em energia elétrica por meio do gerador de energia (5), com isolamento e/ou blindagem adequada, acoplado ao eixo rotodinâmico, a turbina também conta com uma pluralidade de rolamentos (6, 7 e 10), configurados para suportar os esforços axiais e radiais do eixo central (21) da turbina. Nesta primeira concretização, um dispositivo de equilíbrio (8) fixado na extremidade superior é conectado ao eixo central (21) da turbina para equilibrar os impulsos axiais gerados. Uma entrada de fluido de barreira (3) e saída de fluido de barreira (4) permite a circulação do fluido de barreira ao redor do sistema de geração de energia (selagem, refrigeração e lubrificação das unidades de vedação, rolamentos, etc). O sistema de fluido de barreira compreende um reservatório para um fluido de barreira, bem como um circuito através do qual o fluido de barreira é circulado. O circuito de fluido de barreira não é representado nessa figura. Um conversor e/ou transformador de potência para adequar a energia gerada aos requisitos dos sistemas submarinos que precisam ser alimentados, umbilicais, conectores de potência, sistema de monitoramento e controle e a instrumentação necessária também são parte integrante desse sistema.

[0027] A Figura 3 mostra um segundo exemplo da concretização do sistema de geração de energia elétrica submarina, onde o design back-to-back da turbina permite compensar o impulso axial gerado pelos impulsores. Uma bucha central (13) e um dispositivo de equilíbrio (8) fixado na extremidade superior são conectados ao eixo central (21) da turbina para também auxiliar no equilíbrio dos impulsos axiais gerados. Uma entrada de fluido de barreira (3) e saída de fluido de barreira (4) permite a circulação do fluido de barreira ao redor do sistema de geração de energia (selagem, refrigeração e lubrificação das unidades de vedação, rolamentos, etc). O sistema de fluido de barreira compreende um reservatório para um fluido de barreira, bem como um circuito através do qual o fluido de barreira é circulado. O circuito de fluido de barreira não é representado nessa figura. Um conversor e/ou transformador de potência para adequar a energia gerada aos requisitos dos sistemas submarinos que precisam ser alimentados, umbilicais, conectores de potência, sistema de monitoramento e controle e a instrumentação necessária também são parte integrante desse sistema.

[0028] A Figura 4 ilustra um terceiro exemplo da concretização do sistema de geração de energia elétrica submarina, onde a energia de pressão e cinética transferida ao conjunto rotodinâmico na forma de energia mecânica é convertida em energia elétrica por meio de dois geradores de energia (5 e 18) com isolamento e/ou blindagem adequada, acoplado ao eixo rotodinâmico, a turbina também conta com uma pluralidade de rolamentos (6, 7, 10 e 16), configurados para suportar os esforços axiais e radiais do eixo central (21) da turbina. Nessa concretização, os dispositivos de equilíbrio (8 e 17) fixado na extremidade superior é conectado ao eixo central (21) da turbina para equilibrar os impulsos axiais gerados. Uma entrada de fluido de barreira (3 e 14) e saída de fluido de barreira (4 e 15) permite a circulação do fluido de barreira ao redor do sistema de geração de energia (selagem, refrigeração e lubrificação das unidades de vedação, rolamentos, etc). O sistema de fluido de barreira compreende um reservatório para um fluido de barreira, bem como um circuito através do qual o fluido de barreira é circulado. O circuito de fluido de barreira não é representado nessa figura. Um conversor e/ou transformador de potência para adequar a energia gerada aos requisitos dos sistemas submarinos que precisam ser alimentados, umbilicais, conectores de potência, sistema de monitoramento e controle e a instrumentação necessária também são parte integrante desse sistema. Caso se deseje uma maior tensão elétrica se pode ligar, por exemplo, os geradores em série. Isso permite diminuir a corrente elétrica em cada gerador, de modo a aumentar a sua vida útil e evitar danos a ele, ao mesmo tempo em que mantém a corrente do sistema mais alta.

[0029] A Figura 5 ilustra um quarto exemplo da concretização do sistema de geração de energia elétrica submarina, onde se tem um gerador (5) e um motor (19) acoplados ao mesmo eixo central (21) da turbina. Um dispositivo de equilíbrio (8 e 17) fixado na extremidade superior é conectado ao eixo central (21) da turbina para equilibrar os impulsos axiais gerados. Uma entrada de fluido de barreira (3 e 14) e saída de fluido de barreira (4 e 15) permite a circulação do fluido de barreira ao redor do sistema de geração de energia e do motor (selagem, refrigeração e lubrificação das unidades de vedação, rolamentos, etc). O sistema de fluido de barreira compreende um reservatório para um fluido de barreira, bem como um circuito através do qual o fluido de barreira é circulado. O circuito de fluido de barreira não é representado nessa figura. Um conversor e/ou transformador de potência para adequar a energia gerada aos requisitos dos sistemas submarinos que precisam ser alimentados, umbilicais, conectores de potência, sistema de monitoramento e controle e a instrumentação necessária também são parte integrante desse sistema. Nessa concretização, o motor elétrico (19) seria utilizado, por exemplo, nas partidas do sistema sob condições de baixa carga e/ou para recirculação de fluido de processo.

[0030] A título de ilustração, sem esgotar outras soluções de homogeneização de fluxo, a Figura 6 apresenta dispositivos de homogeneização de fluxo para reduzir variações abruptas no torque de eixo da turbina e desta forma, estender a vida útil do equipamento. Dispositivos de homogeneização de escoamento a montante da turbina também são parte integrante desse sistema.

[0031] A Figura 7 ilustra um dos possíveis arranjos completos do sistema, cujo sistema de geração de energia elétrica se encontra entre a ANM e a unidade de separação gravitacional submarina. A melhor posição para a instalação do sistema de geração de energia elétrica (ex.: próximo da ANM, estação de processamento submarina, etc.) será função do balanço entre o potencial de aproveitamento energético da corrente de hidrocarboneto, do arranjo submarino dos equipamentos e o cálculo de possíveis perdas de transmissão elétrica entre os módulos. Nessa Figura 7, a turbina pode ser representada, por exemplo, por uma das configurações descritas Figuras 2 a 5 e o arranjo, considera que a turbina seja instalada a jusante da ANM e consiga suprir energia para própria árvore, estação de processamento e sistema de bombeio.

[0032] A Figura 8 mostra um exemplo de esquema de um segundo arranjo geral no qual dois poços estão ligados a um único sistema de geração de energia. Nessa Figura 8, a turbina pode ser representada, por exemplo, por uma das configurações ilustrados na Figuras 2 a 5 e o arranjo, considera que a turbina seja instalada a jusante da AMN e consiga suprir energia para própria arvore, estação de processamento e sistema de bombeio.

[0033] A Figura 9 mostra um exemplo de esquema de um terceiro arranjo geral no qual o sistema de geração de energia elétrica também tem função de regular (total ou parcialmente) a pressão a montante e o fluxo da corrente de hidrocarboneto. Nessa Figura 9, a turbina pode ser representada, por exemplo, por uma das configurações ilustrados na Figuras 2 a 5 e o arranjo, considera que a turbina seja instalada a jusante da ANM e consiga suprir energia para própria arvore, estação de processamento e sistema de bombeio.

[0034] A Figura 10 mostra um exemplo de quarto arranjo geral submarino no qual o sistema de geração de energia elétrica está instalado dentro da coluna de produção do poço. Nessa Figura 10, a turbina pode ser representada, por exemplo, por uma das configurações ilustrados na Figuras 2 a 5 e o arranjo, considera que a turbina seja instalada na coluna de produção e consiga suprir energia para própria arvore, estação de processamento e sistema de bombeio. Neste caso, existe um maior potencial de aproveitamento da energia da pressão e cinética do fluido do reservatório, podendo ser usado também como um controle adicional para redução da pressão de saída do poço produtor. Contudo, o sistema de geração de energia fica necessariamente acoplado ao poço produtor, ou seja, impede outras otimizações do sistema de fornecimento de energia em função do arranjo geral submarino. Adicionalmente, manutenções corretivas e preventivas no sistema são mais complexas.

EXEMPLO:

[0035] O exemplo a seguir se baseia em dados reais de um estudo de caso de um poço produtor. A estimativa teórica de produção de energia in situ com o sistema proposto nesta invenção, utilizou o arranjo geral proposto na Figura 2, tomando como base os dados do campo. Este exemplo é apresentado para tornar mais clara a eficácia dos princípios da invenção e suas vantagens. No entanto, não deve ser considerado como limitante do seu conteúdo.

[0036] O Exemplo ilustra de forma prática o potencial de geração de até 2,5 MW (potência disponibilizada pelo fluido) por meio do aproveitamento da energia cinética e pressão de um poço no qual o fluido produzido contém entre 30 a 70% de CO2, RGO (razão gás óleo) de 3000 Sm³/Sm³. Nesse caso, o sistema de geração de energia (22) está posicionado a meia distância (300 metros) entre a árvore de natal (24) e o sistema de separação submarina (23) que recebe o fluido produzido na pressão de 120 barg, conforme esquema de processo da Figura 7. Adicionalmente, a ligação entre a árvore de natal (24) e o sistema de geração de energia (22) é feita por uma linha (33) de 10 polegadas de diâmetro interno e o trecho de 300 metros da linha de produção (34) que fica entre o sistema de geração de energia (22) e a estação de separação submarina (23) teve seu diâmetro variado em 7, 8 e 9 polegadas. Em função desses arranjos, foram encontradas as pressões de equilíbrio na cabeça da árvore de natal, conforme Figura 1, as vazões totais de fluido e diferenciais de pressão disponíveis para geração da energia requerida, conforme apresentado na Tabela1. Nesse exemplo, considerando-se uma eficiência para o sistema de geração de energia global entre 90 e 20%, ter-seia uma disponibilidade de potência elétrica entre 2,25 MW e 0,5 MW.

[0037] O referido sistema exemplificado acima e detalhado também nas Figuras 2, 3, 4 ,5 e 6 é capaz de potencializar a produção de campos de petróleo (zonas produtoras de óleo ou gás) com alto teor de CO2, por exemplo, com alto índice de produtividade, altas pressões, podendo o fluido de reservatório se encontrar em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com, por exemplo, uma corrente de gás em fase densa (viscosidade de gás e densidade de líquido) e pelo menos um líquido imiscível, altas RGOs, concentrações de CO2 variáveis, pois gera energia elétrica in situ, aproveitando a energia disponível de correntes do próprio reservatório, e reduz o tamanho, peso e complexidade do sistema de geração de energia elétrica da UEP.

[0038] A Tabela 1 ilustra um exemplo de aplicação de campo para geração potencial de até 2,5 MW (potência disponibilizada pelo fluido). Nesse caso, o fluido produzido pode conter entre 30 a 70% de CO2, RGO (razão gás óleo) de 3000 Sm³/Sm³ e o sistema de geração de energia (22) está posicionado a meia distância (300 metros) entre a árvore de natal (24) e o sistema de separação submarina (23) que recebe o fluido produzido na pressão de 120 barg. Adicionalmente, a ligação entre a árvore de natal e o sistema de geração de energia é feita por uma linha (33) de 10 polegadas de diâmetro interno e o trecho de 300 metros da linha de produção (34) que fica entre o sistema de geração de energia e a estação de separação submarina teve seu diâmetro variado em 7, 8 e 9 polegadas (estudo de sensibilidade).

[0039] A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita às suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.

Claims (14)

1. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA SUBMARINA, caracterizado por compreender uma turbina do tipo rotodinâmica multiestágio de alta pressão diferencial que consiste em um alojamento comum (20) que incluem uma entrada (1) de fluido de processo no conjunto rotodinâmico e uma saída de fluido de processo do conjunto rotodinâmico (2), em que a seção rotodinâmica compreende uma pluralidade de rotores (12) e difusores (11), montados de forma estagiada ao longo do eixo central (21); um gerador de energia (5) acoplado ao mesmo eixo central (21); entrada de fluido de barreira (3) e saída de fluido de barreira (4) que permite a circulação do fluido de barreira ao redor do sistema de geração de energia; um dispositivo de equilíbrio (8) fixado na extremidade superior conectado ao eixo central (21) da turbina para equilibrar os impulsos axiais gerados; e adicionalmente, possui uma pluralidade de rolamentos (6, 7 e 10) configurados para suportar os esforços axiais e radiais do eixo central (21) da turbina.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conjunto rotodinâmico ser constituído por rotores radiais, semi-axiais, axiais ou combinações dos mesmos.
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo gerador de energia (5) ser selado com óleo térmico e o processo de refrigeração se passar pela troca térmica com a água do mar, fluido de barreira e/ou com o próprio fluido de processo.
4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ainda possuir uma bucha central (13) conectado ao eixo central (21) da turbina para auxiliar no equilíbrio dos impulsos axiais gerados.
5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, opcionalmente, mais um gerador de energia (18) nas extremidades do eixo central (21) da turbina para melhor distribuir a corrente elétrica em cada gerador.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, opcionalmente, um motor (19) acoplado na extremidade do eixo central (21) da turbina.
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar dispositivos de homogeneização de fluxo a montante da turbina do tipo rotodinâmica multiestágio, montados no próprio eixo central (21) da turbina ou integrado ao alojamento comum (20) na forma de uma câmara de admissão e mistura.
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito sistema regular total ou parcialmente a pressão e a vazão de hidrocarboneto a montante do sistema.
9. USO DO SISTEMA, conforme definido das reivindicações 1 a 8, caracterizado por ser aplicado em reservatórios de petróleo com alta pressão, em que o fluido de reservatório produzido se encontra em condições multifásicas com pelo menos uma fase em condições supercríticas ou críticas com uma corrente de gás em fase densa (densidade maior ou igual a 200 kg/m3 ) e pelo menos um líquido imiscível, alto índice de produtividade, RGOs de 50 a 5000, mais particularmente RGOs entre 100 e 3500 e concentrações de CO2 que podem variar de 1 a 95%, mais particularmente entre 5 e 80%.
10. USO DO SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelos reservatórios estarem a uma pressão entre 100 a 1200 bar, mais preferencialmente entre 200 e 700 bar.
11. USO DO SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por ser instalado a montante do primeiro vaso separador do topside da UEP ou em instalações de produção em terra que operem a alta pressão.
12. USO DO SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo dito sistema ser instalado entre a ANM e a unidade de separação e levantamento de pressão submarina.
13. USO DO SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo dito sistema ser instalado dentro da coluna de produção do poço.
14. USO DO SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo dito sistema conectar mais de um poço em um único sistema de geração de energia.

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