BR112012009946B1 - sistema de bombeamento submarino - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE BOMBEAMENTO SUBMARINO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UMA BOMBA ALTERNATIVA SUBMARINA. A invenção se refere a um sistema de bombeamento submarino que compreende uma bomba alternativa, tal como uma bomba de membrana ou bomba de mangueira. O fluido motriz de bomba é obtido a partir de um dos fluidos de poços que é pressurizado e um estágio separado.

Description

[0001] A presente invenção se refere a um sistema de bombeamento para uso em local remoto, como instalação submarina de extração de hidrocarboneto, compreendendo uma fonte de fluido de alta pressão e uma bomba acionada por fluido.

[0002] Em vários campos, a pressão do reservatório de hidrocarboneto diminui à medida que o reservatório esvazia. Assim, para permitir o aumento da recuperação de hidrocarbonetos, vem ocorrendo uma utilização crescente de equipamentos propulsores. Um exemplo disto são os sistemas de elevação com gás. Outro sistema é o chamado ESP, bombas elétricas submersíveis que são suspensas em um poço de hidrocarboneto para aumentar a pressão e permitir que os hidrocarbonetos sejam elevados até a superfície. A desvantagem destas instalações é que cada poço necessita de uma bomba com fornecimento de energia e sistema de controle associados. Outra desvantagem é que somente as bombas líquidas são viáveis nesta situação, visto que os compressores são operados nos poços com maior dificuldade.

[0003] Existe, portanto, um interesse crescente na localização de equipamentos propulsores no leito marinho e nos fluidos em poços de bomba de diversos poços. Isto também permite o uso de separadores para que cada fase dos fluidos de poço (gás, óleo ou água) possa ser separada individualmente e transportada para locais diferentes. Por exemplo, a água pode ser separada da corrente do poço e reinjetada no solo, economizando espaço e equipamentos de tratamento na plataforma.

[0004] Além disso, existe o fato de que são encontrados novos campos em águas mais profundas e distantes da terra. Isto exige sistemas de etapas longas de fornecimento e controle de energia.

[0005] Muitas indústrias submarinas com aumento de atividade exigem mais bombas, além de um propulsor principal. Normalmente, as bombas submarinas são unidades grandes, pesadas e complexas que também exigem fornecimento de energia elétrica e fornecimento de petróleo distribuído a longa distância. O sistema elétrico em si é altamente complexo e dispendioso, incluindo, por exemplo, penetradores, conectores, cabos, transformadores e sistemas para controle de motor. Caso o receptor de energia elétrica e petróleo seja uma embarcação ou plataforma, os sistemas do fornecimento de bomba ocupam uma área de convés altamente valiosa.

[0006] Os hidrocarbonetos oriundos dos poços podem ser divididos em diversos tipos, apresentando, principalmente, gás com água ou óleo, apresentando, principalmente, óleo com água. Em algumas situações, podem existir três fases: de gás, óleo e água. A corrente do poço é separada em fases separadas em um separador. A água pode, preferivelmente, ser reinjetada na formação das fases.

[0007] Em aplicações com diversos estágios de separação, o meio de processo separado em estágios maiores deve ser combinado com o meio de processo separado no primeiro estágio.

[0008] Visto que o meio do processo perde pressão durante os estágios de separação, o meio de processo separado dos estágios posteriores deve ser aumentado para atingir a pressão no meio de processo separado do primeiro estágio. Uma solução corrente para aumentar a pressão no meio de processo separado do estágio posterior é utilizar um injetor que utiliza outro meio pressurizado como fluido motriz. Entretanto, a solução do injetor apresenta as desvantagens de baixa eficácia, além de misturar o fluido motriz com o meio acionado.

[0009] As bombas centrífugas ou tipo parafuso convencionais apresentam tolerância limitada à areia. Uma solução corrente é deixar a areia sair pela bomba e utilizar materiais e coberturas de grau bem elevado, ou, caso a produção de areia seja muito elevada, a areia pode ser separada a montante da bomba e desviada por meio de um injetor. Este sistema injetor é bem complexo e exige fluxo elevado de movimento motriz.

[0010] É necessária, pelas razões acima, uma solução diferente para o aumento de fluido submarino.

[0011] A invenção tem como objetivo apresentar um sistema mais simples que não exige fornecimento objetivado de recursos (isto é, energia elétrica e fluido de barreira) de um receptor externo, sendo, assim, mais ou menos autônomo. A invenção também tem como objetivo apresentar um sistema que é resistente à areia e capaz de bombear lama viscosa desta. Isto é obtido com a utilização de fluido pressurizado submarino disponível como fluido motriz da bomba, sendo ela uma bomba alternativa que compreende um meio de criação de pulsos por pressão no fluido motriz para operação da bomba.

[0012] O princípio básico da invenção da bomba autônoma consiste em aliviar o fluido processado do espaço de alta pressão para o espaço de baixa pressão. Na linha de alívio, dever ser encaixada uma válvula, ou disposição de válvulas (denominada válvula sequencial), cuja atividade básica é transformar a pressão de fluido estável em pressão de fluido pulsante para acionamento da bomba alternativa ou oscilante.

[0013] Preferivelmente, a bomba alternativa é a do tipo pistão, diafragma ou peristáltico. Bombas de diafragma e bombas peristálticas são, especialmente, resistentes à areia e partículas.

[0014] O meio de apresentação do fluido motriz alternativo reside na válvula sequencial, preferivelmente uma válvula rotativa ou válvula alternadora. Ele também pode ser uma disposição de diversas válvulas. Pode ser elaborada uma válvula sequencial (ou disposição de válvula) para operar uma única bomba ou múltiplas bombas.

[0015] Em uma modalidade da invenção em que existe areia nos fluidos de poço, a areia é separada em um desaerador e bombeada com a utilização da bomba alternativa, enquanto o fluido límpido é utilizado como o fluido motriz da bomba.

[0016] Em uma modalidade em que os hidrocarbonetos são principalmente gás, o fluido motor é um gás que é pressurizado e comprimido e o gás comprimido é utilizado como o fluido motor para acionar a bomba da fase líquida.

[0017] Em outra modalidade, os hidrocarbonetos são principalmente líquidos. Os hidrocarbonetos são separados em uma fase de óleo e uma fase de água. A fase de óleo pode ser utilizada como o fluido motriz para aumentar a pressão na linha de água, permitindo a reinjeção da água na formação da fase. Ou, vice-versa, a água pressurizada da injeção de água pode ser utilizada como fluido motriz para aumentar a pressão de óleo no transporte da instalação receptora de óleo.

[0018] A invenção é descrita a seguir com referência aos desenhos em anexo nos quais: - a Fig. 1 é um desenho principal da invenção, - a Fig. 2 é um desenho da primeira modalidade da invenção compreendendo um compressor, - a Fig. 3 é um desenho da segunda modalidade da invenção compreendendo um compressor, - a Fig. 4 é um desenho da primeira modalidade da invenção compreendendo uma bomba líquida, - a Fig. 5 é um desenho da terceira modalidade da invenção, - as Figs. 6 - 8 são desenhos de diferentes modalidades das válvulas sequenciais.

[0019] Com referência inicialmente à Fig. 1, é mostrado um desenho do princípio da invenção. Uma bomba 12 é conectada a uma tubulação 13 parar receber um fluido a ser pressurizado, por exemplo, corrente de hidrocarboneto de um ou mais poços (não mostrado). A bomba é uma bomba alternativa, preferivelmente bomba peristáltica, bomba de diafragma ou bomba de pistão. O fluido bombeado é levado até a tubulação 14 que transporta os hidrocarbonetos até uma instalação receptora (não mostrado). Outra tubulação 16 transporta um fluido de alta pressão, além da linha 13. O fluido é transportado por uma válvula sequencial 17 que, por sua vez, é conectada à bomba 12 e envia fluido pulsado para ser o fluido motriz da bomba 12.

[0020] O fluido de alta pressão pode ser utilizado de uma instalação remota. Neste caso, pode ser feito referência à patente n.° 323785 que descreve um método para gerar eletricidade em uma estação submarina. O fluido de alta pressão pode ser um fluido de injeção que é transportado de uma instalação terrestre, que pressuriza o fluido com uma pressão mais elevada do que a necessária em relação ao poço, e a energia/pressão excessiva é retirada deste fluido.

[0021] Na Fig. 2, é mostrada a primeira modalidade da utilização prática da invenção em que os fluidos produzidos de um ou diversos poços submarinos são separados na primeira e segunda fase do fluido, em que a primeira fase pode ser um gás e a segunda fase pode ser um líquido, como condensado, óleo ou água ou uma combinação destes. Os hidrocarbonetos são transportados pela tubulação 20 até o separador 22. No separador 22, a primeira fase é separada da segunda fase, e a primeira fase é transportada pela tubulação 23 até o compressor 24. A segunda fase é transportada pela tubulação 30 até a bomba alternativa 32. Na bomba 32, o líquido é totalmente pressurizado e transportado para dentro da tubulação de saída 34. A saída do compressor é conectada à tubulação 25 da primeira fase de alta pressão. A tubulação 26 ramifica a tubulação 25 para transportar um pouco de líquido da primeira fase pela válvula sequencial 27, retornando ao tubo de entrada 23 a montante do compressor 24. Alternativamente, o fluido leve pode, em razão da válvula sequencial 27, ser retransportado à tubulação 20 ou ao separador 22. A válvula é disposta para dar início ao pulso alternado de elevada e baixa pressão para acionar a bomba alternativa. A bomba alternativa funciona com a pulsação da pressão externa ao diafragma ou pistão para dar inicio à ação de bombeamento. Esta disposição não apresenta maiores descrições, visto que as bombas são bem conhecidas do estado da técnica. São apresentados mais adiante exemplos de válvulas sequenciais com referência às Figs. 6-8.

[0022] A primeira e segunda fase pode ser recombinada a jusante da bomba(s). Neste caso, torna-se vantajoso pressurizar a segunda fase com uma pressão mais elevada do que a da primeira fase, para facilitar a recombinação.

[0023] Na Fig. 3, é apresentada uma segunda modalidade da invenção. Neste caso, os fluidos produzidos do poço são fluidos de três fases, isto é, gás, óleo e água. A corrente de hidrocarbonetos é transportada pela tubulação 20 até o primeiro separador 22, que separa os fluidos na fase gasosa que é transportada até a tubulação 23 e na fase líquida que é transportada até a tubulação 30. O gás é transportado pelo compressor 24 até a tubulação da saída de gás 25. Como na Fig. 2, uma ramificação transporta o gás de alta pressão pela válvula sequencial 27, que dá início aos pulsos de pressão, para acionar a bomba alternativa 32. Os líquidos que são separados no primeiro separador 22 são transportados para o segundo separador 40. Esta ação separa o óleo da água. O óleo é transportado pela tubulação 41 até a bomba alternativa 32, que pressuriza totalmente o óleo através da tubulação 42, e recombina o óleo com o gás. A água é transportada pela tubulação 44 para outra bomba 46 que pressuriza a água, para que ela seja injetada na formação da fase.

[0024] Na Fig. 4, é mostrada mais outra modalidade da invenção. Neste caso, os fluidos produzidos pelo poço(s) são também fluidos de três fases, porém podem ser de duas fases, isto é, óleo e água. Como nas outras modalidades, os hidrocarbonetos do poço são transportados pela tubulação 20 até o primeiro separador 22. Este primeiro separador 22 é necessário somente no caso em que os fluidos do poço contêm gás. O gás é transportado pela tubulação de saída 52 até a instalação remota. Os líquidos são transportados pela tubulação 54 até o segundo separador 56 que separa o óleo da água. A água é transportada pela tubulação 58 até a bomba 60 e pela tubulação 62. A tubulação 62 pode levar ao poço de injeção ou outra instalação. O óleo é transportado pela tubulação 64 até a bomba alternativa 66 e à tubulação de saída 68. No caso em que há gás na corrente do poço, o gás e o óleo podem ser recombinados a jusante da bomba alternativa. A tubulação 70 ramifica a tubulação 62 para transportar fluido pressurizado pela válvula sequencial 27, retornando pela linha 71 dentro da tubulação 58 (a entrada da bomba). Semelhantemente à descrição anterior, os fluidos de alta pressão são transportados pela linha 70, e a válvula sequencial 27 dá início aos pulsos que constituem o fluido motriz da bomba alternativa 66.

[0025] Às vezes, os fluidos do poço podem conter partículas, como areia. A areia pode ser muito abrasiva e, normalmente, não é desejável que haja areia em contato com o equipamento rotativo, tais como bombas rotativas, visto que ele pode desgastar os impulsores da bomba, selos dinâmicos e rolamentos com muita rapidez. As bombas de diafragma e as bombas peristálticas são muito mais resistentes a partículas, visto que não têm peças rotativas, selos dinâmicos ou rolamentos. Na Fig. 5, é mostrada uma modalidade em que a corrente do poço contém areia. Os fluidos do poço são transportados no poço da tubulação 20 para o desaerador 80. Os fluidos límpidos são transportados pela tubulação 82 até a bomba 84 e à tubulação de saída 86. A lama viscosa da areia é transportada pela linha 90 até a bomba alternativa 92. A bomba 92 pressuriza a lama viscosa em uma pressão que é equivalente, ou, preferivelmente, um pouco maior, do que na tubulação 86 e é recombinada com os fluidos do poço a jusante da bomba 84. A linha 87 ramifica a tubulação 86 a jusante da bomba e, como nas modalidades anteriores, os fluidos são transportados pela válvula sequencial 27 e pela linha 87, retornando por dentro da tubulação 82 a montante da bomba. A válvula sequencial 27 dá início aos pulsos de pressão que acionam a bomba alternativa 92.

[0026] As Figs. 6-8 mostram exemplos de uma válvula sequencial que pode ser utilizada na invenção. Na Fig. 6, é mostrada uma linha de alta pressão 101 com a primeira válvula 102. Em seguida, é mostrada uma linha de baixa pressão 103 com válvula 104. Entre as válvulas 102 e 104 a linha 105 leva à bomba alternativa. As válvulas 102 e 104 são acionadas em sequência correspondente com a pulsação da bomba alternativa. As válvulas podem ser controladas elétrica ou hidraulicamente, porém o ideal é que elas sejam controladas pelo fluido para criar um sistema inteiramente autônomo.

[0027] Na Fig. 7, a válvula sequencial é uma válvula rotativa com seu eixo rotacional paralelo ao eixo da tubulação. Durante a rotação da válvula, ela transporta, em sequência, fluido de alta pressão por um orifício 106 até a bomba alternativa ou leito fluido liberado do orifício 108. A válvula pode ser disposta com uma velocidade rotacional fixa que é sincronizada com as oscilações da bomba, ou pode ser mecanicamente ligada à bomba.

[0028] Na Fig. 8, a válvula sequencial é uma válvula rotativa com seu eixo rotacional perpendicular ao eixo da tubulação. A válvula tem uma palheta rotativa 110 que se abre, sequencialmente, ao fluido de alta pressão da bomba e libera os leitos fluidos. A palheta pode ser rodada por um motor elétrico, porém, preferivelmente, é controlada pela bomba ou pelo fluido pressurizado para criar um sistema autônomo.

[0029] Outro tipo de válvula que pode ser utilizada é a do tipo chamado válvula de retenção. Além disso, outros tipos de válvulas e disposições de válvula podem ser encaixados para este fim.

[0030] Para obter um sistema inteiramente funcional, deve haver um diferencial de pressão definida entre as doses da bomba. A pressão máxima de descarga é ajustada pela pressão no processo fornecida ao motor da bomba autônoma na sequência de deslocamento. Esta pressão pode ser aumentada com o aumento da pressão de descarga do propulsor principal, isto é, por meio de restrição na descarga do propulsor principal, a jusante da ramificação do motor da bomba autônoma.

[0031] A sequência de carga da bomba exige uma pressão diferencial positiva entre o meio bombeado na câmara da bomba e o meio do motor da bomba. Esta pressão diferencial pode ser aumentada com o aumento da pressão na sucção da bomba autônoma (isto é, aumentando a bomba a montante da coluna de líquido), ou com a diminuição da pressão do meio do motor.

[0032] Um método para chegar a este resultado consiste em aumentar a amplitude negativa de pressão da pulsação ao criar uma descarga de baixa pressão por meio de uma disposição Venturi. A amplitude de pulsação da pressão negativa também pode ser aumentada por meio de um injetor incorporado na válvula sequencial ou na disposição da válvula sequencial.

[0033] Ao ajustar a restrição, é possível manter o diferencial de pressão correto entre a pressão elevada e a pressão baixa. Este diferencial de pressão pode, assim, ser utilizado para controlar a válvula sequencial. Ao ajustar a restrição, o sistema é capaz de gerir as mudanças na composição dos fluidos do poço.

[0034] A sequência de carga pode ser determinada pela pressão na entrada da bomba. Caso o fluxo tenha que ser regulado, a frequência na válvula deve ser, inicialmente, regulada. Entretanto, existe a possibilidade de obter uma bomba autorregulável para as aplicações do compressor, visto que a coluna de líquido no separador determina a quantidade de preenchimento na bomba durante a sequência de “carga”.

[0035] A invenção é descrita com referência a algumas modalidades. O conhecedor do estado da técnica entende que existem várias outras formas de utilização da invenção. A bomba alternativa pode, por exemplo, ser utilizada em um circuito para abastecer fluido de resfriamento no compressor. Ela também pode ser utilizada para definir a corrente de alta pressão que purga o separador da areia acumulada. Além disso, pode ser instalada mais de uma bomba no sistema. Caso haja mais de uma bomba, é preferível controlar as duas bombas com uma única válvula sequencial (rotativa).

Claims (9)

1. Sistema de bombeamento submarino para uso em local remoto, como instalação submarina de produção de hidrocarboneto, compreendendo uma fonte de fluido de alta pressão e uma bomba acionada por fluido (12, 32, 66, 92), onde o fluido de alta pressão é utilizado como fluido motriz da bomba (12, 32, 66, 92), e a bomba é uma bomba alternativa (12, 32, 66, 92), e que o sistema compreende uma válvula sequencial (17, 27, 102, 104, 106, 108, 110) para criar pulsos por pressão no fluido motriz, caracterizado por a fonte para o fluido motriz ser um compressor (24) usando gás produzido.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a bomba alternativa ser uma bomba de diafragma.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a bomba alternativa ser uma bomba peristáltica.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a bomba alternativa ser uma bomba de pistão.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a válvula sequencial (17, 27, 102, 104, 106, 108, 110) ser arranjada entre a fonte e a bomba (12, 32, 66, 92).

6. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a válvula sequencial (17, 27, 102, 104, 106, 108, 110) compreender uma válvula de entrada e uma válvula de saída que são sincronizadas para gerar os pulsos.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a válvula sequencial (17, 27, 102, 104, 106, 108, 110) compreender uma válvula rotativa de sequência.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a válvula rotativa de sequência ter um eixo rotacional paralelo ou transversal ao eixo de tubulação da tubulação em que a válvula está disposta.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ao menos um separador (22, 40, 56).

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