BR112013017731B1

BR112013017731B1 - válvula e método para controlar o fluxo de um fluido em um tubo de produção de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás

Info

Publication number: BR112013017731B1
Application number: BR112013017731-4A
Authority: BR
Inventors: Haavard Aakre; Vidar Mathiesen; Bjørnar Werswick
Original assignee: Statoil Petroleum As
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2021-01-12
Also published as: MX2013008172A; US20140027126A1; AU2011355243B2; CN103443394A; WO2012095183A1; EA201391045A1; EA028044B1; CN103443395A; CA2824302A1; WO2012095196A2; WO2012095196A3; CA2824302C; AU2011355243A1; EP2663732B1; EP2663732A1; CN103443394B; BR112013017731A2; US9534470B2; CN103443395B; MX354774B

Abstract

VÁLVULA E MÉTODO PARA CONTROLAR O FLUXO DE UM FLUIDO, E, TUBO DE PRODUÇÃO. A invenção se refere a um método e aparelho para controlar o fluxo de um fluido. O fluido compreende uma fase líquida e uma fase gás dissolvida. O fluido passa através de uma válvula, a válvula compreendendo uma entrada de fluido e um corpo móvel localizado em um caminho de fluxo através da válvula, o corpo móvel sendo arranjado para mover livremente em relação à abertura da entrada para variar o fluxo na área através da qual o fluido escoa por meio do efeito de Bernoulli. As dimensões da válvula são tais que o fluxo de fluido além do corpo móvel faz com que uma queda de pressão fique abaixo do ponto de bolha da fase gás na fase líquida, dessa forma aumentando o fluxo do fluido através da válvula.

Description

VÁLVULA E MÉTODO PARA CONTROLAR O FLUXO DE UM FLUIDO EM UM TUBO DE PRODUÇÃO DE UM POÇO EM UM RESERVATÓRIO DE ÓLEO E/OU GÁS

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere a um arranjo de válvula autônoma para controlar um fluxo de fluido.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Dispositivos para recuperar gás e óleo de poços compridos horizontais ou verticais são conhecidos pelas publicações de patente 4.821.801, 4.858.691, 4.577.691 e publicação de patente GB no. 2169018. Esses dispositivos conhecidos compreendem um tubo de drenagem perfurado, por exemplo, com um filtro para controlar a areia em torno do tubo. Uma desvantagem considerável com os dispositivos conhecidos para produção de óleo e/ou gás em formações geológicas altamente permeáveis é que a pressão do tubo de drenagem aumenta exponencialmente na direção à montante em decorrência do atrito de escoamento do tubo. Em virtude da pressão diferencial entre o reservatório e o tubo de drenagem diminuir à montante, em decorrência disto, a quantidade de óleo e/ou gás que escoa do revestimento para o tubo de drenagem diminuirá correspondentemente. O óleo e/ou gás total produzido por este meio portanto será baixa. Com finas zonas de óleo e formações geológicas altamente permeáveis, existe também um alto risco de invasão, isto é, fluxo de água ou gás indesejável para o tubo de drenagem à jusante, onde a velocidade do fluxo de óleo do reservatório para o tubo estar no máximo.

[0003] Pelo World Oil, vol 212, N. 11 (11/91), páginas 73 – 80, é de conhecimento dividir um tubo de drenagem em seções com um ou mais dispositivos de restrição de entrada, tais como camisas corrediça ou dispositivos de estrangulamento. Entretanto, esta referência basicamente lida com o uso de controle de entrada para limitar a taxa de entrada para zonas furo acima e dessa forma evitar ou reduzir invasão de água e/ou gás.

[0004] A WO-A-9208875 descreve um tubo de produção horizontal compreendendo uma pluralidade de seções de produção conectadas por câmaras de mistura com um maior diâmetro interno do que as seções de produção. As seções de produção compreendem um revestimento recartilhado externo que se pode considerar que desempenha uma ação de filtração. Entretanto, a sequência de seções de diferentes diâmetros cria turbulência de fluxo e impede a corrida de ferramentas de intervenção operadas ao longo da superfície externa do tubo de produção.

[0005] Durante extração de óleo ou gás de formações de produção geológicas, fluidos de diferentes qualidades, isto é, óleo, gás, água (e areia) são produzidos em diferentes quantidades e misturas, dependendo da propriedade ou qualidade da formação. Nenhum dos dispositivos conhecidos supramencionados é capaz de diferenciar e controlar a entrada de óleo, gás ou água com base na sua respectiva composição e/ou qualidade.

[0006] Dispositivos revelados em WO2009/088292e WO 2008/004875 são robustos, podem suportar grandes forças e altas temperaturas, podem impedir pressões diferenciais poço-reservatório (pressão diferencial), não precisam de suprimento de energia, podem suportar produção de areia, e são ainda confiáveis, simples e muito baratos. Entretanto, diversas melhorias podem no entanto ser feitas para aumentar o desempenho e vida útil do dispositivo citado no qual muitas das diferentes modalidades da WO2009/088292 e WO2008/004875 descrevem um disco ou prato como um corpo móvel da válvula.

[0007] Um problema potencial com um disco ou prato como um corpo móvel é erosão no corpo móvel. Isto é atribuído a uma velocidade de fluido muito alta entre a sede interna e o corpo móvel da válvula. O fluido é submetido a mudanças abruptas na sua direção de fluxo neste local. Como sempre existem partículas no fluxo de fluido, mesmo se peneiras de areia forem instaladas, tais partículas causarão erosão. O problema da erosão existe tanto com quanto sem o uso de uma câmara de estagnação na válvula.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0008] Os problemas apresentados são solucionados por um arranjo de válvula autônoma provido com um dispositivo de controle de fluxo de acordo com as reivindicações dependentes. A presente invenção se refere a um dispositivo de controle de entrada que é autoajustável, ou autônomo, e pode facilmente ser adaptado na parede de um tubo de produção. O dispositivo também permite o uso de ferramentas de intervenção, já que ele não se estende para fora da periferia do tubo de produção. O dispositivo é projetado para “diferenciar” óleo e/ou gás e/ou água e é capaz de controlar o fluxo ou entrada de óleo ou gás, dependendo do fluido para o qual um controle de fluxo como este é exigido.

[0009] De acordo com uma modalidade preferida, a invenção se refere a uma válvula autoajustável, ou autônoma, ou dispositivo de controle de fluxo para controlar o fluxo de um fluido de um espaço ou área para um outro. A válvula é particularmente adequada para controlar o fluxo de fluido de um reservatório e para um tubo de produção de um poço no reservatório de óleo e/ou gás, entre um orifício de entrada em um lado de entrada para pelo menos um orifício de saída em um lado de saída do dispositivo de controle de fluxo. Um tubo de produção como este pode incluir um tubo de drenagem compreendendo pelo menos duas seções, cada qual incluindo um ou mais dispositivos de controle de entrada.

[0010] Uma porção principal do orifício de saída é conectada em um rebaixo em uma porção localizada remota da abertura central relativa a um plano através da segunda superfície. Desta maneira, um fluxo do orifício de saída em direção ao orifício de entrada agirá na segunda superfície de um corpo da válvula remoto do orifício de entrada. Um fluxo de fluido como este fará com que o corpo da válvula seja movimentado em direção à abertura do orifício de entrada para fechar a válvula.

[0011] As dimensões da válvula são tais que o fluxo do fluido além do corpo móvel cause uma queda de pressão. O fluido tipicamente compreende um líquido com um gás dissolvido. O gás dissolvido tem um “ponto de bolha”, uma temperatura ou uma pressão na qual o gás começará sair de solução do líquido. Observou-se que, se a queda na pressão for suficiente para o ponto de bolha do gás ser atingido, gás dissolvido sai de solução com o líquido. Isto, por sua vez, aumenta a vazão através da válvula.

[0012] Em um primeiro exemplo, uma válvula tal como a supradescrita pode ter um orifício de saída compreendendo múltiplas aberturas, cada qual conectada no rebaixo em uma localização na superfície periférica externa do corpo da válvula, ou radialmente fora desta. Neste exemplo, as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo na direção radial do dispositivo de controle de fluxo. As múltiplas aberturas podem cada qual ser conectadas no rebaixo, de forma que cada abertura fique voltada para a superfície periférica externa do coro da válvula. As aberturas são preferivelmente arranjadas para ser distribuídas a distâncias iguais umas das outras em torno da circunferência do corpo da válvula. O eixo central de cada abertura é arranjado em um plano localizado remoto da abertura central em relação a um plano através da segunda superfície. Desta maneira, os ditos eixos centrais se estendem radialmente ao interior do rebaixo em direção ao centro do corpo da válvula e podem ser localizados dentro ou fora do plano através da segunda superfície. Consequentemente, um fluxo proveniente das múltiplas aberturas em direção ao orifício de entrada age na segunda superfície do corpo da válvula remota do orifício de entrada, fazendo com que o corpo mova para sua posição fechada.

[0013] Em um segundo exemplo, uma válvula como a descrita pode ter um orifício de saída compreendendo múltiplas aberturas, cada qual conectada no rebaixo em uma localização na superfície periférica externa, ou radialmente fora desta, do corpo da válvula, como anteriormente descrito. Neste exemplo, as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo na direção axial do dispositivo de controle de fluxo, paralelas ao eixo central da abertura de entrada. As múltiplas aberturas podem cada qual ser conectadas no rebaixo, de forma que cada abertura fique voltada para pelo menos uma porção da seção periférica externa da segunda superfície do corpo da válvula. As aberturas são preferivelmente arranjadas para ficar distribuídas em ângulos iguais uma da outra em relação ao centro do corpo da válvula, substancialmente na mesma distância do dito centro. As múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo no lado oposto do corpo da válvula em relação ao orifício de entrada. O eixo central de cada abertura é conectado no rebaixo de forma que cada qual coincida ou passe radialmente fora da superfície periférica externa do corpo da válvula. Consequentemente, um fluxo proveniente das múltiplas aberturas em direção ao orifício de entrada agirá na segunda superfície do corpo da válvula remota do orifício de entrada, fazendo com que o corpo da válvula mova para sua posição fechada.

[0014] O corpo da válvula descrito em qualquer dos exemplos apresentados é suportado por pelo menos três projeções que se estendem axialmente ao interior do rebaixo para suportar a segunda superfície do corpo da válvula. As projeções são providas para suportar o corpo da válvula quando ela estiver na sua posição de descanso não ativada. O número de projeções e o tamanho das superfícies que fazem contato com a segunda superfície do corpo da válvula são escolhidas para evitar ou minimizar aderência entre as projeções e o corpo da válvula móvel quando o corpo da válvula móvel for atuado.

[0015] Em um terceiro exemplo, uma válvula tal como a descrita pode ter um orifício de saída compreendendo uma abertura conectada no rebaixo no lado oposto do corpo da válvula relativo ao orifício de entrada. Esta abertura tem uma área seccional transversal maior ou igual à da segunda superfície do corpo da válvula. Neste caso, o orifício de saída compreende substancialmente uma única abertura. A área de fluxo à jusante do corpo da válvula somente é interrompida pelas projeções que se estendem ao interior para suportar o corpo da válvula.

[0016] Um corpo da válvula tal como descrito no terceiro exemplo é suportado por pelo menos três projeções se estendendo radialmente ao interior do rebaixo para suportar a segunda superfície do corpo da válvula. As projeções são providas para suportar o corpo da válvula quando ela está na sua posição de descanso não ativada. O número de projeções e o tamanho das superfícies que fazem contato com a segunda superfície do corpo da válvula são escolhidos para evitar ou minimizar aderência entre as projeções e o corpo da válvula quando o corpo da válvula for atuado.

[0017] As válvulas aqui descritas podem ter um corpo da válvula compreendendo um disco circular com uma espessura predeterminada. Neste caso, tanto a primeira superfície quanto a segunda superfície oposta podem ser planas, ou substancialmente planas. Em geral, a superfície do rebaixo voltada para a dita primeira superfície do corpo da válvula tem uma superfície substancialmente confrontante com a forma do corpo da válvula.

[0018] Alternativamente, o corpo da válvula pode ter uma primeira superfície com uma forma substancialmente cônica com o ápice voltado para o orifício de entrada. A segunda superfície oposta do corpo da válvula pode ser plano, ou substancialmente plano. A primeira superfície do rebaixo voltada para a dita primeira superfície tem uma forma substancialmente cônica se conformando com a forma do corpo da válvula.

[0019] Um arranjo de válvula para um tubo de produção, como anteriormente descrito, tipicamente terá um diâmetro do orifício de entrada de 2-12 mm. O diâmetro do disco é tipicamente selecionado 3-5 vezes maior que o diâmetro do orifício de entrada. O diâmetro do rebaixo no corpo da válvula montado é inerentemente maior a fim de permitir movimento do disco e manter o disco na posição. É possível prover meios para manter o disco em uma posição centralizada, mas tipicamente o fluxo de fluido além do disco tentará distribuir o fluido uniformemente através de todos os orifícios de saída e dessa forma centralizar o disco.

[0020] A altura total do arranjo de válvula depende da espessura de parede do tubo de produção no qual ela é montada. É desejável que a válvula não se estenda para fora do diâmetro externo do tubo de produção, a fim de permitir que ferramentas de intervenção sejam operadas ao longo da superfície externa do tubo de produção. Ao mesmo tempo, é desejável que a válvula não se estenda ainda mais para dentro do diâmetro interno do tubo de produção do que o necessário, já que isto pode introduzir uma restrição de fluxo e turbulência. Consequentemente, é desejável selecionar a espessura do disco o menor possível. As dimensões do disco (espessura/diâmetro) e o material usado são selecionados para manter estabilidade mecânica do disco, de forma que ele não flexione ou deforme quando submetido a alta pressão. Também, o disco tem que ser suficientemente robusto para suportar erosão e fadiga com o tempo. Similarmente, a altura do rebaixo contendo o disco dentro do corpo da válvula montado é limitada pela altura do corpo da válvula montado. A distância entre o disco e a superfície superior do rebaixo, contendo o orifício de entrada, é preferivelmente selecionada de forma que a área de fluxo total na periferia do disco seja pelo menos igual ao fluxo total do orifício ou orifícios de saída.

[0021] O número ou posicionamento dos orifícios de saída do corpo da válvula montado é escolhido de forma que a área de fluxo total do orifício ou orifícios de saída seja portanto selecionada igual ou maior que a área de fluxo do orifício de entrada. Entretanto, por causa de outros fatores, tais como robustez da válvula e várias partículas que entram na válvula provenientes do poço, a área de fluxo total do orifício ou orifícios de saída é frequentemente feita consideravelmente maior que a área do orifício de entrada.

[0022] Em um aspecto adicional da invenção, é provido um método para controlar o fluxo de um fluido que compreende uma fase líquida e uma fase gasosa dissolvida. O fluido pode passar através de uma válvula. A válvula compreende uma entrada de fluido e um corpo móvel localizado em um caminho de fluxo através da válvula. O corpo móvel é arranjado para mover livremente em relação à abertura da entrada para variar a área de fluxo direto através da qual o fluido escoa por meio do efeito de Bernoulli. As dimensões da válvula são tais que o fluxo do fluido além do corpo móvel cause uma queda de pressão abaixo do ponto de bolha da fase gasosa na fase líquida, dessa forma aumentando o fluxo do fluido através da válvula.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] A invenção será descrita com detalhes com referência às Figuras anexas. Deve-se entender que os desenhos são feitos somente com propósitos de ilustração e não devem ser como definição dos limites da invenção, para os quais se deve fazer referência às reivindicações anexas. Deve-se entender adicionalmente que os desenhos não estão necessariamente em escala e que, a menos que de outra forma indicado, eles são meramente destinados a ilustrar esquematicamente as estruturas e procedimentos aqui descritos.

[0024] A Figura 1 mostra um tubo de produção provido com um arranjo de válvula autônomo de acordo com a invenção;

[0025] A Figura 2A mostra um arranjo de válvula autônomo provido com um dispositivo de controle de fluxo de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

[0026] A Figura 2B mostra um arranjo de válvula autônomo provido com um dispositivo de controle de fluxo de acordo com uma segunda modalidade da invenção;

[0027] A Figura 3 mostra uma vista parcialmente seccionada de um segundo corpo da válvula usado nas modalidades das Figuras 2A e 2B;

[0028] A Figura 4 mostra uma vista parcialmente seccionada de um segundo corpo da válvula alternativo de acordo com a invenção;

[0029] A Figura 5 mostra uma vista parcialmente seccionada de um segundo corpo da válvula alternativo adicional de acordo com a invenção; e

[0030] A Figura 6 mostra um diagrama esquemático das diferentes áreas de fluxo e zonas de pressão em uma válvula de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0031] Um reservatório de óleo tipicamente compreende óleo líquido e gás. Embora uma bolsa de gás possa ser localizada acima do óleo líquido no reservatório, gás é tipicamente também dissolvido no óleo líquido. À medida que a temperatura aumenta, e/ou a pressão é reduzida, gás envolvido pode começar sair de solução. O ponto de bolha ocorre a uma certa temperatura e pressão, e é o ponto no qual a primeira bolha de gás sai fora de solução. À medida que óleo em um reservatório é tipicamente saturado com gás, ele fica muito próximo do ponto de bolha.

[0032] Quando óleo passa de um reservatório para um tubo de produção, a válvula é projetada de maneira tal que a redução na pressão no óleo faz com que ela caia abaixo do seu ponto de bolha. A queda abaixo do ponto de bolha faz com que evolua do óleo, dessa forma aumentando a densidade de líquido e efetivamente aumentando a vazão de líquido.

[0033] A Figura 1 mostra um tubo de produção 11 provido com uma abertura na qual um arranjo de válvula autônomo 12 de acordo com a invenção. O arranjo de válvula 12 é particularmente adequado para controlar o fluxo de fluido de um reservatório subterrâneo para um tubo de produção 11 de um poço no reservatório de óleo e/ou gás, entre um orifício de entrada 13 em um lado de entrada para pelo menos um orifício de saída (não mostrado) em um lado de saída do arranjo de válvula autônomo. A parte componente que constitui todo o arranjo de válvula autônomo é subsequentemente referida como um "arranjo de válvula", enquanto os componentes ativos exigidos para controlar o fluxo são normalmente referidos como um "dispositivo de controle de fluxo". O lado de entrada do arranjo de válvula autônomo 12 é localizado na abertura no lado externo 14 do tubo de produção 11, enquanto o lado de saída é localizado no lado interno 15 do tubo de produção 11. No texto subsequente, termos como "interno" e "externo" são usados para definir posições relativas à superfície interna e externa do arranjo de válvula quando montado em um tubo 11 (vide Figura 1).

[0034] A Figura 2A mostra um arranjo de válvula autônomo 20 provido com um dispositivo de controle de fluxo de acordo com uma primeira modalidade da invenção. O arranjo de válvula 20 compreende um corpo anular 21 no qual o dispositivo de controle de fluxo é contido. O corpo anular 21 é montado em uma abertura através de um tubo de produção (vide Figura 1) por qualquer dispositivo adequado, tal como um encaixe de pressão ou uma conexão rosqueada. Um primeiro corpo da válvula 22 fica localizado em um furo ampliado concêntrico no corpo anular 21. Um flange externo no primeiro corpo da válvula 22 é colocado em contato com uma superfície radial do furo no corpo anular 21 a fim de posicionar o primeiro corpo da válvula 22 na direção axial do corpo anular 21. O primeiro corpo da válvula 22 é travado no lugar por meio de um anel de travamento 24 que age no lado oposto do dito flange externo e fixo na posição em um entalhe circunferencial na superfície interna do furo no corpo anular 21. Uma vedação de líquido é provida entre o corpo anular 21 e o flange externo no primeiro corpo da válvula 22. A vedação de líquido compreende um anel-O localizado em um entalhe circunferencial no rebaixo e em contato com a superfície periférica externa do flange externo do primeiro corpo da válvula.

[0035] Um orifício de entrada axial 23 é provido através do centro do primeiro corpo da válvula 22. O orifício de entrada 23 se estende de uma superfície externa do arranjo de válvula ao interior de um rebaixo 26 no dispositivo de controle de fluxo. O rebaixo 26 é formado em um espaço entre o primeiro corpo da válvula 22 e um segundo corpo da válvula 27. No exemplo mostrado na Figura 2A, o segundo corpo da válvula 27 tem uma forma geral de copo com uma abertura voltada para o primeiro corpo da válvula 22. O segundo corpo da válvula 27 é colocado em contato de vedação com o primeiro corpo da válvula 22 e é anexado no primeiro corpo da válvula 22 por meio de uma conexão rosqueada. A conexão rosqueada fica localizada em uma seção interna do primeiro corpo da válvula 22, abaixo do flange externo. O segundo corpo da válvula 27 é provido com inúmeros orifícios de saída radiais 30 se estendendo do rebaixo 26 radialmente para fora até um espaço anular 31 entre o corpo anular 21 e o segundo corpo da válvula 27. Este espaço anular 31 fica em conexão fluídica com o volume interno do tubo no qual o arranjo de válvula é montado.

[0036] O segundo corpo da válvula 27 pode ser anexado no primeiro corpo da válvula 22 por meio de qualquer dispositivo de conexão adequado, mas é preferivelmente anexado de forma liberável por uma conexão rosqueada, parafusos ou conexão tipo baioneta. Uma alternativa adicional é anexar o segundo corpo da válvula 27 na superfície interna do corpo anular 21, mantendo ainda contato de vedação pelo menos com o primeiro corpo da válvula 22.

[0037] O arranjo de válvula compreende adicionalmente um corpo da válvula livremente móvel 28 localizado no rebaixo 26 no dispositivo de controle de fluxo, o dito corpo da válvula móvel 28 tem uma primeira superfície 28a voltada para o orifício de entrada 23 e uma segunda superfície 28b localizada remota do orifício de entrada 23. Similarmente, o rebaixo 26 tem uma primeira superfície 26a voltada para a primeira superfície 28a do corpo da válvula móvel 28, e uma segunda superfície 26b voltada para a segunda superfície 28b do corpo da válvula móvel 28. O corpo da válvula móvel 28 compreende um disco circular com uma espessura predeterminada e se estendendo até uma periferia externa 28c espaçada de uma parede lateral adjacente 26c do rebaixo 26. Neste caso, tanto a primeira superfície quanto a segunda superfície oposta são planas, ou substancialmente planas. Para esta e qualquer outra modalidade descrita no texto, a superfície do rebaixo voltada para a dita primeira superfície do corpo da válvula móvel tem uma superfície conformante com a forma do corpo da válvula móvel. O corpo da válvula móvel 28 é suportado por inúmeras projeções 29. As projeções 29 definem uma posição inferior para o corpo da válvula móvel 28 e impedem que o dito corpo 28 fique aderido na segunda superfície 26b do rebaixo 26 durante atuação do dispositivo de controle de fluxo. Consequentemente, os componentes que constituem o dispositivo de controle de fluxo são o primeiro e segundo corpos da válvula 22, 27 e o corpo da válvula livremente móvel 28.

[0038] Em operação, o orifício de entrada é conectado no rebaixo por uma abertura ou fenda central, em que o fluido é arranjado para escoar para o rebaixo através da abertura central. O fluido é então arranjado para escoar para fora do rebaixo radialmente através de uma primeira superfície do corpo da válvula, a dita primeira superfície voltada para a abertura central, e além da superfície periférica externa do dito corpo da válvula em direção a pelo menos um orifício de saída.

[0039] A presente invenção explora o efeito do preceito de Bernoulli de que a soma da pressão, estática, pressão dinâmica e atrito é constante ao longo de uma linha de fluxo:

[0040] Com referência à válvula mostrada na Figura 2a, quando se submete o corpo da válvula móvel ou disco 28 a um fluxo de fluido, que é o caso com a presente invenção, a diferença de pressão sobre o disco 28 pode ser expressa como se segue:

[0041] Por causa da menor viscosidade, um fluido tal como gás, escoará mais rapidamente ao longo do disco em direção à sua periferia externa 28c. Isto resulta em uma redução da pressão na área A2 acima do disco, enquanto a pressão que age na área A3 abaixo do disco 28 permanece inalterada. Como o disco 28 é livremente móvel dentro do rebaixo, ele moverá para cima e dessa forma estreitará o caminho de fluxo entre o disco 26 e a primeira superfície 26a do rebaixo 26. Assim, o disco 28 move para baixo ou para cima dependendo da viscosidade do fluido que escoa através dele, por meio do que este princípio pode ser usado para controlar o fluxo de fluido através do dispositivo.

[0042] Adicionalmente, a queda de pressão através de um dispositivo de controle de entrada tradicional (ICD) com geometria fixa será proporcional à pressão dinâmica:

onde a constante K é basicamente função da geometria e depende menos do número de Reynolds. No dispositivo de controle de acordo com a presente invenção, a área de fluxo diminuirá quando a pressão diferencial aumenta, de maneira tal que o fluxo volumétrico através do dispositivo de controle não aumentará, ou praticamente não aumentará, quando a queda de pressão aumenta. Consequentemente, o volume de fluxo direto para a presente invenção é substancialmente constante acima de uma dada pressão diferencial. Isto representa uma principal vantagem com a presente invenção, já que pode ser usada para garantir um volume substancialmente constante escoando através de cada seção por todo o poço horizontal, que não é possível com dispositivos de controle de entrada fixos.

[0043] Além disso, quando um líquido com um gás aprisionado, tal como óleo, de um reservatório, passa sobre o disco 28, a pressão reduz. O óleo já está saturado com gás, e assim se aproximando do seu ponto de bolha. A redução na pressão faz com que gás aprisionado evolua do óleo, significando que o óleo resultante aumenta ligeiramente de densidade. Isto, junto com diferenças de pressão causadas pelo gás evoluído, tem o efeito de puxar o disco 28 ainda mais para fora do orifício de entrada 23, que aumenta a vazão de óleo através do arranjo de válvula autônomo 20.

[0044] Durante a produção de óleo e gás, o dispositivo de controle de fluxo de acordo com a invenção pode ter duas diferentes aplicações: usá-lo como um dispositivo de controle de fluxo para reduzir a entrada de água ou gás, ou manter um fluxo constante através do dispositivo de controle de fluxo. Quando se projeta o dispositivo de controle de acordo com a invenção para diferentes aplicações, tal como um fluxo de fluido constante, as diferentes áreas e zonas de pressão, mostradas na Figura 6, terão impacto na eficiência e propriedades de fluxo direto do dispositivo. Referindo-se à Figura 6, as diferentes áreas/zonas de pressão podem ser divididas em:

- A1, P1 é a área e pressão de entrada, respectivamente. A força (P1*A1) gerada por esta pressão tentará abrir o dispositivo de controle (mover o disco ou corpo 28 para baixo).
- A2, P2 é a área e pressão na zona entre a primeira superfície 28a do disco e o rebaixo 26, onde a velocidade será máxima e, consequentemente, representa uma fonte de pressão dinâmica. A pressão dinâmica resultante tentará fechar o dispositivo de controle movendo o disco ou corpo 28 para cima à medida que a velocidade de fluxo aumenta e a pressão é reduzida.
- A3, P3 é a área e pressão detrás do disco ou corpo móvel 28, entre a segunda superfície 28b do disco e o rebaixo 26. A pressão detrás do disco ou corpo móvel deve ser a mesma da pressão do poço (pressão de entrada). Isto tentará mover o corpo para cima, em direção à posição fechada do dispositivo de controle à medida que a velocidade de fluxo aumenta.

[0045] Fluidos com diferentes viscosidades proverão diferentes forças em cada zona, dependendo do desenho dessas zonas, a fim de otimizar a eficiência e propriedades de fluxo direto do dispositivo de controle, os desenhos das áreas serão diferentes para diferentes aplicações, por exemplo, fluxo de volume constante, ou fluxo de gás/óleo ou óleo/água. Consequentemente, para cada aplicação, as áreas precisam ser criteriosamente equilibradas e idealmente projetadas levando-se em conta as propriedades e condições físicas (viscosidade, temperatura, pressão, etc.) para cada situação de projeto.

[0046] A Figura 2B mostra um arranjo de válvula automotiva provido com um dispositivo de controle de fluxo de acordo com uma segunda modalidade da invenção. O corpo anular 21 idêntico ao da Figura 2A é montado em uma abertura através de um tubo de produção (vide Figura 1) por qualquer meio adequado, tal como um encaixe de pressão ou uma conexão rosqueada. Um primeiro corpo de válvula 32 localizado em um furo ampliado concêntrico no corpo anular 21. O primeiro corpo da válvula 32 é travado no lugar no corpo anular 21 da mesma maneira descrita com relação à Figura 2A anterior. Um orifício de entrada axial 33 é provido através do centro do primeiro corpo da válvula 32. Um segundo corpo da válvula 27 substancialmente idêntico ao da Figura 2A é anexado no primeiro corpo da válvula 32, como anteriormente descrito. O segundo corpo da válvula 27 é provido com inúmeros orifícios de saída radiais 30 se estendendo do rebaixo 26 radialmente para fora até um espaço anular 31 entre o corpo anular 21 e o segundo corpo da válvula 27.

[0047] O arranjo de válvula compreende adicionalmente um corpo da válvula livremente móvel 38 localizado no rebaixo 36 no dispositivo de controle de fluxo, o dito corpo da válvula móvel 38 tem uma primeira superfície 38a voltada para o orifício de entrada 33 e uma segunda superfície 38b localizada remota do orifício de entrada 33. Similarmente, o rebaixo 36 tem uma primeira superfície 36a voltada para a primeira superfície 38a do corpo da válvula móvel 38, e uma segunda superfície 36b voltada para a segunda superfície 38b do corpo da válvula móvel 38. O corpo da válvula móvel 38 compreende uma primeira superfície 38a com uma forma substancialmente cônica com um ápice voltado para o orifício de entrada 33. A segunda superfície oposta 38b pode ser plana, ou substancialmente plana. A primeira superfície 36a do rebaixo 36 voltada para a primeira superfície 38a do corpo da válvula móvel 38 tem uma forma substancialmente cônica conformando com a forma do corpo da válvula. No exemplo mostrado, o corpo da válvula móvel 38 compreende um corpo cônico se estendendo até uma periferia externa 38c espaçada de uma parede lateral adjacente 36c do rebaixo 36. A periferia externa 38c pode compreender uma superfície cilíndrica com uma altura predeterminada, como mostrado na Figura 2B. Alternativamente, a primeira e segunda superfícies 38a, 38b do corpo da válvula móvel 38 podem fundir diretamente na periferia externa 38c.

[0048] A Figura 3 mostra uma vista parcialmente seccionada do segundo corpo da válvula 27, usado nas modalidades das Figuras 2A e 2B. Como anteriormente descrito, o segundo corpo da válvula 27 tem uma forma geral de copo com uma abertura arranjada para ficar voltada para um primeiro corpo da válvula (vide "22/23", Figuras 2A/2B). O segundo corpo da válvula 27 é colocado em contato de vedação com o primeiro corpo da válvula e é anexado no dito primeiro corpo da válvula por meio de uma conexão rosqueada 35. A conexão rosqueada correspondente no primeiro corpo da válvula é localizada em uma seção interna cilíndrica do primeiro corpo da válvula. O segundo corpo da válvula 27 é provido com inúmeros orifícios de saída radiais 30, se estendendo radialmente para fora da porção do rebaixo 26 delimitada pelo segundo corpo da válvula 27. A porção do rebaixo 26 delimitada pelo dito segundo corpo da válvula 27 compreende a segunda substancialmente 26b e a parede lateral 26c do rebaixo 26. A parede lateral 26c do rebaixo 26 pode compreender um recorte cilíndrico parcial coincidente com cada orifício de saída radial 30, como mostrado na Figura 3, mas pode também compreender uma substancialmente cilíndrica com um diâmetro constante. As superfícies 26d localizadas entre recortes vizinhos assistem na manutenção do corpo da válvula móvel na sua posição centralizada no rebaixo 26. Entretanto, em operação, o fluxo de fluido além do corpo da válvula móvel 28, 38 normalmente fará com que o dito corpo da válvula seja centralizado automaticamente.

[0049] A Figura 3 mostra uma modalidade provida com 12 orifícios d saída distribuídos em distâncias iguais em torno da periferia do segundo corpo da válvula 27. Os orifícios de saída 30 são localizados radialmente fora do diâmetro externo do corpo da válvula móvel. O número e diâmetro dos orifícios de saída podem ser variados para se adaptar às dimensões do segundo corpo da válvula 27. A área de fluxo total dos orifícios de saída tem que ser pelo menos igual à área de fluxo do orifício de entrada no primeiro corpo da válvula. Os orifícios de saída 30 se estendem radialmente para fora através da parede anular do segundo corpo da válvula 27 até atingir um espaço anular entre um corpo anular (vide "21", Figuras 2A/2B) e o segundo corpo da válvula 27. Este espaço anular fica em conexão fluídica com o volume interno do tubo no qual o arranjo de válvula é montado. A segunda superfície 26b do rebaixo 26 é provida com 6 projeções 29 arranjadas para suportar um corpo da válvula móvel (vide "29", Figuras 2A/2B). O número de projeções 29 é preferivelmente pelo menos três e a largura e extensão radial da respectiva superfície superior de cada projeção determina a superfície de contato com o corpo da válvula móvel. O número, área superficial e localização radial são selecionados para evitar ou minimizar aderência entre as projeções e o corpo da válvula quando o corpo da válvula móvel é atuado.

[0050] A Figura 4 mostra uma vista parcialmente seccional de um segundo corpo da válvula alternativo de acordo com a invenção. O segundo corpo da válvula 47, como mostrado na Figura 4, tem uma forma geral de copo com uma abertura arranjada para ficar voltada para um primeiro corpo da válvula, da mesma maneira que o segundo corpo da válvula na Figura 3 (cf. "22/32", Figuras 2A/2B). O segundo corpo da válvula 47 é colocado em contato de vedação com o primeiro corpo da válvula (não mostrado) para formar um rebaixo 46 e é anexado no dito primeiro corpo da válvula por meio de uma conexão rosqueada 45. A conexão rosqueada correspondente no primeiro corpo da válvula fica localizada em uma seção interna cilíndrica do primeiro corpo da válvula.

[0051] O segundo corpo da válvula 47 difere do segundo corpo da válvula 27 na Figura 3 em que ele é provido com inúmeros orifícios de saída axiais 40, se estendendo axialmente para baixo a partir de uma segunda superfície inferior 46b do rebaixo 46 delimitada pelo segundo corpo da válvula 47. Como descrito com relação à Figura 3, a porção do rebaixo 46 delimitada apelo dito segundo corpo da válvula 47 compreende uma segunda superfície 46b e uma parede lateral circunferencial 46c do rebaixo 46. A parede lateral 46c do rebaixo 46 pode compreender inúmeros recortes cilíndricos parciais coincidentes com cada orifício de saída axial 40, como mostrado na Figura 4, mas podem também compreender uma superfície cilíndrica com um diâmetro constante. As superfícies 46d localizadas entre recortes vizinhos assiste na manutenção do corpo da válvula móvel na sua posição centralizada no rebaixo 46.

[0052] A Figura 4 mostra uma modalidade provida com 12 orifícios de saída distribuídos a distâncias iguais em torno da periferia do segundo corpo da válvula 47. Os eixos centrais dos orifícios de saída 40 ficam localizados de forma que eles interceptem ou passem radialmente para fora do diâmetro externo do corpo da válvula móvel. O número e diâmetro dos orifícios de saída podem ser variados para se adaptarem às dimensões do segundo corpo da válvula 47. A área de fluxo total dos orifícios de saída tem que ser pelo menos igual à área de fluxo do orifício de entrada no primeiro corpo da válvula. Os orifícios de saída 40 se estendem axialmente através da base do segundo corpo da válvula em forma de copo 47, para atingir o volume interno do tubo de produção no qual o arranjo de válvula é montado. A segunda superfície 46b do rebaixo 46 é provida com 6 projeções 49 arranjadas para suportar um corpo da válvula móvel (vide "29", Figuras 2A/2B). O número de projeções 49 é preferivelmente pelo menos três e a largura e extensão radial da respectiva superfície superior de cada projeção determina a superfície de contato com o corpo da válvula móvel. O número, área superficial e localização radial são selecionados para evitar ou minimizar aderência entre as projeções e o corpo da válvula quando o corpo da válvula móvel for atuado.

[0053] A Figura 5 mostra uma vista parcialmente seccionada de um segundo corpo da válvula alternativo de acordo com a invenção. O segundo corpo da válvula 57 mostrado na Figura 5 tem uma forma geral de copo com uma abertura maior arranjada para ficar voltada para o primeiro corpo da válvula, como mostrado na Figura 3 (cf. "22/32", Figuras 2A/2B), e uma abertura central menor 51 voltada para o volume interno do tubo de produção no qual o arranjo de válvula é montado. O segundo corpo da válvula 57 é colocado em contato de vedação com um primeiro corpo da válvula (não mostrado) para formar um rebaixo 56 e é anexado no dito primeiro corpo da válvula por meio de uma conexão rosqueada 55. A conexão rosqueada correspondente no primeiro corpo da válvula é localizada em uma seção interna cilíndrica do primeiro corpo da válvula.

[0054] O segundo corpo da válvula 57 difere do segundo corpo da válvula 47 na Figura 4 em que ele é provido com uma abertura central 51 com inúmeros rebaixos radiais 50 formando um orifício de saída comum 50, 51. O orifício de saída comum 50, 51 se estende axialmente para baixo a partir de uma segunda superfície inferior 56b do rebaixo 56 delimitada pelo segundo corpo da válvula 57. Como descrito com relação à Figura 4, a porção do rebaixo 56 delimitada pelo dito segundo corpo da válvula 57 compreende uma segunda superfície 56b e uma parede lateral circunferencial 56c do rebaixo 56. A parede lateral 56c do rebaixo 56 pode compreender inúmeros recortes cilíndricos parciais em torno do rebaixo 56, como mostrado na Figura 4, mas pode também compreender uma superfície cilíndrica com um diâmetro constante. As superfícies 56d localizadas entre recortes vizinhos assistem
na manutenção do corpo da válvula móvel na sua posição centralizada no rebaixo 46.

[0055] A Figura 5 mostra uma modalidade onde o orifício de saída combinado 50, 51 é provida com 6 rebaixos radiais 50 distribuídos em distâncias iguais em torno da periferia da abertura central 51 do segundo corpo da válvula 57. Os rebaixos radiais 50 do orifício de saída combinado 50, 51 são localizados de forma que eles se estendam radialmente para fora do diâmetro externo do corpo da válvula móvel (não mostrado). O número e raio dos rebaixos radiais 50 podem ser variados para se adaptarem às dimensões do segundo corpo da válvula 57. A área de fluxo total do orifício de saída tem que ser igual à área de fluxo do orifício de entrada no primeiro corpo da válvula. O orifício de saída combinado 50, 51 se estende axialmente através da base do segundo corpo da válvula em forma de copo 57 para atingir o volume interno do tubo de produção no qual o arranjo de válvula é montado. Os rebaixos radiais 50 são separados por 6 projeções 59 se estendendo em direção ao centro da abertura central 51. As projeções 59 são arranjadas para suportar um corpo da válvula móvel (vide "29", Figuras 2A/2B). O número de projeções 59 é preferivelmente pelo menos três e a largura e extensão radial da respectiva superfície superior de cada projeção determinam a superfície de contato com o corpo da válvula móvel. O número, área superficial e localização radial são selecionados para evitar ou minimizar aderência entre as projeções e o corpo da válvula móvel quando o corpo da válvula móvel for atuado.

[0056] É, por exemplo, possível combinar qualquer das modalidades para o corpo da válvula móvel, como mostrado nas Figuras 2A ou 2B, com qualquer um dos segundos corpos de válvula alternativos das Figuras 3-5. Além do mais, no caso de um fluxo reverso da saída para a entrada através de um arranjo de válvula de acordo com as modalidades apresentadas, os orifícios de saída são posicionados em relação ao corpo móvel de forma que uma porção principal do fluxo de fluido através das saída para os respectivos rebaixos passe sob o corpo móvel e faça com que ele feche.

Claims

Válvula (20) para controlar o fluxo de um fluido em um tubo de produção (11) de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás, o fluido compreendendo uma fase líquida e uma fase gasosa dissolvida, a válvula (20) compreendendo:
uma entrada de fluido;
um corpo móvel (28) localizado em um caminho de fluxo da entrada de fluido (23) através da válvula (20), o corpo móvel (28) sendo arranjado para mover livremente em relação a uma abertura da entrada (23) para variar a área de fluxo direto através da qual o fluido escoa por meio do efeito de Bernoulli;
em que a válvula é caracterizada pelo fato de
que dimensões da válvula (20) são tais que o fluxo do fluido além do corpo móvel (28) cause uma queda na pressão abaixo do ponto de bolha da fase gasosa na fase líquida, dessa forma aumentando o fluxo do fluido através da válvula (20),
em que as ditas dimensões fornecem um orifício de saída (30) tendo uma abertura conectada a um rebaixo (26) tendo um corpo móvel (28), o orifício de saída (30) voltado para uma superfície periférica externa (28c) ao corpo móvel (28), em que o orifício de saída (30) na abertura está disposto para guiar o fluido para fora do rebaixo (26) radialmente,
em que o orifício de saída (30) compreende múltiplas aberturas, cada qual conectada no rebaixo (26) em uma localização na superfície periférica externa (28c), ou radialmente fora dela, do corpo móvel (28);
em que as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo (26) na direção radial da válvula (20).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o corpo móvel (28) fica localizado em um rebaixo (26) na válvula, o corpo móvel (28) tendo uma primeira superfície (28a) voltada para o orifício de entrada (23) e uma segunda superfície (28b) localizada remota do orifício de entrada (23);
em que o orifício de entrada (23) é conectado no rebaixo por meio de uma abertura central de maneira tal que o fluido fique arranjado para escoar para o rebaixo (26) através da abertura central; e
o fluido fica arranjado para escoar para fora do rebaixo (26) radialmente através de uma primeira superfície do corpo móvel (28), e além de uma superfície periférica externa (28c) do dito corpo móvel (28) em direção a pelo menos um orifício de saída (30).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que uma porção principal do orifício de saída (30) é conectada no rebaixo (26) em uma posição localizada remota da abertura central relativa a um plano através da segunda superfície (28b).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo (26) de maneira tal que cada abertura fique voltada para a superfície periférica externa (28c) do corpo móvel (28).
Válvula (20) de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizada pelo fato de que o eixo central de cada abertura é arranjado em um plano localizado remoto da abertura central relativa a um plano através da segunda superfície (28b).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o orifício de saída (30) compreende múltiplas aberturas, cada abertura conectada no rebaixo (26) na direção axial da válvula (20).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo (26) no lado oposto do corpo móvel (28) relativo ao orifício de entrada (23).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o eixo central de cada abertura é conectado no rebaixo (26) de forma que cada qual coincida com a superfície periférica externa (26) do corpo móvel (28), ou passe radialmente fora dela.
Válvula (20) de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 8, caracterizada pelo fato de que o corpo móvel é suportado por pelo menos três projeções se estendendo ao interior do rebaixo (26) em direção à segunda superfície do corpo móvel (28).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o orifício de saída (30) compreende uma abertura conectada no rebaixo (26) no lado oposto do corpo móvel (28) relativo ao orifício de entrada (23).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a abertura tem uma área seccional transversal maior ou igual à segunda superfície do corpo móvel (28).
Válvula (20) de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizada pelo fato de que o corpo móvel (28) é suportado por pelo menos três projeções se estendendo radialmente para fora da circunferência periférica do rebaixo (26).
Válvula (20) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que o corpo móvel (28) compreende um de um disco circular e de uma forma cônica com o ápice voltado para o orifício de entrada (23).
Método para controlar o fluxo de um fluido em um tubo de produção de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás, o fluido compreendendo uma fase líquida e uma fase gasosa dissolvida, em que o método compreende deixar que o fluido passe através de uma válvula (20), a válvula compreendendo uma entrada de fluido (23) e um corpo móvel (28) localizado em um caminho de fluxo através da válvula (20), o corpo móvel (28) sendo arranjado para mover livremente em relação à abertura da entrada (23) para variar a área de fluxo direto através da qual o fluido escoa por meio do efeito de Bernoulli,
em o método é caracterizado pelo fato de que
dimensões da válvula (20) são tais que o fluxo do fluido além do corpo móvel (28) cause uma queda na pressão abaixo do ponto de bolha da fase gasosa na fase líquida, dessa forma aumentando o fluxo do fluido através da válvula (20);
as ditas dimensões fornecem um orifício de saída (30) tendo uma abertura conectada a um rebaixo (26) tendo um corpo móvel (28), o orifício de saída (30) voltada para uma superfície periférica externa (28c) ao corpo móvel (28), em que o orifício de saída (30) na abertura está arranjado para guiar o fluido para fora do rebaixo (26) radialmente; e
o orifício de saída (30) compreende múltiplas aberturas, cada qual conectada no rebaixo (26) em uma localização na superfície periférica externa (28c), ou radialmente fora dela, do corpo móvel (28);
em que as múltiplas aberturas são cada qual conectadas no rebaixo (26) na direção radial da válvula (20).