BR112016001547B1

BR112016001547B1 - Dispositivo de bloco de bombeamento com circuito de contorno integrado

Info

Publication number: BR112016001547B1
Application number: BR112016001547-9A
Authority: BR
Inventors: Pierre-Jean Bibet; Jean-Luc Le Rodallec; Olivier Saincry
Original assignee: Total Sa
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2022-05-10
Also published as: FR3009035A1; US9920885B2; FR3009035B1; WO2015011368A1; US20160290331A1; BR112016001547A2

Abstract

dispositivo de bloco de bombeamento com circuito de contorno integrado. a presente invenção se refere a um dispositivo de bloco de bombeamento (110) polifásico que compreende uma bomba (110) própria para bombear um fluido de bombeamento e um circuito de contorno (157). esse circuito de contorno é próprio para permitir o escoamento de um fluido de uma zona a montante da bomba para uma zona a jusante da bomba contornando para isso a bomba. esse último compreende pelo menos uma válvula automática antirretorno (113) própria para bloquear o escoamento do fluido da zona a jusante da bomba para a zona a montante da bomba. além disso, o dispositivo de bloco de bombeamento é próprio para ser conectado a um conjunto de circuitos de bombeamento, o dito conjunto de circuitos compreendendo um circuito de contorno principal (152) próprio para permitir o escoamento de um fluido de uma zona a montante do bloco de bombeamento conectado para uma zona a jusante do bloco de bombeamento conectado contornando para isso o dito bloco de bombeamento conectado. finalmente, o dispositivo de bloco de bombeamento é disposto para ser desconectado do dito conjunto de circuitos para manutenção.

Description

[0001] A presente invenção se refere ao domínio do bombeamento polifásico, notadamente no domínio do bombeamento de fluidos no âmbito de poços de perfuração petroleiros submarinos.

[0002] Para as arquiteturas de estações de bombeamento submarinas clássicas, foi durante muito tempo habitual utilizar bombas pouco potentes (< 1 MW) e que têm um diferencial de pressões relativamente pequeno (i.e. pequenos ΔP, < 50 bars).

[0003] Com o avanço dos progressos técnicos, bombas de maiores potências devem ser utilizadas (cerca de 2.5 MW), por exemplo em projetos ditos “Offshore profundos” (ou projeto de perfuração profunda no mar) recentes como o projeto Pazflor e o projeto GirRI. Essas bombas podem ser capazes de gerar um diferencial de pressão ΔP de cerca de 130 bars.

[0004] Essas novas bombas podem notadamente ser: • bombas ditas “MPP” (para “multiphase pump” em inglês) de grande aumento (ou “High Boost” em inglês); • bombas híbridas.

[0005] Se a potência dessas bombas foi aumentada, os dispositivos de bombeamento que acompanha essas bombas não evoluíram (i.e. estações de bombeamento fora as bombas).

[0006] No entanto, tais dispositivos não são isentos de defeitos.

[0007] De fato, se esses dispositivos de bombeamento respondiam às características das bombas de pequenas potências, as tensões de funcionamento das bombas de grandes potências impõem melhorar esses dispositivos.

[0008] A presente invenção vem melhorar a situação.

[0009] Com essa finalidade, a presente invenção propõe um dispositivo de bloco de bombeamento polifásico que compreende: • uma bomba própria para bombear um fluido de bombeamento; • um circuito de contorno próprio para permitir o escoamento de um fluido de uma zona a montante da bomba para uma zona a jusante da bomba contornando para isso a bomba, o circuito de contorno compreendendo pelo menos uma válvula automática antirretorno própria para bloquear o escoamento do fluido da zona a jusante da bomba para a zona a montante da bomba.

[0010] O dispositivo de bloco de bombeamento é próprio para ser conectado a um conjunto de circuitos de bombeamento, o dito conjunto de circuitos compreendendo um circuito de contorno principal próprio para permitir o escoamento de um fluido de uma zona a montante do bloco de bombeamento conectado para uma zona a jusante do bloco de bombeamento conectado contornando para isso o dito bloco de bombeamento conectado.

[0011] O dispositivo de bloco de bombeamento é disposto para ser desconectado do dito conjunto de circuitos para manutenção.

[0012] É chamada de “zona a jusante da bomba” uma zona conectada na saída da bomba.

[0013] É chamada de “zona a montante da bomba” uma zona conectada na entrada da bomba.

[0014] A zona a montante (respectivamente a zona a jusante) da bomba pode ser vantajosamente próxima da entrada (respectivamente da saída) da bomba e estão no interior do bloco de bombeamento. De fato, o circuito de contorno permite criar uma derivação dentro do próprio bloco de bombeamento, esse bloco de bombeamento podendo ser extraído (“retrievable” em inglês) facilmente em relação ao resto da estação de bombeamento. Essa extração pode permitir notadamente substituir certas peças defeituosas do bloco de bombeamento (como válvulas, impulsores, etc. ou todas outras peças submetidas a grandes tensões ou solicitações).

[0015] A válvula automática antirretorno situada no circuito de contorno pode permitir limitar a recirculação de fluido bombeado quando a bomba está ativa e funcional, e quando o diferencial de pressão entre a entrada e a saída da bomba é positivo.

[0016] O conjunto formado pelo conjunto de circuitos de bombeamento e o dispositivo de bloco de bombeamento pode ser chamado de “estação de bombeamento”.

[0017] Em caso de partida da bomba, esse circuito de contorno pode permitir evitar deixar a produção natural escoar através da bomba e assim evitar qualquer desgaste anormal dessa última (ex. guarnições mecânicas).

[0018] Com o auxílio desse circuito de contorno integrado ao bloco de bombeamento, a partida da bomba pode ser dada sem utilizar o circuito de contorno principal tradicionalmente utilizado com essa finalidade.

[0019] Em um modo de realização, o dispositivo de bloco de bombeamento pode compreender por outro lado um antirretorno próprio para bloquear o escoamento de um fluido da zona a jusante da bomba para a bomba.

[0020] Assim, a válvula automática antirretorno pode proteger a bomba de qualquer refluxo ou escoamento de fluido anormal e que pode provocar uma degradação da bomba.

[0021] Além disso, o circuito de contorno compreende por outro lado uma válvula própria para controlar o escoamento de um fluido dentro do circuito de contorno. Essa válvula pode ser uma válvula de tipo “choke valve” ou “on-off valve”.

[0022] Em caso de paralisação da bomba, pode ser útil abrir essa válvula a fim de equilibrar as pressões a montante e a jusante da bomba. Essa abertura pode permitir evitar utilizar o circuito de contorno principal e assim limitar o desgaste dessas diferentes peças como suas válvulas.

[0023] Outras características e vantagens da invenção aparecerão ainda com a leitura de descrição que vai se seguir. Essa última é puramente ilustrativa e deve ser lida em referência aos desenhos anexos nos quais: • a figura 1 ilustra um exemplo de estação de bombeamento submarina em um modo de realização especial da invenção; • a figura 2 ilustra um exemplo de diagrama de funcionamento de uma bomba polifásica em um modo de realização da invenção.

[0024] A figura 1 ilustra um exemplo de estação de bombeamento submarina em um modo de realização especial da invenção.

[0025] Essa estação de bombeamento compreende: • uma entrada 102 conectada após poços de produção; • uma saída 120 conectada à linha de produção e que permite levar o fluido bombeado até a superfície; • circuitos de bombeamentos 151 a 161 que permitem fazer circular o fluido bombeado; • válvulas 103 a 106, 108, 109, 112, 116 a 119. Essas válvulas podem ser válvulas de abertura variável (ou “choke valves” em inglês), válvulas “on-off”, ou todos os outros tipos de válvulas. Certas válvulas podem ser vantajosamente válvulas que se abrem ou se que fecham automaticamente em caso de falha do sistema de controle das mesmas (hidráulico ou elétrico por exemplo) como por exemplo as válvulas 103 ou 104, 116 ou 117; • uma bomba 110; • um reservatório misturador 107 (ou “mixer tank” em inglês). Por ocasião de bombeamento em condições de escoamento não constante, a bomba deve enfrentar condições de funcionamento que podem variar de maneira brutal (tampão de líquido sem gás ou tampões de gás). A mudança rápida dessas condições pode provocar bruscas variações de carga ao nível da bomba, e pode causar problemas mecânicos ou falhas ao nível do rotor dessa última. Um reservatório misturador permite misturar o líquido e homogeneizar o mesmo antes de fazê-lo atravessar a bomba. Assim, o reservatório misturador pode permitir limitar a flutuação de torque da árvore no decorrer do bombeamento e portanto as degradações da bomba; • válvulas automáticas antirretorno 111 e 113; • um medidor de vazão polifásico 114 (ou MPFM ou “multiphase flow meter” em inglês). Um medidor de vazão polifásico é um dispositivo utilizado para realizar medições no fluido bombeado (misturas de petróleo, de água e de gases produzidos) no decorrer do processo de produção; • um reservatório separador 115 (ou “splitter tank” em inglês) permite separar o líquido, o gás e os sólidos em suspensão no líquido (como a areia, etc.). A título de ilustração, é possível utilizar a decantação para realizar essa separação. Assim, devido à massa volúmica respectiva das mesmas, as diferentes fases se separam: os materiais mais pesados se encontrando no fundo do reservatório. Em função da altura de captura (i.e. altura de recuperação dentro do reservatório), é possível recuperar ou as matérias solidas (i.e. captura baixa) ou as matérias líquidas (i.e. captura em altura média) ou gases (i.e. captura alta). É também possível recuperar uma mistura de diferentes fases pois a separação das diferentes fases pode não estar completa.

[0026] Os elementos 110 a 114 e 156 a 158 constituem um bloco de bombeamento 101 que pode ser extraído (“retrievable” em inglês) da estação de bombeamento. Por exemplo, essa extração permite fazer o bloco de bombeamento 101 subir à superfície por questões de manutenção técnica (ex. consertos).

[0027] Em regime de funcionamento normal e estabelecido, o circuito 151 é conectado ao poço de bombeamento perfurado no subsolo marinho. Assim, o fluido de bombeamento circula dentro desse último.

[0028] A válvula 103 é fechada a fim de evitar que esse fluido circule no circuito de contorno principal 152 (i.e. “Main Bypass” em inglês). A válvula 104 é mantida na posição aberta mas ela pode ser ativada por solicitação para corrigir a falha da válvula 103.

[0029] Essas duas válvulas 103 e 104 são chamadas de as válvulas “Main Bypass Valves” ou MBPV.

[0030] Quando a bomba 110 funciona, a válvula 103 é então fechada, e “sofre” o diferencial de pressão ΔP gerado pela bomba 110 e/ou imposto pelo sistema.

[0031] Em caso de paralisação da bomba 110, pode ser necessário abrir rapidamente a válvula 103 a fim de equilibrar as pressões a montante e a jusante do dispositivo de bombeamento 100 apresentado na Figura 1. Assim, se a válvula 103 e a válvula 104 são abertas no máximo, elas permitem equilibrar as pressões e depois assegurar uma produção livre (produção em modo “Free Flow”) através do circuito de contorno principal 152. O circuito 161 é conectado à linha de produção na direção da superfície (direção 120).

[0032] Em uma tala situação de paralisação da bomba, a válvula 103 se abre sob um diferencial de pressão grande ΔP, e por ocasião de sua abertura, fluidos polifásicos transitam por essa válvula 103: gases, areias, hidrocarbonetos, etc. Essa válvula é portanto bastante solicitada de um ponto de vista mecânico durante as fases de abertura.

[0033] Em caso de falha de um elemento mecânico dessa válvula 103, não é possível simplesmente lavá-la para a superfície a fim de consertá-la pois seu posicionamento na estação de bombeamento 100 não o permite (fala-se de válvula “non retrievable”). De fato, se o bloco de bombeamento pode ser separado de maneira relativamente simples, as outras peças da estação de bombeamento são instaladas quase permanentemente e a manutenção dessas últimas necessita na maior parte das vezes a utilização de veículos submarinos operados à distância (ou RUV para “Remote operated Underwater Vehicle” em inglês) ou de veículos submarinos autônomos (ou AUV para “Autonomous Underwater Vehicle” em inglês).

[0034] Assim, pode ser útil prever uma válvula 104 na hipótese em que a válvula 103 viesse a para de funcionar (ex. quebra de uma peça mecânica tornando a válvula 103 não estanque). A esperança de vida de uma tal combinação (elementos 103 e 104) pode assim ser dobrada.

[0035] Além disso, em regime de funcionamento normal e estabelecido, as válvulas 105, 106, 108, 109, 119, 118 são abertas permitindo assim que o fluido bombeado escoe dentro do reservatório misturador 107. Esse fluido de bombeamento misturado atravessa então a bomba 110 graças ao circuito 156.

[0036] Essa bomba 110 pode ser por exemplo uma bomba de parafuso duplo (de tipo “Twin Screw MPP” em inglês) ou uma bomba helicoidal (de tipo “Helicoaxial MPP” em inglês).

[0037] Na saída da bomba 110, uma válvula automática antirretorno 111 é posicionada no circuito 156 a fim de evitar, em caso de paralisação da bomba, que a sobrepressão na saída da bomba 110 provoque um refluxo na bomba e a danifique.

[0038] Além disso, em paralelo do circuito 156, um circuito de contorno 157 (ou “bypass” em inglês) é utilizado para permitir um cotorno da bomba 110 pelo fluido de exploração no momento da partida, quando a pressão na linha 156 é superior à pressão na linha 158. Em caso de partida da bomba 110, é de fato útil evitar deixar a produção natural do poço (i.e. a produção dita “Free Flow” em inglês) escoar através da bomba 110.

[0039] Esse contorno pode ser chamado de “contorno integrado” (ou “integrated bypass” em inglês) pois esse contorno é integrado ao bloco de bombeamento 101 e pode ser retirado com esse último.

[0040] O circuito 157 é nesse caso munido de uma válvula 112 e de uma válvula automática antirretorno 113. Em caso de falha da bomba 110, pode ser útil abrir a válvula 112 a fim de equilibrar as pressões a montante e a jusante do bloco de bombeamento 101. Essa abertura pode permitir evitar abrir a válvula 103 (caso descrito precedentemente) e assim limitar seu desgaste. O desgaste é nesse caso suportado pelas peças da válvula 112 mas essa última pode ser mais simples de consertar visto que ela pode ser extraída (com o bloco de bombeamento 101) para ser consertada na superfície.

[0041] É portanto habitual abrir a válvula 103 que controla o escoamento no contorno principal 152 a fim de deixar a produção natural escoar, e depois dar a partida suavemente na bomba: essa última pode nesse caso funcionar temporariamente em sobrevazão devido à pequena resistência oferecida pelo fluido. A válvula 103 é então fechada por um operador que controla para isso os parâmetros de funcionamento da bomba até o fechamento completo da válvula 103.

[0042] Esse processo pode ser complexo e a utilização de um contorno integrado 157 como apresentado pela figura 1 pode simplificá-lo.

[0043] A partida da bomba 110 pode ser dada com a válvula 103 fechada. Em contrapartida, a válvula 112 é aberta.

[0044] A produção natural do poço passa então, em um primeiro tempo, através do circuito de contorno integrado 157. Por ocasião da partida da bomba nessa configuração, a bomba 110 vai fazer progressivamente aumentar o diferencial de pressão entre sua entrada e sua saída. Desde então, a válvula automática antirretorno 113 no circuito 157 se fecha naturalmente. Se a válvula automática 113 se fecha, a bomba trabalha em resistência sobre o fluido de produção e não pode funcionar em sobrevazão.

[0045] A parida é nesse caso automática para o operador e a válvula 103 não é mecanicamente solicitada para a partida da bomba.

[0046] O fluido de produção é então injetado no medidor de vazão polifásico 114 a fim de controlar os diferentes parâmetros na saída de bomba.

[0047] Esse fluido de produção é nesse caso injetado dentro de um reservatório separador 115. Um circuito 159 é então fincado nesse reservatório 115 de maneira a recupera um liquido (não necessariamente que interessa à produção). O circuito 160 permite uma reinjeção de líquido dentro do reservatório misturador 107. De fato, isso pode ser útil a fim de evitar, em caso de presença de um grande volume de gás (i.e. tampões de gás) nos circuitos de produção, fazer a bomba 110 partir em subvazão e deteriorá-la. É portanto útil fazer circular na bomba um mínimo para proteger a bomba 110.

[0048] Para fazer isso, é possível abrir se for necessário uma válvula situada na linha de reciclagem 160 (ou “recycle line” em inglês) a fim de controlar o fluxo de líquido na direção de uma zona a montante da bomba 110 (aqui, na direção do reservatório misturador) e reutilizar o líquido para evitar fazer funcionar a bomba 110 vazia ou fazer funcionar um de seus estágios de bombeamento a um regime de funcionamento que pode deteriorá-la.

[0049] No entanto, essas válvulas são com frequência válvulas hidráulicas ativadas (de tipo “actuated valve” em inglês). Esse tipo de válvulas tem tempos de abertura e de fechamento de vários minutos e não permitem satisfazer as restrições de rapidez ligadas ao aparecimento de grande bolhas gasosas nas linhas de produção.

[0050] Para superar esse problema, é possível substituir a válvula hidráulica ativada mencionada precedentemente por um conjunto de válvulas em série composto por: • uma válvula 117 hidráulica ativada e • uma válvula 116 de tipo “on-off” da qual a abertura é comandada pela liberação de uma mola (i.e. “de-energizing” em inglês). Assim, a abertura é imediata, mas não é possível escolher a relação de fechamento da válvula: ou ela está completamente aberta, ou ela está completamente fechada.

[0051] Graças a esse conjunto, é possível comandar a válvula 117 para obter de maneira constante uma pré-abertura que corresponde à vazão mínima de proteção da bomba.

[0052] Assim, em caso de presença de um grande volume de gás (i.e. bolhas de gás) nos circuitos de produção, a válvula 116 pode ser aberta muito rapidamente e coloca em linha a válvula 117 regulada em sua pré-abertura. Evidentemente, a pré- abertura da válvula 117 pode variar no tempo em função dos diferentes parâmetros de funcionamento da bomba como a potência consumida ou o regime da bomba.

[0053] A bomba está nesse caso protegida em um prazo muito curto.

[0054] A figura 2 ilustra um exemplo de diagramas de funcionamento de uma bomba polifásica rotodinâmica em um modo de realização de acordo com a invenção.

[0055] A primeira curva de funcionamento GVF70 ilustra o funcionamento de um estágio dessa bomba para um “GVF” de 70 %. O GVF (ou “Gas Volume Fraction” em inglês) representa a fração do volume de gás em relação ao volume total.

[0056] Se a bomba funciona de maneira estabelecida com um “GVF” de 70 %, o ponto de funcionamento desse estágio para um funcionamento ideal da bomba pode corresponder ao ponto 201.

[0057] Deve ser notado que o ponto de funcionamento desse estágio para um funcionamento ideal da bomba não corresponde necessariamente ao ponto de funcionamento ideal desse estágio sozinho. De fato, a bomba compreendendo um grande número de estágios, esses dois pontos podem ser distintos considerando o funcionamento dos outros estágios.

[0058] Assim, o volume bombeado é de TF1 m3/h.

[0059] A curva de vazão mínima para esse estágio de bomba e para um GVF de 70 % pode ser materializada pelo segmento de curva 211: um ponto de funcionamento desse estágio situado à esquerda desse segmento 211 corresponde a um sub-regime do estágio, regime que pode deteriorar esse último.

[0060] Por ocasião de uma mudança brutal da composição do fluido bombeado (ex. tampão de gás), o GVF do fluido pode variar passando por exemplo para 90 %.

[0061] A segunda curva de funcionamento GVF90 ilustra o funcionamento de um estágio dessa bomba para um “GVF” de 90 %.

[0062] A curva de vazão mínima para esse estágio de bomba e para um GVF de 90 % pode ser materializada pelo segmento de curva 212.

[0063] Evidentemente, devido a essa variação brutal, o ponto de funcionamento do estágio pode ser modificado: esse último pode nesse caso ser deslocado para a esquerda ao ponto 202 (a diferença de pressão ΔPi sendo considerada como constante para a escala de tempo pertinente à colocação em proteção da bomba).

[0064] Assim, o ponto de funcionamento 202 corresponde a um regime de subregime para esse estágio. Pode ser útil que esse regime não seja mantido durante um período de tempo grande demais.

[0065] Em referência à figura 1, é possível abrir as válvulas 116 e 117 (como descrito acima) a fim de reinjetar a montante da bomba um líquido retirado a jusante dessa última e assim “levar de volta” o estágio para um modo de funcionamento não perigoso para o estágio ou a bomba (i.e. deslocar o ponto 202 para a direita).

[0066] Evidentemente, a presente invenção não se limita às formas de realização descritas acima a título de exemplos; ela se estende a outras variantes.

[0067] Outras realizações são possíveis.

[0068] Por exemplo, algumas válvulas apresentadas pela figura 1 podem não estar presentes ou ser agrupadas.

[0069] Além disso, vários blocos de bombeamento podem ser utilizados em paralelo a fim de aumentar a potência de bombeamento. Assim, cada bloco de bombeamento pode dispor de um reservatório de separação próprio e de uma linha de reciclagem própria.

Claims

1. Dispositivo de bloco de bombeamento (110) polifásico, caracterizado pelo fato de que compreende: • uma bomba (110) própria para bombear um fluido; • um circuito de contorno (157) próprio para permitir o escoamento do fluido de uma zona a montante da bomba para uma zona a jusante da bomba contornando para isso a bomba, o dito circuito de contorno compreendendo pelo menos uma válvula antirretorno (113) própria para bloquear o escoamento do fluido da zona a jusante da bomba para a zona a montante da bomba; em que o dito dispositivo de bloco de bombeamento é conectado a um conjunto de circuitos de bombeamento; em que o dito conjunto de circuitos de bombeamento compreendem um circuito de contorno principal (152) próprio para permitir o escoamento do fluido de uma zona a montante do dispositivo de bloco de bombeamento para uma zona a jusante do dispositivo de bloco de bombeamento contornando para isso o dito bloco de bombeamento; e em que o dito dispositivo de bloco de bombeamento é disposto para ser desconectado do dito conjunto de circuitos para manutenção.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de bloco de bombeamento compreende por outro lado uma válvula antirretorno (111) própria para bloquear o escoamento do fluido da zona a jusante da bomba para a bomba.

3. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o circuito de contorno compreende ainda uma válvula (112) própria para controlar o escoamento do fluido dentro do circuito de contorno.