BR112016003210B1

BR112016003210B1 - Motor de subsuperfície para bomba submergível

Info

Publication number: BR112016003210B1
Application number: BR112016003210-1A
Authority: BR
Inventors: Suresha R. O'bryan; Ketankumar K. Sheth; Risa Rutter; Michael Forsberg
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2023-11-14
Also published as: NO20160377A1; AU2014308930B2; GB2533064A; AU2014308930A1; BR112016003210A8; GB2533064B; GB201602727D0; WO2015026917A1

Abstract

MOTORES DE SUBSUPERFÍCIE COM SENSORES DE FIBRAS ÓTICAS. A presente invenção refere-se aos motores de subsuperfície para uso com bomba submergível elétrica que incluem um ou mais sensores de fibras óticas para detectar parâmetros operacionais do motor tais como temperatura, vibração e pressão. Sensores de fibras óticas são dispostos axialmente ao longo de um caminho dentro de partes não seladas do motor.

Description

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido U.S. No. 13/971521, depositado em 20 de agosto de 2013, o qual está incorporado a este documento pela referência na sua totalidade.

Antecedentes da Invenção Campo da Invenção

[002] A invenção diz respeito de uma maneira geral a motores de subsuperfície do tipo que é usado dentro de bombas submergíveis elétricas (ESPs). Em aspectos particulares, a invenção diz respeito às técnicas para monitorar parâmetros operacionais de tais motores usando fibras óticas.

2. Descrição da Técnica Relacionada

[003] Bombas submergíveis elétricas (ESPs) são usadas rotineira mente na produção de hidrocarboneto de poços. Uma ESP típica inclui um motor de subsuperfície que converte a potência mecânica para operar uma bomba e componentes associados, tal como um separador de gás. Motores de subsuperfície incluem um estator e um rotor que é móvel rotativamente com relação ao estator. Um alojamento circunda o estator e rotor.

[004] Convencionalmente, fibras óticas têm sido colocadas em um motor de ESP ao dispô-las totalmente fora do motor (isto é, montadas fora do alojamento de motor) ou dentro de uma área selada do motor tal como o compartimento de enrolamento, o qual é enchido com epóxi ou verniz selador. O uso de sensores de fibras óticas dentro das câmaras de enrolamento seladas do estator do motor é discutido na Publicação de Patente U.S. número 2011/0002795 para Brookbank. Por causa de a Publicação de Patente U.S. número 2011/0002795 pertencer ao requerente do presente pedido, a Publicação de Patente U.S. número 2011/0002795 está incorporada a este documento na sua totalidade pela referência. Na publicação de patente de Brookbank, as fibras óticas ficam localizadas dentro das câmaras de enrolamento ao lado de condutores elétricos que passam pelas câmaras de enrolamento. A fibra é disposta através das câmaras de enrolamento por meio de laço através de lados substancialmente opostos do estator. Isto permite que a fibra forneça duas pernas paralelas. Dobramento ou deformação do estator colocará uma das pernas opostas em tensão e a outra em compressão. Descontinuidades óticas em cada uma das pernas serão deslocadas axialmente, e a detecção deste movimento axial relativo permite medição de dobramento ou deformação do estator. Colocação das fibras neste modo torna as fibras amplamente incapazes de detectar certos parâmetros de operação, tais como temperatura, uma vez que as fibras e seus tubos de proteção circundantes são selados dentro de material que é amplamente isolante e impossibilita transferência de calor.

Sumário da Invenção

[005] A presente invenção fornece dispositivos para detectar parâmetros operacionais associados com um motor que é usado dentro de uma ESP. Os parâmetros operacionais que são detectados podem incluir temperatura, pressão, vibração, viscosidade, potência e amperagem. As fibras óticas são usadas em associação com equipamento de processamento baseado em superfície que pode gravar e armazenar dados fornecidos pelas fibras óticas. Em certas modalidades, as fibras óticas que são usadas permitem detecção de um único ponto ou, alternativamente, detecção de múltiplos pontos distribuídos.

[006] Em modalidades descritas, as fibras óticas ou feixes de fibras são dispostos ao longo de um caminho axial dentro de partes não seladas do motor, permitindo detecção de parâmetros operacionais. Em certas modalidades, as fibras óticas ou feixes de fibras óticas ficam localizados dentro de um rasgo de chaveta que é formado no diâmetro interno do estator do motor. Ainda em outras modalidades, os sensores de fibras óticas são dispostos dentro ou sobre o eixo do motor.

[007] Em cada uma das modalidades descritas, as fibras óticas e/ou feixes de fibras são dispostos em uma orientação amplamente axial com relação ao motor. Como resultado, as fibras/feixes de fibras são capazes de obter dados em um ou mais pontos ao longo do eixo geométrico do motor. Métodos de fibras óticas convencionais são usados primariamente para detectar parâmetros operacionais associados com o motor. De acordo com o método Bragging de fibras, redes de Bragg são formadas em pontos predeterminados ao longo de uma fibra. Redes de Bragg particulares são sensíveis às mudanças de temperatura enquanto que outras redes de Bragg são sensíveis à deformação e podem ser usadas para medir vibração. A fim de medir temperatura, redes de Bragg em fibras preferivelmente não são expostas à pressão externa significativa. Quando usadas para medir vibração, redes de Bragg em fibras devem ser fixadas aos componentes de equipamento.

[008] Em modalidades preferidas, fibras óticas ou feixes de fibras que são incorporados ao motor são passados por um acessório de epóxi localizado na extremidade inferior do motor e, em seguida, para dentro de um copo de gerenciamento de fibras em que as fibras podem ser unidas para se juntar em um cabo de fibra ótica que resulta na superfície do poço.

Breve Descrição dos Desenhos

[009] Para um entendimento completo da presente invenção, é feita referência para a descrição detalhada a seguir das modalidades preferidas, consideradas em associação com os desenhos anexos, em que números de referência iguais designam elementos iguais ou similares por todas as diversas figuras dos desenhos e em que:

[0010] A figura 1 é uma vista seccional transversal de um furo de poço exemplar contendo uma bomba submergível elétrica.

[0011] A figura 2 é uma vista isométrica de um motor de subsuper- fície exemplar, parcialmente recortado, e representando uma colocação exemplar de fibras óticas para medição de vibração e temperatura de acordo com a presente invenção.

[0012] A figura 3 é uma vista superior de partes de um estator exemplar que é usado com o motor mostrado na figura 2.

[0013] A figura 4 é uma vista detalhada de uma montagem de rasgo de chaveta e fibra ótica exemplar usada com o motor mostrado na figura 2.

[0014] A figura 5 ilustra a colocação exemplar de uma fibra ótica dentro de um eixo de motor.

[0015] A figura 6 é uma representação de colocação exemplar de uma fibra ótica com relação a um eixo de motor e chave.

[0016] A figura 6A representa a colocação exemplar de uma fibra ótica em um rasgo de chaveta de rotor.

[0017] A figura 7 ilustra a extremidade inferior de um motor exemplar e componentes associados.

[0018] A figura 8 ilustra equipamento baseado em superfície que é associado operacionalmente com sensores de fibras óticas.

[0019] A figura 9 ilustra um arranjo de rede de Bragg ao longo de uma fibra ótica útil para detecção de parâmetros operacionais dentro de um motor.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

[0020] A figura 1 representa um furo de poço exemplar 10 que foi perfurado na terra 12 para alcançar uma formação de hidrocarboneto subterrânea 14. O furo de poço 10 tem o revestimento metálico 16 de um tipo conhecido na técnica. As perfurações 18 são dispostas através do revestimento 16 e para a formação 14.

[0021] A tubulação de produção 20 está disposta dentro do furo de poço 10, tendo sido abaixada da superfície em um modo conhecido na técnica. A tubulação de produção 20 pode ser uma coluna de componentes de tubulação de produção que são interligados por meio de rosca ou ela pode ser tubulação flexível contínua. Uma montagem de bomba submergível elétrica (ESP) 22 é fixada à extremidade inferior da tubulação de produção 20. A montagem ESP exemplar 22 inclui uma bomba centrífuga 24 que é fixada na sua extremidade inferior a uma vedação 32 ou a um separador de gás (não mostrado).

[0022] Uma seção de vedação 32, de um tipo conhecido na técnica, interliga a extremidade inferior da bomba 24 a um motor 34. O motor 34 é de um tipo conhecido na técnica e pode ser um motor elétrico trifásico. A seção de vedação 32 também é de um tipo conhecido na técnica e é capaz de equalizar a pressão do lubrificante contido dentro do motor 34 com fluido de poço no exterior do motor 34.

[0023] Detalhes adicionais se relacionando com a construção e operação de montagens de bombas submergíveis elétricas e separadores de gases podem ser encontrados na Publicação de Patente U.S. No. US 2009/0065202 que pertence ao requerente do presente pedido. A Publicação de Patente U.S. No. US 2009/0065202 está incorporada a este documento na sua totalidade pela referência.

[0024] A figura 2 representa partes internas do motor 34. O motor 34 inclui um rotor central 42 e um estator 44 que circunda radialmente o rotor 42. Durante operação, o rotor 42 gira com relação ao estator 44. O rotor 42 de uma maneira geral é cilíndrico em forma e encerra um furo central 46. Os elementos magnéticos 48, tais como núcleos de cobre, são dispostos dentro do rotor 42. Os compartimentos de enrolamento elétrico axiais 50 são formados dentro do estator 44 e contêm os fios 52 que formam o enrolamento. Um suporte rotativo 54 é fornecido entre dois rotores 42 ou entre o eixo 49 e o estator 44. O furo central 46 do rotor 42 inclui os rasgos de chaveta 45 que são modelados e dimensionados para encaixar com uma chaveta complementar 47 no eixo de motor giratório 49. Tal como é conhecido, o eixo de motor 49 é inserido no furo central 46 do rotor 42 (e uma chaveta 47 é inserida no rasgo de chaveta 45) e é girado pelo rotor 42 quando o motor 34 é energizado.

[0025] É notado que o estator 44 tipicamente é formado de um número de placas finas, conhecidas como os laminados 56 que são empilhados e presos uns aos outros. Uma abertura central 58 é formada pela superfície radial interna 59 do estator 44. O rotor 42 é disposto dentro da abertura central 58. Os rasgos de chaveta 60 são formados dentro do estator 44 e abrem para a abertura central 58. Em modalidades particulares, os rasgos de chaveta 60 têm uma forma de U e podem ter uma largura de cerca de 1,778 milímetro (0,070 polegada) e uma profundidade de cerca de 1,778 milímetro (0,070 polegada). As figuras 3 e 4 fornecem vistas superiores do estator 44 sem os fios 52 e mostram os rasgos de chaveta 60 mais claramente. Em modalidades particulares, existem dois rasgos de chaveta 60 formados dentro do estator 44. As ranhuras axiais 61 são formadas na superfície externa radial do estator 44.

[0026] Um feixe de fibras óticas 62 é disposto em pelo menos um dos rasgos de chaveta 60. A figura 4 representa um feixe de fibras óticas exemplar 62 que inclui uma fibra ótica 64 que é usada para detectar vibração em uma ou mais localizações ao longo do comprimento axial do estator 44. O feixe 62 preferivelmente também inclui uma fibra ótica 66 que é usada para detectar temperatura em uma ou mais localizações ao longo do comprimento axial do estator 44. Em uma modalidade preferida, a fibra 66 é circundada por um tubo de proteção 68. Em modalidades particulares, o tubo de proteção 68 é formado de PEEK (poliéter éter cetona) ou de um material substancialmente rígido e resiliente similar.

[0027] Para construir o motor 34 tendo o feixe de fibras óticas 62 retido dentro do rasgo de chaveta 60, os laminados individuais 56 são fixados uns aos outros para formar o estator 44 com o rasgo de chaveta 60. Em seguida, o feixe de fibras óticas 62 é disposto dentro do rasgo de chaveta 60.

[0028] As figuras 5, 6 e 6A ilustram colocações exemplares de uma fibra ótica ou feixe de fibras com relação a um eixo de motor 49. A figura 5 ilustra uma fibra ótica 76 que fica localizada dentro da passagem axial interna 78 do eixo de motor 49. A figura 6 representa um arranjo alternativo em que a fibra 76a fica localizada dentro de um rasgo de chaveta axial 80 que é formado na circunferência externa do eixo de motor 49.

[0029] A figura 6A ilustra um arranjo alternativo adicional em que uma fibra 76b é disposta dentro de um rasgo de chaveta não utilizado 45 no rotor 42. Na modalidade representada, existem dois rasgos de chaveta 45 formados no rotor 42 e que ficam localizados em localizações diametralmente opostas no rotor 42. Um rasgo de chaveta 45 é usado para ter a chaveta 47 colocada no mesmo. O rasgo de chaveta 45 oposto não é utilizado e por esta razão disponível para ter a fibra 76b contida no mesmo.

[0030] A figura 7 representa a extremidade inferior do motor 34 que inclui um acessório cilíndrico 37. O acessório 37 tipicamente é formado de epóxi e funciona para coletar e organizar os cabos de alimentação de motor 42 enquanto permitindo que as fibras óticas/feixes de fibras 62, 76 e 76a passem por ele. As fibras óticas/feixes de fibras 76, 76a, 76b tenderão a girar durante operação e por esta razão são dispostas através de uma junta de fibras óticas rotativa 88 abaixo do acessório 37. Juntas de fibras óticas rotativas adequadas para uso nesta aplicação incluem juntas de fibras óticas rotativas que estão disponíveis comercialmente pela Moog Components Group de Halifax, Nova Escócia, Canadá. Os encaixes CONAX™ 89, 90 são fixados à tubulação rígida 91 através dos quais as fibras 76, 76a, 76b e 62 passarão do motor 34 para o copo de gerenciamento de fibras 39 abaixo.

[0031] O copo de gerenciamento de fibras 39 contém uma bandeja de junção 92 que permite que as fibras ou feixes de fibras individuais sejam juntados e incorporados ao cabo de fibras óticas 41 que se estenderá para equipamento baseado em superfície. Um copo de gerenciamento de fibras adequado para uso nesta aplicação é o SUREVIEW™ ESP Optic Stinger que está disponível comercialmente pela Baker Hughes Incorporated de Houston, Texas.

[0032] A figura 8 ilustra um equipamento baseado em superfície exemplar para o qual o cabo de fibras óticas 41 pode ser encaminhado. O cabo de fibras óticas 41 é interligado operacionalmente com um processador de sinal de fibra ótica 96. Em algumas modalidades, um mostrador adequado 98 e o dispositivo de gravação 100 também estão associados com o processador de sinal 96. De uma maneira geral, o processador de sinal de fibra ótica 96 inclui um chip de computador ou de microprocessador que é programado para analisar um sinal ótico e enviar informação se relacionando com o sinal ótico para armazenamentogravável no dispositivo de gravação 100. O processador de sinal de fibra ótica 96 tipicamente inclui um reflectômetro ótico no domínio do tempo (OTDR) que é capaz de transmitir pulsos óticos para o cabo de fibras óticas 41 e analisar a luz que é retornada, refletida ou espalhada pelo mesmo. Mudanças em um índice de refração nas fibras óticas 62, 76, 76a, 76b podem definir pontos de espalhamento ou de reflexão. Analisar a luz de retorno coletada pode revelar a distância para mudanças no índice de refração. Assim, o OTDR pode ser usado para detectar as localizações de parâmetros de operação detectados ao longo do comprimento das fibras óticas 62, 76, 76a, 76b.

[0033] É notado que cada uma das fibras óticas/feixes de fibras 62, 76, 76a e 76b pode ser usada para detectar um parâmetro operacional associado com o motor 34. Os parâmetros operacionais que são detectados podem incluir temperatura, pressão e vibração. Em certas modalidades, as fibras óticas são usadas que permitem detecção de um único ponto ou, alternativamente, detecção de múltiplos pontos distribuídos. Em modalidades particulares, redes de Bragg são fornecidas ao longo do comprimento das fibras óticas.

[0034] A figura 9 ilustra uma fibra ótica exemplar 102 que é disposta ao longo de um caminho axial 104. A fibra ótica exemplar 102 pode representar qualquer uma das fibras 62, 76, 76a, 76b discutidas anteriormente. O caminho axial 104 pode representar qualquer um de o rasgo de chaveta 60 ou a passagem axial 78 ou os rasgos de chaveta 45, 80 do eixo de motor 49. A fibra ótica 102 inclui um núcleo 106 que é circundado radialmente pelo revestimento 108. As redes de Bragg 110 são formadas no núcleo 106 da fibra 102. As redes de Bragg 110 podem ser criadas usando laser UV ou luz UV em associação com uma fotomás- cara específica para formar um padrão de rede de difração particular. Cada rede de Bragg 110 funciona como um sensor que exibe um recurso de ressonância particular que é rastreado à medida que a fibra é submetida à deformação ou às variações de temperatura. Cada rede de Bragg 110 responde a um sinal ótico de banda larga (tipicamente fornecido pelo processador de sinal 96) e responde adicionalmente para o parâmetro sendo detectado, a fim de fornecer um sinal contendo informação a respeito do parâmetro sendo detectado. À medida que um pulso ótico é fornecido para a fibra 102 pelo processador de sinal 96, luz é retroespalhada continuamente à medida que ela se propaga, como resultado de espalhamento Rayleigh. A luz retroespalhada é analisada no tempo pelo processador de sinal 96 para fornecer um mapa diferencial da distribuição espacial de atenuação ótica ao longo da fibra 102. Em certas modalidades, existem múltiplas redes de Bragg 110, o que permite que um parâmetro selecionado seja medido em múltiplos pontos distintos ao longo do comprimento do caminho axial 104. Em uma modalidade exemplar particular, temperatura é detectada por cada uma das redes de Bragg 110 ao longo da fibra 102, o que fornecerá para um operador uma indicação de pontos quentes distintos ao longo do comprimento axial do caminho axial 104. Em um exemplo, aquecimento excessivo no interior ou exterior radial do eixo de motor 49 pode ser detectado usando as fibras óticas 76, 76a e/ou 76b. A fibra ótica 62 pode detectar aquecimento causado, por exemplo, por ligação ou atrito excessivo entre o rotor 42 e o estator 44 à medida que o rotor 42 é girado dentro do estator 44. O uso de múltiplas redes de Bragg 110 também permite que a posição axial deste aquecimento seja determinada igualmente.

[0035] De acordo com uma modalidade alternativa, as redes de Bragg 110 são adaptadas para detectar pressão ou mudanças em pressão na área próxima ao caminho 104. Os dados detectados fornecerão uma indicação das localizações de áreas de pressão alta ao longo do comprimento do caminho 104. De acordo com um exemplo particular, pressão de fluido excessiva de óleo lubrificante disposto entre o rotor 42 e o estator 44 pode ser detectada pela fibra ótica 62. Adicionalmente, pressão de fluido excessiva dentro do eixo de motor 49 ou circundando o mesmo pode ser detectada pelas fibras 76, 76a, 76b.

[0036] De acordo com uma modalidade alternativa adicional, as redes de Bragg 110 são adaptadas para permitir detecção de deformação na fibra 102. Medições de pontos distribuídos distintos de deformação ao longo do comprimento do caminho axial 104 podem fornecer indicações de vibração dentro do motor 34 e podem fornecer as localizações de vibração excessiva dentro do motor 34. Em exemplos particulares, as fibras 62, 76, 76a, 76b podem revelar pontos de vibração excessiva ou o desalinhamento de componentes dentro do motor 34, o que pode ser corrigido subsequentemente.

[0037] A invenção fornece montagens de motores que incorporam sensores de fibras óticas que são dispostos axialmente dentro de partes não seladas do motor 34 a fim de detectar um ou mais parâmetros operacionais associados com o motor 34. Em modalidades particulares, fibras óticas são dispostas dentro de um rasgo de chaveta axial 60 que é formado na superfície radial interna de um estator 44. Em outras modalidades particulares, fibras óticas são dispostas dentro de uma passagem axial interna 78 do eixo de motor 49 e/ou dentro de um rasgo de chaveta 80 formado no exterior radial do eixo de motor 49.

[0038] Deve ser percebido que a invenção fornece dispositivos que permitem monitoramento de parâmetros operacionais de um motor de subsuperfície especialmente em aplicações de alta temperatura. Os inventores descobriram que fibras óticas são relativamente insensíveis à interferência eletromagnética e têm uma pequena área ocupada e alta precisão.

[0039] Os versados na técnica reconhecerão que inúmeras modifi cações e mudanças podem ser feitas para os projetos e modalidades exemplares descritos neste documento e que a invenção é limitada somente pelas reivindicações que se seguem e quaisquer equivalências das mesmas.

Claims

1. Motor de subsuperfície (34) para uma bomba submergível (24), o motor compreendendo: um estator (44) que possui um corpo geralmente cilíndrico com uma abertura central e uma pluralidade de compartimentos de enrolamento de estator (44) que contêm condutores de fio de enrolamento; um rotor (42) que é giratório dentro do estator (44); um alojamento que encerra o rotor (42) e estator (44); um eixo de motor que é girado pelo rotor (42); caracterizado pelo fato de que o motor compreende ainda: um sensor de fibra ótica que é disposto através da abertura central sem passar através de um compartimento de enrolamento de estator (44), o sensor de fibra ótica sendo disposto dentro de pelo menos um dentre: um rasgo de chaveta axial formado em uma superfície radial externa do eixo de motor ou uma passagem axial interna dentro do eixo de motor.

2. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é associado operacionalmente com equipamento de processamento de dados.

3. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é disposto dentro de um tubo de proteção.

4. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é adaptado para detectar pelo menos um parâmetro de operação do grupo de parâmetros de operação do grupo consistindo essencialmente de temperatura, pressão e deformação.

5. Motor de subsuperfície (34) para uma bomba submergível (24), o motor compreendendo: um estator (44) que possui um corpo geralmente cilíndrico com uma abertura central e uma pluralidade de compartimentos de enrolamento de estator (44) que contêm condutores de fio de enrolamento; um rotor (42) que é giratório dentro do estator (44); um alojamento que encerra o rotor (42) e estator (44); um eixo de motor que é girado pelo rotor (42); caracterizado pelo fato de que o motor compreende ainda: um sensor de fibra ótica que é disposto através da abertura central sem passar através de um compartimento de enrolamento de estator (44), o sensor de fibra ótica sendo disposto dentro de pelo menos um dentre: um rasgo de chaveta axial formado em uma superfície radial externa do eixo de motor ou uma passagem axial interna dentro do eixo de motor; e em que o sensor de fibra ótica é associado operacionalmente com equipamento de processamento de dados.

6. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é disposto dentro de um tubo de proteção.

7. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é adaptado para detectar pelo menos um parâmetro de operação do grupo de parâmetros de operação do grupo consistindo essencialmente de temperatura, pressão e deformação.

8. Motor de subsuperfície (34) para uma bomba submergível (24), o motor compreendendo: um estator (44) que possui um corpo geralmente cilíndrico com uma abertura central e uma pluralidade de compartimentos de enrolamento de estator (44) que contêm condutores de fio de enrolamento; um rotor (42) que é giratório dentro do estator (44); um alojamento que encerra o rotor (42) e estator (44); um eixo de motor que é girado pelo rotor (42); caracterizado pelo fato de que o motor compreende ainda: um sensor de fibra ótica que é disposto através da abertura central sem passar através de um compartimento de enrolamento de estator (44), o sensor de fibra ótica sendo disposto dentro de pelo menos um dentre: um rasgo de chaveta axial formado em uma superfície radial externa do eixo de motor ou uma passagem axial interna dentro do eixo de motor; e em que o sensor de fibra ótica é adaptado para detectar pelo menos um parâmetro de operação do grupo consistindo essencialmente de temperatura, pressão e deformação.

9. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é associado operacionalmente com equipamento de processamento de dados.

10. Motor de subsuperfície de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o sensor de fibra ótica é disposto dentro de um tubo de proteção.