BR112017020914B1

BR112017020914B1 - Bomba elétrica submersível com enrolamento de motor encapsulado em liga de cerâmica

Info

Publication number: BR112017020914B1
Application number: BR112017020914-4A
Authority: BR
Inventors: Ping Duan
Original assignee: Baker Hughes, A Ge Company, Llc
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2023-02-28
Also published as: CA2991029A1; US20180262074A1; BR112017020914A2; DE112016001050B4; CA2991029C; US20160294243A1; DE112016001050T5; WO2016160779A1; SG11201708006XA; US10778059B2

Abstract

BOMBA SUBMERSÍVEL ELÉTRICA COM ENROLAMENTO DE MOTOR ENCAPSULADO EM CERÂMICA LIGADA. Um conjunto de bomba submersível elétrica (45) tem um motor (10) com uma pilha de estator de limitações (16). A pilha tem fendas (20) através das quais fios magnéticos (22) são enrolados. Um encapsulado (24) circunda e liga os fios magnéticos em cada fenda. O encapsulado inclui partículas de cerâmica (25) numa matriz de polímero adesivo (27). A matriz polimérica pode ser um adesivo de fluoropolímero. Cada um dos fios magnéticos pode ter uma camada de isolamento elétrico (22b) que circunda um núcleo de cobre (22a). As partículas de cerâmica são arredondadas e muito menores do que uma área em corte transversal de cada um dos fios magnéticos. Pelo menos alguns dos fios magnéticos podem estar em contato com um perímetro (21) da fenda. A matriz polimérica preenche todos os espaços vazios em cada uma das fendas. As partículas de cerâmica podem ser porosas.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[001] Este pedido reivindica a prioridade sobre o Pedido Provisório U.S. n° de série 62/140.977, depositado em 31 de março de 2015, e sobre o Pedido não Provisório U.S. n° de série 15/075.359, depositado em 21 de março de 2016, cuja divulgação completa está aqui incorporada a título de referência para todos os propósitos.

CAMPO

[002] A invenção se refere a sistemas de bombeamento de interior de poço submersíveis em fluidos de furo de poço. Mais especificamente, a invenção se refere a uma bomba submersível elétrica com enrolamentos de motor que são encapsulados numa composição de cerâmica e polímero.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] Sistemas de bombeamento submersíveis são usados, com frequência, em poços de produção de hidrocarbonetos para bombear fluidos de dentro do furo de poço para a superfície. Estes fluidos são líquidos constituídos de hidrocarbonetos líquidos produzidos e, com frequência, água. Um tipo de sistema usado neste pedido emprega uma bomba submersível elétrica (“ESP”). As ESPs são dispostas, tipicamente, na extremidade de um comprimento de tubulação de produção e têm um motor eletricamente alimentado. Frequentemente, a potência elétrica pode ser suprida para o motor de bomba via um cabo de potência elétrica da superfície que é amarrado ao longo da lateral da tubulação.

[004] Motores de ESP têm estatores com fendas axialmente orientadas e fios elétricos isolados enrolados através das fendas num padrão selecionado. Uma chapa de um material de isolamento é usualmente enrolada ao redor de cada feixe de fios elétricos em cada uma das fendas. Os fios elétricos se estendem abaixo de uma extremidade inferior do estator em laços espaçados ao redor de um eixo longitudinal do motor. Os fios elétricos podem ser ligados às fendas com uma resina epóxi para resistir à vibração mecânica durante operação. Numa técnica, condutores de fio elétrico são emendados a extremidades superiores de três dos fios elétricos. Os condutores de fio elétrico se estendem da extremidade superior do estator até contatos internos num receptáculo de encaixe elétrico de motor. Um lubrificante dielétrico preenche o motor para lubrificar os mancais no motor.

[005] Tipicamente, a unidade de bombeamento é disposta dentro do furo de poço logo acima de onde as perfurações são realizadas numa zona de produção de hidrocarbonetos. Nesta posição, os fluidos produzidos fluem além da superfície externa do motor de bombeamento e absorvem calor gerado pelo motor. Independentemente da transferência de calor entre o fluido e o motor, o motor ainda pode superaquecer. O superaquecimento pode ser um problema quando o fluido tem uma alta viscosidade, um baixo calor específico ou uma baixa condutividade térmica. Isto é típico de óleos crus altamente viscosos. Além disto, o motor pode ser forçado a operar a uma temperatura elevada além de sua temperatura de operação normal em poços de injeção de vapor. Temperaturas de poço elevadas podem reduzir a vida do motor. Produtos químicos indesejáveis podem ser formados quando a resina epóxi se degradar sob alta temperatura. Estes produtos químicos podem danificar as camadas de isolamento dos fios elétricos.

SUMÁRIO

[006] Um conjunto de bombeamento submersível elétrico (“ESP”) tem uma bomba acionada por um motor elétrico. O motor tem uma pilha de laminações de estator, as laminações de estator tendo fendas formadas através das mesmas. Fios elétricos são enrolados através das fendas. Um encapsulado liga os fios elétricos em cada uma das fendas juntos. O encapsulado compreende partículas de cerâmica unidas numa matriz polimérica.

[007] As partículas de cerâmica podem ter um tamanho de 0,105 milímetro a 0,841 milímetro (20 mesh a 140 mesh). As partículas de cerâmica podem ser esféricas. Cada uma das partículas de cerâmica tem uma área em corte transversal muito menor do que uma área em corte transversal de cada um dos fios elétricos. As partículas de cerâmica podem ser porosas.

[008] A matriz polimérica é um material de isolamento elétrico. A matriz polimérica compreende um fluoropolímero que é selecionado de um grupo que consiste em perfluoroalcóxi (“PFA”), etileno-propileno fluorado (“FEP”), politetrafluoroetileno (“PTFE”) e combinações dos mesmos.

[009] Na modalidade mostrada, cada um dos fios elétricos compreende uma camada de isolamento elétrico que circunda um núcleo de cobre. Cada uma das fendas tem um perímetro onde os fios elétricos podem estar em contato com o perímetro. A matriz polimérica preenche todos os espaços vazios em cada uma das fendas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[010] Alguns dos recursos e benefícios da presente invenção foram estabelecidos, outros se tornarão evidentes conforme o relatório descritivo procede quando tomados em conjunto com as figuras anexas, em que:

[011] A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um motor para uso com um sistema de bombeamento submersível elétrico, o motor sendo construído de acordo com esta divulgação.

[012] A Figura 2 é uma vista ampliada de uma das fendas de estator do motor da Figura 1, ilustrando esquematicamente um encapsulado na fenda tendo partículas de cerâmica dispersas numa matriz polimérica.

[013] A Figura 3 é uma vista em perspectiva lateral de um exemplo de um método de encapsulamento de fios elétricos no motor das Figuras 1 e 2.

[014] A Figura 4 é uma vista em corte parcial lateral do motor da Figura 1 integrado a um sistema de bombeamento submersível elétrico e disposto num furo de poço.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[015] A Figura 1 mostra uma vista em corte parcial axial de uma extremidade superior de um motor 10 para uso com um sistema de bombeamento submersível elétrico (“ESP”). O motor 10 é equipado com um alojamento cilíndrico 12 que cobre e protege componentes do motor 10 contra condições de interior de poço rigorosas e fornece um suporte externo no qual os componentes são contidos. O motor 10 será tipicamente carregado com um lubrificante de motor dielétrico líquido. Ilustrado dentro do alojamento 12, está um conjunto de estator 14 que inclui uma pilha de estator 16 constituída de uma série de laminações que são coaxialmente empilhadas juntas. Cada laminação é tipicamente um disco de aço fino. As laminações de pilha de estator 16 têm aberturas centrais 17 que definem um furo de conjunto de estator 14. Um anel anular 18 mostrado montado sobre uma superfície superior da pilha de estator 16 tem um diâmetro interno menor que um diâmetro externo da pilha de estator 16 e retém a pilha 16 dentro do alojamento 12.

[016] Uma série de fendas 20 é formada axialmente através de cada uma das laminações na pilha 16 e que se estendem ao longo de um comprimento da pilha 16. As fendas 20, conforme mostrado, são formadas equidistantes entre si, estendendo-se circunferencialmente ao redor do furo da pilha de estator 16. Com referência à Figura 2, cada fenda 20 tem um perímetro 21 que pode ser trapezoidal em formato, conforme mostrado. Uma abertura (não mostrada) pode levar de cada fenda 20 para a abertura central 17. Alternativamente, cada fenda 20 pode ser completamente confinada por seu perímetro 21.

[017] Inúmeros fios elétricos ou de motor 22 são enrolados ao longo do comprimento de cada uma das fendas 20. Normalmente, o motor 10 (Figura 1) é um motor trifásico e terá três fios elétricos separados 22. Cada fio elétrico 22 estende o comprimento do conjunto de estator 14 e tem múltiplas voltas em cada fenda 20. Cada fio elétrico 22 pode ter um núcleo de metal 22a, normalmente cobre, que é confinado numa camada de isolamento elétrico de alta temperatura 22b.

[018] Um encapsulado 24 circunda e liga com rigidez os fios elétricos 22 em cada fenda 20 e forma um revestimento protetor ao redor dos fios elétricos 22. Nesta modalidade, não existe forro circundando o feixe de fios elétricos 22 em cada fenda 20; ao invés disto, o encapsulado 24 e fios elétricos 22 preenchem completamente cada fenda 20. Parte do encapsulado 24 será ligada a e estará em contato com o perímetro 21 de cada fenda 20. Além disto, alguns dos fios elétricos 22 estarão em contato com o perímetro de fenda 21.

[019] O encapsulado 24 é constituído de uma mistura de partículas de cerâmica 25 unidas por uma matriz polimérica 27. Partículas de cerâmica 25 são dispersas ao longo da matriz polimérica 27. Partículas de cerâmica 25 são formadas de um material duro com propriedades de alto isolamento elétrico. Partículas de cerâmica 25 podem ser porosas ao lubrificante de motor dielétrico contido dentro do motor 10 de modo a aumentar a taxa de transferência de calor do motor 10.

[020] Partículas de cerâmica 25 têm dimensões em corte transversal muito menores do que a dimensão em corte transversal de cada fio elétrico 22. Por exemplo, partículas de cerâmica 25 pode estar numa faixa de tamanho de partícula de 0,105 milímetro ±5% a 0,841 milímetro ±5% (20 mesh ±5% a 140 mesh ±5%). As partículas de cerâmica 25 podem ser arredondadas ou esféricas e não ter bordas afiadas. O formato arredondado das partículas de cerâmica 25 reduz as chances de dano às camadas de isolamento de fio elétrico 22b.

[021] Partículas de cerâmica 25 podem compreender materiais de escoramento ou microesferas, tais como aquelas usadas para empacotamento de cascalho de interior de poço tendo o nome comercial de Carboaccucast®, e que podem estar disponíveis comercialmente junto à Carbo Corporation, 575 N. Dairy Ashford Rd, Suite 300, Houston, Texas, WUA, 77079, (281) 921 6400. Em um exemplo não limitante, partículas de cerâmica 25 podem compreender Carboaccucast® ID50 tendo um tamanho de partícula de 0,149 milímetro ±5% a 0,297 milímetro ±5% (50 mesh ±5% a 100 mesh ±5%). Em modalidades alternativas, partículas de cerâmica 25 compreendem alumina (Al2O3 a 99,9%), silicato de alumínio, Al2SiO5, berília (BeO a 99%), nitreto de boro, BN, cordierita, Mg2Al4Si5O18, forsterita, mg2SiO4, porcelana, esteatita, Mg3Si4O1VH2O, titanatos de Mg, Ca, Sr, Ba e Pb, titanato de bário, vidro unido, zircônia, ZrO2, sílica fundida, SiO2, micas, muscovita, rubi, natural, flogopita, âmbar, natural, fluoroflogopita, sintético, mica ligada a vidro e combinações dos mesmos.

[022] A matriz polimérica 27 é formada de um adesivo polimérico que termocura após carregar cada fenda 20. Adesivos poliméricos exemplificadores para matriz polimérica 27 incluem fluoropolímeros. Fluoropolímeros exemplificadores para matriz polimérica 27 incluem perfluoroalcóxi alcanos (“PFA”), etileno-propileno fluorado (“FEP”) e politetrafluoroetileno (“PTFE”). A matriz polimérica 27 pode ter boas propriedades de resistência química a temperaturas elevadas. Temperaturas elevadas são aquelas que podem tipicamente ocorrer no interior de poço, e podem ser aquelas que ultrapassam 65,5°C ±5% (150°F ±5%).

[023] Um método de fabricação de matriz polimérica 27 emprega um fluoropolímero suprido como um pó que tem um tamanho de partícula na faixa de 0,02 milímetro ±5% a 0,2 milímetro ±5% (20 mícrons ±5% a 200 mícrons ±5%). Num exemplo não limitante, a matriz polimérica 27 pode incluir um aglutinante em pó de fluoropolímero NC- 1500 disponível junto à Daikin Chemicals, 20 Olympic Drive Orangeburg, N.Y, EUA. 10962, http://www.daikin-america.com/, e que é um pó fino à base de FEP termofusível tendo um tamanho de partícula de 0,03 milímetro ±5% a 0,06 milímetro ±5% (30 mícrons ±5% a 60 mícrons ±5%).

[024] Novamente com referência à Figura 1, um conjunto de rotor 26 é mostrado circunscrito pelo conjunto de estator 14, em que o conjunto de rotor 26 gira em relação ao conjunto de estator 14. O conjunto de rotor 26 inclui diversas pilhas de rotor 28 (apenas uma mostrada) axialmente separadas umas das outras por mancais radiais. A pilha de rotor 28, similar à pilha de estator 16, é constituída por inúmeras laminações de rotor ou discos de aço que são empilhados um em cima do outro numa disposição coaxial. As fendas 30 são formadas axialmente através de cada uma das laminações de rotor, de modo que, quando as laminações estiverem empilhadas, as fendas 30 se estendam através de todo o comprimento da pilha de rotor 28. As fendas 30 são mostradas equidistantes entre si em múltiplos locais angulares ao redor da pilha de rotor 28. Barras de rotor alongadas 32 são ajustadas nas fendas 30, em que, num exemplo, as barras de rotor 32 incluem um material magnético. Desta forma, num exemplo, a energização dos fios elétricos 22 com uma corrente elétrica cria um campo eletromagnético alternado (não mostrado). As barras de rotor 32 são responsivas ao campo eletromagnético, ocasionando, assim, a rotação do conjunto de rotor 26. Coaxial no conjunto de rotor 26, se encontra uma haste alongada 34 que se acopla a e gira com o conjunto de rotor 26.

[025] Num exemplo não limitante, a mistura de partículas de cerâmica 25 e o pó de polímero para a matriz polimérica 27 inclui 100 partes ±5% de partículas de cerâmica 25 e 30 partes ±5% de pó de matriz polimérica 27. Partículas de cerâmica 25 podem ter um tamanho de 0,149 milímetro ±5% a 0,297 milímetro ±5% (50 mesh ±5% a 100 mesh ±5%), e o pó para matriz polimérica 27 pode ter um tamanho de partícula de 0,03 milímetro ±5% a 0,06 milímetro ±5% (30 mícrons ±5% a 60 mícrons ±5%). A matriz polimérica 27 pode ainda incluir um pó fluoropolimérico resistente a produtos químicos, tal como FEP. Neste exemplo, novos componentes de aço inoxidável podem ser instalados no estator e acessórios de extremidade, e as fendas 20 na pilha de estator 16 podem ser carregadas com a mistura de partículas de cerâmica 25 e pó para matriz polimérica 27.

[026] É esquematicamente ilustrado na Figura 3 um exemplo de como o encapsulado 24 das Figuras 1 e 2 pode ser formado nas fendas 20. Conforme mostrado, uma mistura 38 de partículas de cerâmica 25 e matriz polimérica em pó 27 é combinada num recipiente 36 tendo uma saída 37. A mistura 38 sai da saída 37 e entra numa cobertura 40 que é ajustada sobre a extremidade superior do motor 10. Na extremidade oposta do motor 10 se encontra um sistema de vácuo 41 que aspira ar de dentro do motor 10 e, desta forma, das fendas 20 (Figuras 1 e 2), aspirando, assim, mistura 38 para preencher todos os espaços vazios e interstícios que possam existir entre os fios elétricos 22 nas fendas 20 (Figuras 1 e 2). Um filtro 42 pode estar dentro do sistema de vácuo 41 para impedir que partículas de cerâmica 27 ou os pós de matriz polimérica 27 saiam da extremidade inferior do sistema de vácuo 41. Numa modalidade, o filtro 42 compreende uma tela de aço de 0,149 milímetro (100 mesh) para capturar partículas de cerâmica 25 e pós de matriz polimérica 27 que podem atravessar todo o comprimento do motor 10. Numa alternativa, uma bomba de vácuo 44 é incluída na extremidade inferior do sistema de vácuo 41, em que uma mangueira conecta a bomba de vácuo 44 à extremidade inferior da bomba 10 de modo que a bomba de vácuo 44 possa aplicar sucção à extremidade inferior das fendas 20. Um agitador mecânico (não mostrado) pode ser usado para assegurar adicionalmente que a mistura 38 preencha todos os espaços vazios restantes nas fendas 20.

[027] Após a mistura 38 de partículas de cerâmica 25 e pós de matriz polimérica 27 preencher as fendas 20 ao redor dos fios elétricos 22, a mistura 38 pode ser aquecida. O aquecimento pode ser realizado ou aquecendo todo o motor 10 ou conduzindo eletricidade através dos fios elétricos 22 para aquecer a mistura 38. Num exemplo, um ponto de fusão dos pós de matriz polimérica 27 é de 260°C ±5% a 350°C ±5%; desta forma, a mistura 38 é aquecida a pelo menos esta temperatura, fundindo, assim, os pós de matriz polimérica 27. O aquecimento e o resfriamento subsequente ocasionam a ligação de partículas de cerâmica 25 na matriz polimérica 27 a fios elétricos 22, formando um encapsulado rígido sólido 24 nas fendas 20 para proteger os fios 22. O aquecimento não afeta as partículas de cerâmica 25.

[028] O aquecimento de todo o motor 10 pode ocorrer num forno tubular de alta temperatura 43. Num exemplo não limitante, o motor 10 é aquecido por um período de tempo de até 5 horas ±5%, e as aberturas superior e inferior das fendas 20 são encaixadas para reter a mistura 38 nas fendas 20. Um cobertor de nitrogênio pode ser aplicado ao motor 10 para remover voláteis liberados durante o aquecimento. A fusão, então, o resfriamento de pós de matriz polimérica 27, forma um material de ligação estrutural resistente integrado que fixa os fios elétricos 22 no lugar nas fendas 20. Conforme indicado acima, a presença de partículas de cerâmica 25 no encapsulado 24 cria uma porosidade para o encapsulado 24, que aumenta a transferência de calor para longe do motor.

[029] É mostrado, numa vista em corte lateral parcial na Figura 4, um exemplo do motor 10 usado em conjunto com um sistema ou conjunto de bomba submersível elétrica (ESP) 45. Aqui, o sistema de ESP 45 é disposto num furo de poço 46 numa extremidade inferior de uma coluna de tubulação de produção 48. Uma extremidade superior de tubulação de produção 48 se conecta a um conjunto de cabeça de poço 50, mostrado tampando uma extremidade superior do furo de poço 46. O motor 10 se acopla a uma bomba 58, que é mostrada fornecida numa extremidade superior do sistema de ESP 45. A haste 34 se conecta a impulsores 54 (mostrados em linhas tracejadas) na bomba 58. A bomba 58 bombeia fluido de poço de dentro do furo de poço 46 de modo que possa ser descarregado para a tubulação de produção 48 e bombeado para o conjunto de cabeça de poço 50. Uma seção de vedação 56 é fornecida entre a bomba 52 e o motor 10 para equalizar a pressão no sistema de ESP 45 com a pressão hidrostática de fluido de poço no furo de poço 46. Uma admissão 58 é mostrada formada através de um alojamento da bomba 52 de modo que o fluido no furo de poço 46 possa atravessar para os impulsores 54 para pressurização e distribuição para a tubulação de produção 48. Neste exemplo, os fluidos pressurizados pelo sistema de ESP 45 são produzidos de uma formação 60 que é cruzada pelo furo de poço 46.

Claims

1. Conjunto de bombeamento submersível elétrico (“ESP”) (45) que tem uma bomba (58) acionada por um motor elétrico (10), o motor tendo uma pilha de laminações de estator (16), as laminações de estator tendo fendas (20) formadas através das mesmas, e fios elétricos (22) enrolados através das fendas, caracterizado pelo fato de que: um encapsulado (24) que liga os fios elétricos em cada uma das fendas juntos, o encapsulado compreendendo partículas de cerâmica (25) unidas numa matriz polimérica (27).

2. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas de cerâmica têm um tamanho de 0,105 milímetro a 0,841 milímetro (20 mesh a 140 mesh).

3. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz polimérica compreende um fluoropolímero que é selecionado de um grupo que consiste em perfluoroalcóxi (“PFA”), etileno-propileno fluorado (“FEP”), politetrafluoroetileno (“PTFE”), e combinações dos mesmos.

4. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos fios elétricos compreende uma camada de isolamento elétrico (22b) que circunda um núcleo de cobre (22a).

5. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas de cerâmica são esféricas.

6. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma das partículas de cerâmica tem uma área em corte transversal muito menor do que uma área em corte transversal de cada um dos fios elétricos.

7. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a matriz polimérica preenche todos os espaços vazios em cada uma das fendas.

8. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a matriz polimérica é formada de um material de isolamento elétrico.

9. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas de cerâmica são porosas.

10. Conjunto de ESP, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a matriz polimérica compreende um adesivo de fluoropolímero.