BR112018007311B1 - Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem, método para operar um aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem e sistema de bombeamento de óleo - Google Patents

Abstract

BOMBA DE HASTE LINEAR DE MOTOR EM TANDEM. Trata a presente invenção de um aparelho de bombeamento de haste linear de motor em tandem para conferir um movimento alternativo, substancialmente vertical a uma haste de bomba, para uma bomba de haste de bombeio. O aparelho de bombeamento de haste linear de motor em tandem inclui primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares montados em uma única carcaça. Esses sistemas atuadores mecânicos lineares conferem e controlam o movimento vertical da haste de bomba. Cada sistema atuador mecânico linear inclui um arranjo de engrenagem de cremalheira e pinhão. Cada cremalheira está operacionalmente ligada a dois pinhões. Cada pinhão está operacionalmente ligado a um motor. A rotação dos dois motores em uma primeira direção resulta num movimento ascendente da cremalheira e da bomba de haste de bombeio vinculada. A rotação dos dois motores numa segunda direção, em oposição à primeira direção, resulta num movimento descendente da cremalheira e da bomba de haste de bombeio. O aparelho de bombeamento de haste linear de motor em tandem inclui pelo menos um controlador eletrônico para o controle operacional dos dois motores.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se, geralmente, a sistemas e métodos para o bombeamento de fluidos, tais como água e/ou hidrocarbonetos, a partir de formações ou reservatórios subterrâneos, e mais particularmente, a um aparelho e método de bombeamento para utilização em tais aplicações de bombeamento.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Em muitos tipos convencionais de sistemas de bombeamento usados em um aparelho de perfuração, o controle e a otimização do desempenho de um aparelho de bombeamento de vareta de sucção envolvem dificuldades intrínsecas. Um fator que deve ser levado em consideração é o alongamento da coluna de vareta, que ocorre durante a parte ascendente de cada curso da bomba, e a contração correspondente da coluna de vareta que ocorre durante a parte descendente de cada curso da bomba. A coluna da vareta, que pode ser de 304,8 metros (1000 pés) ou mais de comprimento, age de forma semelhante a uma mola de extensão, que é esticada durante a parte do curso da bomba em que a coluna de vareta está extraindo o fluido para cima dentro do poço e que depois se contrai de volta a um estado essencialmente não esticado, à medida que a coluna de vareta se move para baixo durante uma parte de retorno do curso da bomba. Como resultado do estiramento da vareta, um curso ascendente acima do solo de 81,28 cm (32 polegadas), para um poço de aproximadamente 396,24 metros (1300 pés) de profundidade, só pode resultar em um curso de fundo de poço faixa de 60,96 cm a 66,04 cm (24 a 26 polegadas), por exemplo. A diferença entre a magnitude e a direção do movimento da vareta de bomba na parte superior do poço e a reação correspondente da coluna de vareta e do curso do fundo do poço da bomba envolve outros fatores complicadores, incluindo o amortecimento inerente dentro da coluna de vareta, amortecimento de fluido que ocorre durante o curso da bomba e vibrações longitudinais e frequências naturais da coluna de vareta.

[003] Os problemas associados com a operação eficaz e eficiente de um aparelho de bomba da vareta de sucção são abordados em detalhes significativamente maiores em uma Patente US, 7,168,924 B2 habitualmente atribuída a Beck et al., Intitulada “Sistema de Controle de Bomba de Vareta Incluindo Estimador de Parâmetro” ("Rod Pump Control System Including Parameter Estimator"), cujos ensinamentos completos e descrição estão aqui incorporados por referência. A patente de Beck et. al. também descreve um sistema de controle de bomba de vareta, que inclui um estimador de parâmetros que determina, a partir de dados do motor, parâmetros relacionados à operação da bomba de vareta e/ou gerando um cartão de dinamômetro de furo de poço, sem a necessidade de instrumentação externa, tal como sensores de fundo de poço, sensores de carga de vareta, sensores de fluxo, sensores acústicos de nível de fluido, etc. Em algumas formas de realização descritas por Beck et al, tendo um aparelho de bombeamento acionado por um motor elétrico, a corrente e a tensão instantâneas, juntamente com os parâmetros da bomba estimados através da utilização de um modelo de computador da bomba de vareta de sucção, são usados na determinação da posição e carga de vareta. A carga e posição de vareta são usadas para controlar a operação da bomba de vareta para otimizar a operação da bomba. Beck et al. também revela um amplificador de curso de bomba que é capaz de aumentar o curso da bomba sem alterar a velocidade de bombeamento total, ou em alternativa, mantendo a saída de poço com uma velocidade de bombeamento total diminuída.

[004] As dificuldades inerentes da operação de um aparelho de bomba de vareta de sucção também podem ser agravadas pelo tipo de aparelho de bombeamento, como o aparelho vareta de bomba típico. Os problemas encontrados ao usar esses sistemas de bombeamento convencionais servem como evidência ampla do desejo de fornecer um aparelho de bombeamento novo e melhorado para uso com uma bomba de vareta de sucção.

[005] Por exemplo, os mecanismos convencionais de bombeamento do tipo vareta de bomba devem ser geralmente montados em uma base de concreto pesado, que pode ser vertida no lugar ou pré-fundida, localizada adjacente à cabeça de poço. A construção de um mecanismo de bombeamento do tipo vareta de bomba, juntamente com a sua base, geralmente envolve os esforços de vários trabalhadores da construção civil, durante um período que pode ser de uma semana ou mais, para preparar o local, estabelecer a base e permitir o tempo para a base curar, além do tempo necessário para montar os vários componentes do mecanismo de vareta de bomba sobre a base e conectar operativamente o mecanismo à vareta de bomba.

[006] Devido aos custos de transporte do aparelho e da base de concreto ou pré-fundida para o que pode ser um local remoto e a complexidade do processo de preparação e montagem do local, os mecanismos de bombeamento do tipo vareta de bomba são geralmente utilizados apenas em instalações de bombeamento de longo prazo. Além disso, o grande tamanho e o peso maciço do mecanismo de bombeamento de vareta de bomba e de sua base também podem ser problemáticos, quando o poço é desativado. As obrigações econômicas e contratuais podem exigir a remoção completa do mecanismo de vareta de bomba e de sua base.

[007] Os sistemas de bombeamento de vareta linear foram desenvolvidos para abordar uma série de problemas acima descritos com os sistemas de bombeamento convencionais. Os sistemas de bombeamento de vareta linear são revelados nas Patentes dos Estados Unidos. Nos. 8,152,492 e 8,641,390, ambas emitidas para Beck et al., sendo ambas intituladas “Aparelho e Método de Bomba de Vareta Linear” ("Linear Rod Pump Apparatus and Method"), cujos ensinamentos e descrições completas estão aqui incorporados por referência.

[008] As formas de realização da presente invenção representam um avanço sobre o estado da técnica em sistemas de bombeamento. Estas e outras vantagens da invenção, bem como características adicionais da invenção, serão evidentes a partir da descrição da invenção aqui proporcionada.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO

[009] Num aspecto, as formas de realização da invenção fornecem um aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem para transmitir movimento alternativo substancialmente vertical a uma vareta de bomba para uma bomba de vareta de sucção. O aparelho de bombeamento de vareta linear do motor em tandem inclui primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares para transmitir e controlar o movimento vertical da vareta de bomba. O primeiro e segundo sistemas de atuadores mecânicos lineares são construídos para operar com uma única carcaça. O primeiro sistema de atuador mecânico linear inclui uma primeira disposição de engrenagem de cremalheira e pinhão com uma primeira cremalheira configurada para transmitir um movimento alternativo ao longo de um eixo de bombeamento. A primeira cremalheira está operativamente conectada em uma primeira relação de engrenagem com um primeiro pinhão. O primeiro pinhão está operativamente conectado a uma saída rotativa de um primeiro motor, de modo que a rotação do primeiro motor em uma primeira direção resulta em um movimento ascendente da primeira cremalheira ao longo do eixo de bombeamento e a rotação do primeiro motor em uma segunda direção oposto à primeira direção resulta em um movimento descendente da primeira cremalheira ao longo do eixo de bombeamento. A primeira cremalheira também está operativamente conectada à vareta de bomba de modo que o movimento verticalmente ascendente da primeira cremalheira transmite um movimento verticalmente ascendente para a vareta de bomba e de tal forma que a vareta de bomba exerce uma força substancialmente verticalmente direcionada para baixo ao longo do eixo de bombeamento, durante uma parte de um curso de bomba. O segundo sistema de atuador mecânico linear inclui um segundo arranjo de engrenagem de cremalheira e pinhão com uma segunda cremalheira configurada para transmitir movimento alternativo ao longo do eixo de bombeamento. A segunda cremalheira está operativamente conectada em uma segunda relação de engrenamento com um segundo pinhão. O segundo pinhão está operativamente conectado a uma saída rotativa de um segundo motor, de modo que a rotação do segundo motor na primeira direção resulta em um movimento ascendente da segunda cremalheira ao longo do eixo de bombeamento e a rotação do segundo motor na segunda direção oposto à primeira direção, resulta em um movimento descendente da segunda cremalheira ao longo do eixo de bombeamento. A segunda cremalheira também está operativamente conectada à vareta de bomba de modo que o movimento verticalmente ascendente da segunda cremalheira confira um movimento verticalmente ascendente para a vareta de bomba, e de tal forma que a vareta de bomba exerce uma força substancialmente verticalmente direcionada para baixo ao longo do eixo de bombeamento, durante a parte do curso da bomba. O primeiro motor tem um elemento rotativo reversível conectado operativamente ao primeiro pinhão que engata a primeira cremalheira para estabelecer uma relação fixa entre a posição rotacional do primeiro pinhão e a posição vertical da primeira cremalheira. O segundo motor possui um elemento rotativo reversível conectado operativamente ao segundo pinhão que engata a segunda cremalheira para estabelecer uma relação fixa entre a posição rotacional do segundo pinhão e a posição vertical da segunda cremalheira. Um controlador eletrônico está operativamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo motores, para controlar o primeiro e o segundo motores. O controlador eletrônico opera cada motor em um modo de acionamento para impulsionar movimento ascendente da sua respectiva cremalheira e da vareta de bomba, e opera cada motor em um modo de acionamento ou frenagem durante o movimento descendente de sua respectiva cremalheira em uma parte descendente do curso da vareta de bomba.

[010] Em concretizações particulares, o controlador eletrônico inclui dois ou mais sensores para detectar pelo menos uma dentre uma posição linear das primeira e segunda cremalheiras ao longo do eixo de bombeamento, uma posição rotacional de cada um dos dois pinhões em torno de um respectivo eixo de pinhão, um torque de motor para cada um dos dois motores, uma velocidade de motor para cada um dos dois motores, uma aceleração de motor para cada um dos dois motores e uma potência de entrada de motor para cada um dos dois motores. Além disso, a disposição do motor em tandem pode ser configurada para equalizar o torque colocado na vareta de bomba através da operação do controlador ou através da utilização de motores projetados para fornecer saídas iguais, sincronizando assim uma posição rotacional dos elementos rotativos dos dois motores. Mais especificamente, o controlador eletrônico pode ser configurado para controlar o primeiro e o segundo motor para equalizar o torque colocado na vareta de bomba. Em formas de realização alternativas, o primeiro e o segundo motores são do mesmo tamanho de modo a equalizar substancialmente o torque colocado na vareta de bomba. Ainda em outra forma de realização, um primeiro controlador eletrônico controla o primeiro motor e um segundo controlador eletrônico controla o segundo motor para equalizar substancialmente o torque colocado na vareta de bomba.

[011] Em algumas concretizações, as primeira e segunda cremalheiras compreendem um único elemento com um primeiro conjunto de dentes disposto em um primeiro lado do elemento e um segundo conjunto de dentes dispostos no segundo lado do elemento diferente do primeiro lado, e em que o primeiro pinhão engata o primeiro conjunto de dentes e o segundo pinhão engata o segundo conjunto de dentes. Em uma concretização particular, o primeiro conjunto de dentes está voltado a uma primeira direção, e o segundo conjunto de dentes está voltado a uma segunda direção 180 graus a partir da primeira direção. Em formas de realização alternativas, a primeira cremalheira possui um primeiro conjunto de dentes e a segunda cremalheira possui um segundo conjunto de dentes, e a primeira e a segunda cremalheira são elementos separados que estão conectados de forma fixa.

[012] Em certas formas de realização, a cremalheira do primeiro sistema de atuador mecânico linear se estende verticalmente, e a cremalheira do segundo sistema de atuador mecânico linear se estende verticalmente. As duas cremalheiras são paralelas dentro da carcaça e paralelas com um eixo de bombeamento. Em algumas formas de realização, o motor do primeiro sistema de atuador mecânico linear está disposto em um primeiro lado exterior da carcaça e o motor do segundo sistema de atuador mecânico linear está disposto em um segundo lado externo da carcaça oposto ao primeiro lado externo.

[013] Em outro aspecto, as formas de realização da invenção fornecem um método para operar um aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem que inclui primeiro e segundo sistemas de atuadores mecânicos lineares, cada um com um motor, e também inclui uma vareta para uma bomba de vareta de sucção. O método exige a construção dos primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares para operar dentro de uma única carcaça e operar simultaneamente cada um dos dois motores de uma maneira que transmite movimento vertical recíproco para os respectivos elementos verticalmente móveis, dos primeiro e segundo sistemas de atuadores mecânicos lineares. Cada motor tem um elemento rotativo reversível que está operativamente conectado ao elemento verticalmente móvel do seu respectivo sistema de atuador mecânico linear, estabelecendo assim uma relação fixa entre a posição rotacional do elemento rotativo e a posição vertical do seu respectivo elemento verticalmente móvel. A operação simultânea dos dois motores transmite um movimento vertical alternativo para a vareta de bomba da bomba de vareta de sucção.

[014] Em algumas formas de realização, cada elemento verticalmente móvel inclui uma cremalheira, e cada elemento rotativo inclui um pinhão. Numa outra forma de realização, as cremalheiras dos primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares têm cada qual, uma pluralidade de dentes verticalmente adjacentes ao longo de um lado da cremalheira. Os dentes de uma cremalheira se voltam para longe da outra cremalheira e se voltam 180 graus a partir da direção à qual as engrenagens da outra cremalheira se voltam. O método também pode incluir alinhar as duas cremalheiras, de modo que elas sejam paralelas entre si, e de tal forma que os dentes de uma cremalheira fiquem voltados para uma primeira direção, e os dentes da outra cremalheira fiquem voltados para uma segunda direção a 180 graus a partir da primeira direção.

[015] O método pode incluir ainda dispor a cremalheira do primeiro sistema de atuador mecânico linear em um primeiro lado da vareta de bomba e dispor a cremalheira do segundo sistema de atuador mecânico linear em um segundo lado da vareta de bomba oposto ao primeiro lado da vareta de bomba. As formas de realização do método também podem incluir também detectar pelo menos uma dentre uma posição linear de cada uma das duas cremalheiras ao longo do eixo de bombeamento, uma posição rotacional de cada um dos dois pinhões em torno de um respectivo eixo de pinhão, um torque de motor para cada um dos dois motores, uma velocidade de motor para cada um dos dois motores, uma aceleração de motor para cada um dos dois motores e uma potência de entrada de motor para cada um dos dois motores.

[016] O método pode incluir sincronizar as posições dos dois elementos rotativos para equalizar o torque colocado na vareta de bomba. A sincronização pode ser auxiliada usando dois motores projetados para produzir torques iguais aos seus respectivos elementos rotativos. As formas de realização do método incluem detectar uma posição vertical de cada uma das duas cremalheiras ao longo de um eixo de bombeamento e o controle de sincronização dos respectivos motores de acordo com as posições verticais detectadas de modo a minimizar um momento na vareta de bomba e no revestimento do poço. O método pode ainda incluir dispor o motor do primeiro sistema de atuador mecânico linear em um primeiro lado externo da carcaça, enquanto dispõe o motor do segundo sistema de atuador mecânico linear em um segundo lado exterior da carcaça oposto ao primeiro lado externo.

[017] Em um outro aspecto, as formas de realização da invenção fornecem um sistema de bombeamento de óleo que inclui uma linha de retorno de óleo configurada para transportar o óleo de um poço de óleo numa primeira parte de uma carcaça de bomba para um reservatório de óleo interno numa segunda parte da carcaça da bomba. Uma placa superior está fixada a uma parte de uma vareta de bomba de modo que a placa superior se mova para cima e para baixo de acordo com um movimento alternativo da vareta de bomba. Uma placa inferior está localizada abaixo da placa superior. Um mecanismo de bomba está disposto entre a placa superior e a placa inferior. O mecanismo de bomba inclui um assento de válvula com uma parte inferior configurada para entrar em contato com a placa inferior e uma parte superior configurada para entrar em contato com a placa superior. Um primeiro elemento de inclinação está configurado para impulsionar o assento de válvula para cima e longe da placa inferior. Um êmbolo está configurado para assentar dentro da parte superior do assento de válvula criando uma vedação entre eles. Um segundo elemento de inclinação está configurado para impulsionar o êmbolo para cima e para longe do assento de válvula. O movimento ascendente da vareta de bomba e da placa superior fixada permite que o óleo flua para uma parte interna do mecanismo de bomba que está em comunicação de fluido com a linha de retorno do óleo. O movimento descendente da vareta de bomba e da placa superior fixada faz com que o êmbolo se assente dentro do assento de válvula e faz com que a parte inferior do assento de válvula vede contra a placa inferior de modo que o óleo flua para a linha de retorno do óleo e para cima em direção ao reservatório de óleo interno.

[018] Numa concretização particular, os primeiro e segundo elementos de inclinação incluem primeira e segunda molas, respectivamente. A parte inferior do assento de válvula pode ser cilíndrica, enquanto a parte superior do assento de válvula pode ser anular. Além disso, a parte superior pode ter um rebordo que se assenta contra uma extremidade superior da primeira mola.

[019] Em certas formas de realização, a linha de retorno de óleo inclui uma válvula de retenção que só permite que o óleo flua para cima para o reservatório de óleo. Além disso, a linha de retorno do óleo pode incluir um filtro para filtrar contaminantes sólidos do óleo.

[020] Outros aspectos, objetivos e vantagens da invenção se tornarão mais evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, quando realizada em conjunto com os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[021] Os desenhos anexos incorporados, os quais constituem uma parte do relatório descritivo ilustram vários aspectos da presente invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

[022] A FIG. 1 é uma vista em perspectiva de um aparelho de bombeamento de vareta linear;

[023] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva parcialmente cortada do aparelho de bombeamento de vareta linear da FIG. 1;

[024] A FIG. 3 é uma ilustração ortográfica do aparelho de bombeamento de vareta linear das FIGS 1 e 2;

[025] A FIG. 4 é uma vista em perspectiva parcialmente cortada do aparelho de bombeamento de vareta linear da FIG. 3;

[026] A FIG. 5 é uma vista esquemática em corte transversal de um aparelho de bombeamento de vareta linear;

[027] A FIG. 6 é uma vista em perspectiva de um sistema de bombeamento de vareta linear de motor em tandem, de acordo com uma forma de realização da invenção;

[028] A FIG. 7 é uma vista em corte transversal do sistema de bombeamento de vareta linear do motor em tandem, de acordo com uma forma de realização da invenção;

[029] A FIG. 8 é uma ilustração esquemática do sistema de bombeamento de vareta linear do motor em tandem montado na cabeça de poço de um poço de hidrocarboneto, de acordo com uma forma de realização da invenção;

[030] A FIG. 9 é um diagrama esquemático de um dispositivo de bombeamento de óleo, construído de acordo com uma forma de realização da invenção; e

[031] As FIGS. 10-12 são vistas em corte transversal de uma parte do dispositivo de bombeamento de óleo mostrado na FIG. 9.

[032] Embora a invenção seja descrita em conexão com certas concretizações preferidas, não há intenção de restringi-las a essas formas de realização. Pelo contrário, a intenção é abranger todas as alternativas, modificações e equivalentes, quando incluídos no espírito e no escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[033] As FIGS. 1 e 2 mostram uma vista em perspectiva e uma vista em seção transversal em perspectiva, respectivamente, de um aparelho de bombeamento de vareta linear 100. A FIG. 3 mostra uma vista em planta do aparelho de bombeamento de vareta linear 100. O aparelho de bombeamento de vareta linear 100 inclui um sistema de atuador mecânico linear 104 que, por sua vez, inclui um dispositivo de engrenagem de cremalheira e pinhão que possui uma cremalheira 106 e um pinhão 108 operativamente conectados através de uma caixa de engrenagem 110 para ser acionados por um motor elétrico reversível 112 em uma maneira descrita em mais detalhe a seguir.

[034] Como mostrado esquematicamente nas FIGS. 2, 4 e 5, o sistema de atuador mecânico linear 104 do aparelho de bombeamento de vareta linear 100 inclui uma disposição de engrenagem de cremalheira e pinhão 106, 108 com a cremalheira 106 disposta para operação em uma direção substancialmente vertical para movimento alternativo dentro de uma carcaça de três peças tendo uma seção superior, média e inferior 114, 116, 118 ao longo de um eixo de bombeamento orientado substancialmente de forma vertical 120. A cremalheira 106 está operativamente conectada na relação de engrenamento com o pinhão 108 e o pinhão 108 está operativamente conectado a um eixo de saída rotativo 122 do motor 112 de tal modo que rotação do eixo de saída do motor numa primeira direção é acompanhada por um movimento substancialmente verticalmente ascendente da cremalheira 106 ao longo do eixo de bombeamento 120 e de modo que um movimento substancialmente verticalmente descendente da cremalheira 106 ao longo do eixo de bombeamento 120 seja acompanhado pela rotação do eixo de saída do motor 122 numa segunda direção oposta à primeira direção. A cremalheira 106 também está operativamente conectada à vareta de bomba 52 da bomba de vareta de sucção 68 (mostrada na figura 8), de modo que a cremalheira 106 não pode exercer uma força substancialmente verticalmente direcionada para baixo na vareta de bomba 52.

[035] Um canal 130 dirigido longitudinalmente na cremalheira 106 se estende ao longo do eixo de bombeamento 120 a partir de uma extremidade inferior 134 da cremalheira 106 para uma extremidade superior 136 da cremalheira 106, sendo a extremidade superior 136 da cremalheira 106 adaptada para a sua fixação operativa à vareta de bomba 52. Especificamente, como mostrado na FIG. 5, a extremidade superior 136 da cremalheira 106 inclui uma placa superior 138 que tem um orifício 140 que se estende através dela e que define uma superfície de suporte de carga superior 141 da extremidade superior 136 da cremalheira 106.

[036] O aparelho de atuador mecânico linear 104 do aparelho de bombeamento de vareta linear 100 inclui uma vareta de atuador 142 possuindo uma extremidade inferior 144 da mesma fixamente ligada na extremidade superior da vareta de bomba 52 por uma junta roscada ou outro tipo apropriado de acoplamento. A vareta de atuador 142 se estende para cima a partir da extremidade inferior 144, através do canal 130 na cremalheira 106 e o orifício 140 na placa superior 138 da cremalheira 106 e termina na extremidade superior 146 da vareta atuadora 142 que está disposta acima da superfície de suporte 141 na superfície superior da placa superior 138 da cremalheira 136. Uma braçadeira da vareta 148 está fixamente ligada abaixo da extremidade superior 146 da vareta de atuador 142 e acima da extremidade superior 136 da cremalheira 106. A braçadeira 148 tem uma superfície de suporte de carga inferior, adaptada para o contato do rolamento com a superfície de suporte de carga superior 141 da extremidade superior 136 da cremalheira 106, para transferir força entre a vareta de atuador 142 e a extremidade superior 136 da cremalheira 106 quando a superfície de suporte de carga inferior da braçadeira 148 está em contato com a superfície de suporte de carga superior 141 na extremidade superior 136 da cremalheira 106.

[037] A braçadeira 148 forma uma extremidade superior expandida da vareta atuadora 142 possuindo uma configuração que é incapaz de entrar ou passar através do orifício 140 na extremidade superior 136 da cremalheira 106. Será ainda apreciado que, para facilitar a instalação do aparelho de bombeamento de vareta linear 100 em uma cabeça de poço 54, a vareta de atuador 142 pode ser permitida a se estender a uma certa distância além do colar 148, de modo a fornecer alguma medida de ajuste para acomodar variações no posicionamento da extremidade superior da vareta de bomba 52, em relação à extremidade inferior da seção inferior 118 da carcaça do sistema de atuador mecânico linear 104. A seção superior 114 da carcaça do sistema de atuador mecânico linear 104 inclui espaço superior suficiente para acomodar uma parte da vareta de atuador 142 que se estende acima da braçadeira 148.

[038] A fim de reduzir ainda mais o tamanho do aparelho de bombeamento de vareta linear 100, a caixa de engrenagem 110 é uma caixa de engrenagem de ângulo reto possuindo elemento de entrada 166. Em algumas formas de realização, o elemento de entrada 166 da caixa de engrenagem 110 e o eixo rotativo 122 do motor 112 são orientados substancialmente em paralelo ao eixo de bombeamento 120. Deve entender-se que, em outras formas de realização da invenção, o motor 112 pode estar operativamente ligado ao pinhão 108 por uma série de outros meios e em outras orientações relativas.

[039] Como se vê melhor na FIG. 5, o sistema de atuador mecânico linear 104, da segunda forma de realização exemplar 100 da invenção, também inclui um poço de óleo 168, formado pela seção inferior 118 do carcaça, e configurado para conter um volume de lubrificante suficiente no mesmo, de modo que uma parte inferior da cremalheira 106 é imersa no lubrificante durante pelo menos uma parte de cada curso de bomba 84 da bomba de vareta de sucção 68 (mostrada na figura 8). O poço de óleo 168 inclui paredes tubulares interna e externa radialmente espaçadas que se estendem longitudinalmente conectadas de forma vedante em extremidades inferiores deste pela extremidade inferior da seção inferior 118 da carcaça, para assim definir uma cavidade em forma anular entre elas, para receber dentro da cavidade o volume do lubrificante e terminando numa abertura em forma anular entre as extremidades superiores das paredes tubulares interna e externa 170, 172.

[040] Como mostrado na FIG. 5, a parede tubular interna 170 se estende substancialmente acima de um nível de fluido 174 do lubrificante dentro do poço de óleo 168, mesmo quando a cremalheira 106 está posicionada em uma posição descendente máxima do mesmo, de modo que o lubrificante é impedido de fluir sobre a extremidade superior 175 da parede tubular interna 170. Em virtude desta disposição, não é necessário fornecer qualquer tipo de vedação no sistema de atuador mecânico linear 104 entre a extremidade inferior da seção inferior 118 da carcaça e a vareta de bomba 52, ou da vareta de atuador 142.

[041] Contudo, será notado que em outras formas de realização da invenção, podem ser utilizadas outras disposições para proporcionar lubrificação da cremalheira 106 no reservatório de óleo 168, em que seria desejável fornecer uma vedação entre a vareta 52, 142 e a extremidade inferior da seção inferior 118 da carcaça do sistema de atuador mecânico linear 104. Em concretizações particulares da invenção, pode ser desejável que a área da seção transversal do poço de óleo 168 corresponda-se com a área da seção transversal da cremalheira 106 ou uma placa de extremidade inferior 176 suficientemente próxima, para que a imersão da cremalheira 106 no poço de óleo 168 gere amortecimento hidráulico do movimento da cremalheira 106.

[042] Nas FIGS. 9 a 12 em uma concretização particular, o aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem 200 tem um sistema de bomba de óleo 300 que utiliza o movimento da primeira cremalheira 206 e uma segunda cremalheira 207 para circular o óleo. Assim, ao contrário das bombas de óleo convencionais nos sistemas de bombeamento de fundo de poço, o sistema de bomba de óleo 300 não requer uma fonte de energia externa. As bombas convencionais de óleo de fundo de poço transportam o óleo do fundo do poço até os componentes na cabeça de poço. Estes sistemas requerem um aparelho de controle configurado para detectar quando o óleo é necessário e para determinar em qual curso da bomba óleo deve ser transportado do fundo do poço. Em comparação com as bombas de óleo de fundo de poço convencionais, o sistema de bomba de óleo 300 é menos caro e mais fácil de operar e manter, na medida em que não requer o sistema de controle exigidos pelos sistemas convencionais de bombeamento de óleo.

[043] Como mostrado na FIG. 9, o sistema de bomba de óleo 300 inclui uma caixa de pinhão cheia de óleo 216 que é referida acima como a seção intermediária 116 da carcaça de três peças e que atua como um reservatório de óleo acima do solo. O nível de óleo na caixa de pinhão cheia de óleo 216 é suficientemente alto para manter os primeiro e segundo pinhões 208, 209 e uma parte das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 pelo menos parcialmente submersos em óleo. O movimento alternativo das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 atua para bombear o óleo do poço de óleo 168 na seção inferior 118 da carcaça através de uma linha de retorno de óleo 306 para a caixa de pinhão cheia de óleo 216.

[044] Um mecanismo de válvula de bomba 310 está localizado na seção inferior 304. O mecanismo de válvula de bomba 310 alimenta óleo para a linha de retorno de óleo 306, que pode incluir um filtro 308 disposto no poço de óleo 168 na seção inferior 118 da carcaça. O filtro 308 atua para filtrar contaminantes sólidos do óleo na linha de retorno de óleo 306. Em algumas formas de realização, o filtro 308 possui um cartucho substituível para simplificar a manutenção do filtro. A linha de retorno de óleo 306 também pode incluir uma válvula de retenção 309 de modo a ter apenas um fluxo de óleo do poço de óleo 168 na seção inferior 118 da carcaça para a caixa de pinhão cheia de óleo 216.

[045] As FIGS. 10-12 mostram um zoom do mecanismo de válvula de bomba 310, de acordo com uma forma de realização da invenção. O mecanismo de válvula de bomba 310 inclui elementos de inclinação na forma de primeira e segunda molas 312, 313, um assento de válvula 314, um êmbolo 316, placa inferior 320 e uma placa superior 318. A primeira e a segunda molas 312, 313 descansam na placa inferior 320. Na forma de realização mostrada, o assento de válvula 314 é cilíndrico. O assento de válvula cilíndrico 314 tem uma parte superior na forma de um rebordo 319, que é anular na forma de realização das FIGS. 10-12, de modo que o assento de válvula 314 insere no topo da primeira mola 312. No entanto, o rebordo 319 permite que o assento de válvula 314 repouse no topo da primeira mola 312. O assento de válvula cilíndrico 314 tem uma parte inferior 321, que na forma de realização mostrada é cilíndrica, com um fundo plano que pode vedar contra a placa inferior 320.

[046] A FIG. 10 ilustra o mecanismo de válvula de bomba 310 durante a parte ascendente de cada curso de bomba. A placa superior 318, que está fixada às primeira e segunda cremalheiras 206, 207 (mostrado na figura 7), é elevada bem acima do êmbolo 316. A segunda mola 313 impele o êmbolo 316 acima do assento de válvula 314, que é inclinado acima da placa inferior 320 pela primeira mola 312, de modo que, parte do óleo no poço de óleo 168 na seção inferior 118 da carcaça possa fluir para dentro de uma parte interna 315 do mecanismo de válvula de bomba 310. A parte interna 315 está em comunicação de fluido com a linha de retorno de óleo 306 (mostrada na figura 9).

[047] A FIG. 11 ilustra o mecanismo de válvula de bomba 310 durante a parte descendente de cada curso de bomba durante o qual as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 (mostradas na figura 7) abaixam a placa superior 318. A placa superior 318 entra em contato e empurra para baixo o êmbolo 316 e comprime a segunda mola 313. À medida que o êmbolo 316 assenta dentro do assento de válvula 314 criando uma vedação entre eles, a placa superior 318 também entra em contato e empurra para baixo no assento de válvula 314. O assento do êmbolo 316 no assento de válvula 314 comprime o óleo na parte interna 315 do mecanismo de válvula de bomba 310.

[048] A FIG. 12 ilustra o mecanismo de válvula de bomba 310 na parte inferior do curso de bomba descendente. O êmbolo 316 está firmemente assentado no assento de válvula 314. As primeira e segunda molas 312, 313 são totalmente comprimidas e o fundo do assento da válvula 314 é selado contra a placa inferior 320. O óleo na parte interna 315 do mecanismo de válvula de bomba 310 é forçado para dentro da linha de retorno de óleo 306 (mostrado na Figura 9). Cada curso de bomba ascendente preenche a parte interna 315, enquanto cada curso de bomba descendente força o óleo para a linha de retorno de óleo. A válvula de retenção 309 (mostrada na figura 9) garante que o fluxo de óleo só pode mover-se para cima em direção à caixa de pinhão cheia de óleo 116. Desta forma, o sistema de bomba de óleo 300 bombeia continuamente o óleo do fundo do poço para as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 e para os primeiro e segundo pinhões 208, 209 usando apenas o movimento alternativo da coluna de vareta 82 para alimentação.

[049] Referindo-se novamente à FIG. 5, o sistema de atuador mecânico linear 104 inclui uma pilha de amortecedores de uretano 178, 180 operativamente posicionada dentro da cavidade anular no fundo do poço 168, abaixo da extremidade inferior 134 da cremalheira 106 e configurada para engatar e aplicar uma força ascendentemente direcionada para a placa inferior 176 na extremidade inferior 134 da cremalheira 106, quando a placa de extremidade inferior 176 entra em contato com uma placa de contato de mola longitudinalmente móvel 182 configurada para descansar sobre uma extremidade superior dos amortecedores de uretano 178, 180 e mover longitudinalmente ao longo da parede tubular interna 170, à medida que os amortecedores de uretano 178, 180 atuam na extremidade inferior 134 da cremalheira 106.

[050] Em certas formas de realização, os amortecedores de uretano 178, 180 são configurados para engatar-se e aplicar uma força ascendentemente direcionada na extremidade inferior 134 da cremalheira 106, somente quando a extremidade inferior 134 da cremalheira 106 tenha movido além de uma posição inferior normal da cremalheira 106 durante um curso de bomba. Tal disposição proporciona um amortecimento de segurança para trazer com segurança a cremalheira 106 e a coluna de vareta 82 (mostrada na figura 8) lentamente até uma parada em um caso em que uma condição de falha possa resultar na cremalheira 106 sendo deslocada para baixo para uma posição longitudinal mais baixa do que seria ser atingido durante um curso de bomba normal. Em virtude deste arranjo, impede-se um impacto potencialmente prejudicial entre os componentes do sistema de atuador mecânico linear 104 e as válvulas estacionárias e de deslocamento 78, 80, elementos da bomba de vareta de sucção 68 (mostrado na figura 8).

[051] Em outras formas de realização da invenção, no entanto, os amortecedores de uretano 178, 180 podem ser configurados de tal maneira que engatam e aplicam uma força direcionada para cima para a extremidade inferior 134 da cremalheira 106 durante uma parte de cada curso de bomba 84 (mostrado na figura 8), para assim recuperar uma parte da energia cinética gerada pelo peso da coluna de bomba 82 e da bomba de vareta de sucção 68 (mostrada na figura 8) durante a parte descendente do curso de bomba 84 sob a força de gravidade e utilizar essa energia armazenada nos amortecedores de uretano 178, 180 para auxiliar a ação do aparelho de bombeamento de vareta linear 100 durante a parte ascendente do curso, além de prevenir danos mecânicos na cremalheira 106 ou outros componentes na parte inferior de cada curso da bomba 84.

[052] Nos sistemas convencionais de bombeamento de fundo de poço de um único motor, ao procurar aumentar a capacidade de bombeamento do sistema de bombeamento de fundo de poço, existem limites práticos para o quanto se pode aumentar o tamanho do motor. Nos sistemas de motor único, o torque do movimento de rotação do motor gera um momento de flexão na vareta de bomba, na cremalheira e no revestimento do poço. À medida que o tamanho do motor aumenta, o momento de flexão na cremalheira, revestimento de poço e a vareta de bomba podem causar desgaste prematuro da cremalheira e, em casos extremos, falha da cremalheira. Como será explicado abaixo, as formas de realização da presente invenção descrevem uma disposição de motor em tandem que pode reduzir ou eliminar o momento de flexão na cremalheira, revestimento do poço e vareta de bomba.

[053] As FIGS. 6-7 ilustram uma vista em perspectiva e uma vista em corte transversal, respectivamente, de uma forma de realização exemplar de um sistema de bombeamento de vareta linear de motor em tandem 200. Como pode ser visto nas formas de realização das FIGS. 6-7, o sistema de bombeamento de vareta linear de motor em tandem 200 inclui uma vareta de bomba 252 acoplada aos primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares 214, 215. A vareta de bomba 252 está disposta numa única carcaça 220 e abaixo de um único poço/orifício.

[054] Como na forma de realização descrita acima, o primeiro sistema de atuador mecânico linear 214 tem um primeiro pinhão 208 conectado operativamente através de uma primeira caixa de engrenagem 210, que é acionada por um primeiro motor elétrico reversível 212. O segundo sistema de atuador mecânico linear 215 tem um segundo pinhão 209 operativamente conectado através de uma segunda caixa de engrenagem 211, que é acionada por um segundo motor elétrico reversível 213. O primeiro pinhão 208 engata engrenagens, na forma de um conjunto de dentes 217 que se estende verticalmente, na primeira cremalheira 206 que se estende verticalmente, enquanto o segundo pinhão 209 engata engrenagens, similarmente, na forma de um conjunto de dentes que se estende verticalmente, localizado em diferentes lados de uma segunda cremalheira 207 que se estende verticalmente. As primeira e segunda cremalheiras 206, 207 podem ser construídas a partir de uma única peça de material, como aço ou um metal semelhante, por exemplo.

[055] Na FIG. 7, a primeira cremalheira 206 tem o primeiro conjunto de dentes 217 dispostos num primeiro lado da peça única de material. A segunda cremalheira 207 tem o conjunto de dentes 218 dispostos num segundo lado da única peça de material, o segundo lado sendo diferente do primeiro lado. Conforme indicado acima, o primeiro pinhão 208 engata o primeiro conjunto de dentes 217, enquanto o segundo pinhão 209 engata o segundo conjunto de dentes 218. Numa concretização particular, o primeiro conjunto de dentes 217 volta-se a uma primeira direção, e o segundo conjunto de dentes 218 volta-se a uma segunda direção 180 graus a partir da primeira direção. Em formas de realização alternativas, a primeira cremalheira 206 tem o primeiro conjunto de dentes 217 e a segunda cremalheira 207 tem o segundo conjunto de dentes 218, mas as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 são elementos separados que estão conectados fixamente entre si para formar um único componente rígido.

[056] Cada motor 212, 213 tem um elemento rotativo reversível conectado operativamente aos primeiro e segundo pinhões 208, 209 que, em conjunto, engatam as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 para estabelecer uma relação fixa entre a posição rotacional dos primeiro e segundo pinhões 208, 209 e a posição vertical das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 para transmitir movimento vertical à vareta de bomba 252, que está conectada à bomba de fundo de poço 68 (mostrada na figura 8).

[057] Com o arranjo do motor em tandem mostrado nas FIGS. 6-7, é possível aumentar substancialmente a capacidade de bombeamento, em comparação com um aparelho de bombeamento de vareta linear de motor simples, enquanto simultaneamente reduz o momento líquido na vareta de bomba 252 resultante da operação dos motores. Os sistemas convencionais que empregam um único motor podem gerar um momento substancial na vareta de bomba 252, cremalheira e revestimento de poço 60. Normalmente, o momento aumenta com o tamanho do motor. Ao empregar dois motores opostos para aplicar torques aproximadamente iguais, mas opostos, à vareta de bomba 252, ou usando um controlador eletrônico para equalizar o torque colocado na vareta de bomba 252 sincronizando uma posição rotacional dos elementos rotativos dos primeiro e segundo motores 212, 213, é possível duplicar a capacidade da bomba ao se aplicar pouco ou nenhum momento líquido à vareta de bomba 252 e no revestimento do poço. É também previsto que as formas de realização da invenção podem incluir um primeiro controlador eletrônico para controlar o primeiro motor 212 e um segundo controlador eletrônico para controlar o segundo motor 213.

[058] A FIG. 8 é uma ilustração esquemática de uma forma de realização exemplar do aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem 200 montado na cabeça de poço 54 de um poço de hidrocarboneto 56. O poço inclui um revestimento 60 que se estende para baixo no solo através de uma formação subterrânea 62 até uma profundidade suficiente para alcançar um reservatório de óleo 64. O revestimento de poço 60 inclui uma série de perfurações 66, através das quais o fluido do reservatório de hidrocarbonetos entra no reservatório 60, para proporcionar, desse modo, uma fonte de fluido para um aparelho 68 de bombeamento de fundo de poço, instalado no fundo de um comprimento de tubagem 70 que termina numa saída de fluido 72 num ponto acima da superfície 74 do solo. O revestimento 60 termina numa saída de gás 76 acima da superfície do solo 74.

[059] Como mostrado nas FIGS. 7 e 8, o aparelho de bomba de vareta linear de motor em tandem 200, de acordo com a invenção, inclui primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares 214, 215 com primeiro e segundo motores reversíveis 212, 213, um controlador eletrônico 205 e um acionamento de motor ou caixa de engrenagens 210. Em concretizações particulares, o controlador eletrônico 205 tem um ou mais sensores para detectar pelo menos uma dentre uma posição linear das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 ao longo do eixo de bombeamento, posição rotacional dos primeiro e segundo pinhões 208, 209 em torno de seus respectivos eixos de pinhão, torque de motor, velocidade de motor, aceleração de motor e potência de entrada de motor. Além disso, os sensores podem ser configurados para detectar uma posição vertical das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 ao longo do eixo de bombeamento 120 (mostrado na figura 5), e controlar os respectivos motores 212, 213 de acordo com as posições verticais detectadas.

[060] O controlador eletrônico 205 opera os primeiro e segundo motores 212, 213 num modo de acionamento para impulsionar movimento ascendente das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 e da vareta de bomba 252 e opera os primeiro e segundo motores 212, 213 num modo de acionamento ou modo de frenagem durante o movimento descendente das primeira e segunda cremalheiras 206, 207 em uma parte descendente do curso da vareta de bomba 252. Em todas as formas da invenção, os primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares 214, 215 incluem um ou mais elementos substancialmente móveis de forma vertical, tais como as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 fixados à vareta de bomba 252 para transmitir e controlar o movimento vertical da coluna de vareta 82 e da bomba de vareta de sucção 68.

[061] Em certas formas de realização, o controlador eletrônico 205 controla os primeiro e segundo motores 212, 213 de modo a equalizar o torque colocado na vareta de bomba 252, por exemplo, sincronizando os elementos rotativos dos primeiro e segundo motores 212, 213. Especificamente, o controlador eletrônico 205 realiza isto controlando as posições rotacionais dos primeiro e segundo pinhões 208, 209 para sincronizar o movimento vertical transmitido às primeira e segunda cremalheiras 206, 207, respectivamente. Em formas de realização alternativas, o controlador eletrônico 205 usa uma única conexão para controlar os primeiro e o segundo motores 212, 213. O controlador eletrônico 205 pode ser configurado para controlar os primeiro e segundo motores 212, 213 e as posições rotacionais dos primeiro e segundo pinhões 208, 209 através da programação e o uso de algoritmos especialmente projetados, ou através de hardware eletrônico especializado e dedicado, ou através de uma combinação desses dois.

[062] Quando ambos os motores 212, 213 são controlados pelo mesmo sinal de controle desta forma, os primeiro e segundo motores 212, 213 podem ser substancialmente idênticos, em termos de torque gerado, para equalizar o torque e assim reduzir ou eliminar o momento líquido, colocado na vareta de bomba 252. O uso de motores idênticos permite uma operação de certa forma simplificada do sistema de bombeamento de vareta linear do motor em tandem 200. Quando cada motor 212, 213 é capaz de produzir a mesma quantidade de torque, a disposição do motor em tandem produzirá otimamente duas vezes essa quantidade de torque. Este arranjo tipicamente evita danos às primeira e segunda cremalheiras 206, 207 e à vareta de bomba 252 oriundos de sobrecarga, porque mesmo que o desempenho de um motor comece a se degradar em relação ao outro motor, as saídas de torque dos dois motores 212, 213 serão suficientemente próximas para que o momento líquito da vareta de bomba 252 e revestimento de poço 60 não seja suficiente para causar danos ao sistema. Ao se reduzir o momento líquido na vareta de bomba 252 e no revestimento de poço 60, pode ser possível aumentar a extensão de um curso de bomba 84 típico do sistema de bombeamento 200

[063] Em uma determinada forma de realização, as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 se estendem verticalmente ao longo do eixo de bombeamento 120 de tal modo que as primeira e segunda cremalheiras 206, 207 fiquem substancialmente em paralelo ao eixo de bombeamento 120. Nas formas de realização mostradas, a primeira cremalheira 206 tem o primeiro conjunto de dentes verticalmente adjacentes 217 ao longo de um lado da primeira cremalheira 206, enquanto a segunda cremalheira 207 tem o segundo conjunto de dentes verticalmente adjacentes 218 ao longo de um lado da segunda cremalheira 207 diferentes do lado da primeira cremalheira 206. Em algumas formas de realização, o conjunto de dentes 217 da primeira cremalheira 206 volta-se para longe do conjunto de dentes 218 na segunda cremalheira 207, de modo que o conjunto de dentes 217 na primeira cremalheira 206 volta-se a uma direção que é 180 graus a partir da direção à qual o conjunto de dentes 218 está voltada na segunda cremalheira 207, e em que ambos os conjuntos de dentes 218, 218 confrontam direções que são perpendiculares ao eixo de bombeamento 120.

[064] Em uma outra forma de realização, o primeiro motor 212 do primeiro sistema de atuador mecânico linear 214 está disposto em um primeiro lado da vareta de bomba 252 e o segundo motor 213 do segundo sistema de atuador mecânico linear 215 está disposto num segundo lado da vareta de bomba 252 oposto ao primeiro lado.

[065] Numa concretização particular, a primeira bomba de fundo de poço 68 inclui uma válvula estacionária 78 e uma válvula de deslocamento 80. A válvula de deslocamento 80 está ligada a uma coluna de vareta 82 que se estende para cima através da tubagem 70 e que sai da cabeça de poço 54 na vareta de bomba 52. Aqueles que são técnicos no assunto reconhecerão que o primeiro aparelho de bombeamento de fundo de poço 68, em uma forma de realização exemplar da invenção, forma uma disposição tradicional de bomba de vareta de sucção para levantar fluido do fundo do poço 56, conforme a primeira vareta de bomba 252 transmite movimento recíproco para a primeira coluna de vareta 82, e a primeira coluna de vareta 82 faz, por sua vez, um movimento recíproco da válvula de deslocamento 80 através do curso de bomba 84. Num poço de hidrocarboneto típico, a coluna de vareta 82 pode ter centenas de metros (milhares de pés) de comprimento e o curso de bomba 84 pode ter vários metros de comprimento.

[066] Todas as referências, incluindo publicações, pedidos de patente e patentes citadas aqui estão aqui incorporadas por referência na mesma extensão como se cada referência fosse individual e especificamente indicada para ser incorporada por referência e foram aqui apresentadas na sua totalidade.

[067] O uso dos termos "um, uma," e "uns" e "o, a" e referentes semelhantes no contexto da descrição da invenção (especialmente no contexto das reivindicações a seguir,) devem ser interpretados abrangendo o singular e o plural, a menos que de outro modo indicado, ou claramente contradito pelo contexto. Os termos "compreendendo", "ter", "incluir" e "conter" devem ser interpretados como termos abertos (isto é, que significa "incluir, mas não limitado a"), a menos que seja observado de outra forma. A descrição de faixas de valores aqui contidas é destinada apenas a servir como um método abreviado de se referir individualmente a cada valor separado que se enquadre na faixa de valores, a menos que seja aqui indicado de outro modo, e cada valor separado é incorporado no relatório descritivo como se fosse aqui indicado individualmente. Todos os métodos aqui descritos podem ser realizados em qualquer ordem adequada, salvo indicação em contrário aqui ou de outra forma claramente contrariado pelo contexto. A utilização de qualquer e todos os exemplos, ou a linguagem exemplar (por exemplo, "tal como") aqui proporcionada, destina-se apenas a esclarecer melhor a invenção e não representa uma limitação no escopo da invenção, a menos que seja reivindicada de outra forma. Nenhum idioma no relatório descritivo deve ser interpretado como indicando qualquer elemento não reivindicado como essencial para a prática da invenção.

[068] As formas de realização preferidas desta invenção são aqui descritas, incluindo o melhor modo conhecido dos inventores para a realização da invenção. As variações das formas de realização preferidas podem tornar-se evidentes para os especialistas na técnica após a leitura da descrição precedente. Os inventores esperam que, autores qualificados empreguem tais variações conforme apropriado, e os inventores pretendem que a invenção seja praticada de outra forma que não a especificamente aqui descrita. Consequentemente, esta invenção inclui todas as modificações e equivalentes do assunto referido nas reivindicações anexas, conforme permitido pela lei aplicável. Além disso, qualquer combinação dos elementos acima descritos em todas as suas possíveis variações é abrangida pela invenção, a menos que de outro modo indicado, ou, ainda, visivelmente contrariado pelo contexto.

Claims (21)

1. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200) para transmitir movimento alternativo substancialmente vertical a uma bomba de vareta de sucção (68), o aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200) CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma vareta de bomba (252) configurada para ser operacionalmente conectada à bomba de vareta de sucção (68); primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares (214, 215) configurados para transmitir e controlar movimento vertical da vareta de bomba (252), os primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares (214, 215) sendo construídos para operar com uma única carcaça (220), em que o primeiro sistema de atuador mecânico linear (214) compreende: um primeiro arranjo de engrenagem de cremalheira e pinhão com uma primeira cremalheira (207) configurada para transmitir um movimento alternativo ao longo de um eixo de bombeamento (120); a primeira cremalheira sendo configurada para ser operativamente conectada em uma primeira relação de engrenamento com um primeiro pinhão (208), o primeiro pinhão (208) sendo configurado para ser operativamente conectado a uma saída rotativa de um primeiro motor (212), de modo que a rotação do primeiro motor (212) em uma primeira direção resulta em um movimento ascendente da primeira cremalheira (207) ao longo do eixo de bombeamento (120), e a rotação do primeiro motor (212) em uma segunda direção oposta à primeira direção resulta em um movimento descendente da primeira cremalheira (207) ao longo do eixo de bombeamento (120), a primeira cremalheira (207) também sendo configurada para ser operativamente conectada à vareta de bomba (252) de modo que o movimento verticalmente ascendente da primeira cremalheira (207) transmite um movimento verticalmente ascendente para a vareta de bomba (252), e de modo que a vareta de bomba (252) exerce uma força substancialmente verticalmente direcionada para baixo ao longo do eixo de bombeamento (120), durante uma parte de um curso de bomba; em que o segundo sistema de atuador mecânico linear (215) compreende: um segundo arranjo de engrenagem de cremalheira e pinhão com uma segunda cremalheira (206) configurada para transmitir movimento alternativo ao longo do eixo de bombeamento (120); a segunda cremalheira (206) sendo configurada para ser operativamente conectada em uma segunda relação de engrenamento com um segundo pinhão (209), o segundo pinhão (209) sendo configurado para ser operativamente conectado a uma saída rotativa de um segundo motor (213), de modo que a rotação do segundo motor (213) na primeira direção resulta em um movimento ascendente da segunda cremalheira (206) ao longo do eixo de bombeamento (120), e a rotação do segundo motor (213) na segunda direção oposta à primeira direção resulta em um movimento descendente da segunda cremalheira (206) ao longo do eixo de bombeamento (120), a segunda cremalheira (206) também sendo operativamente conectada à vareta de bomba (252) de modo que movimento verticalmente ascendente da segunda cremalheira (206) transmite um movimento verticalmente ascendente para a vareta de bomba (252), e de tal modo que a vareta de bomba (252) exerce uma força substancialmente verticalmente direcionada para baixo ao longo do eixo de bombeamento (120), durante a parte do curso da bomba; o primeiro motor (212) tendo um elemento rotativo reversível configurado para ser conectado operativamente ao primeiro pinhão (208) que engata a primeira cremalheira (207) para estabelecer uma relação fixa entre a posição rotacional do primeiro pinhão (208) e a posição vertical da primeira cremalheira (207), o segundo motor (213) tendo um elemento rotativo reversível configurado para ser operativamente conectado ao segundo pinhão (209) que engata a segunda cremalheira (206) para estabelecer uma relação fixa entre a posição rotacional do segundo pinhão (209) e a posição vertical da segunda cremalheira (206); e em que pelo menos um controlador eletrônico (205) é configurado para ser operativamente conectado aos primeiro e segundo motores (212, 213), para controlar os primeiro e o segundo motores (212, 213), em que o pelo menos um controlador eletrônico (205) é configurado para operar cada motor simultaneamente em um modo de acionamento para impulsionar movimento ascendente de sua respectiva cremalheira (206, 207) e da vareta de bomba (252), e para operar cada motor simultaneamente em um modo de acionamento ou frenagem durante o movimento descendente de sua respectiva cremalheira (206, 207) em uma parte descendente do curso da vareta de bomba (252).

2. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um controlador eletrônico (205) inclui um ou mais sensores para detectar pelo menos uma dentre uma posição linear das primeira e segunda cremalheiras (206, 207) ao longo do eixo de bombeamento (120), uma posição rotacional de cada um dos primeiro e segundo pinhões (208, 209) em torno de um respectivo eixo de pinhão, um torque de motor para cada um dos primeiro e segundo motores (212, 213), uma velocidade de motor para cada um dos primeiro e segundo motores (212, 213), uma aceleração de motor para cada um dos primeiro e segundo motores (212, 213), e uma potência de entrada de motor para cada um dos primeiro e segundo motores (212, 213).

3. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador eletrônico (205) é configurado para equalizar o torque colocado na vareta de bomba (252) sincronizando uma posição rotacional dos elementos rotativos dos primeiro e segundo motores (212, 213).

4. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro motor (212) está disposto em um primeiro lado exterior da carcaça (220), e o segundo motor (213) está disposto em um segundo lado exterior da carcaça (220) diferente do primeiro lado exterior.

5. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as primeira e segunda cremalheiras (206, 207) compreendem um único elemento com um primeiro conjunto de dentes (217) disposto em um primeiro lado do elemento, um segundo conjunto de dentes (218) disposto em um segundo lado do elemento diferente do primeiro lado, e em que o primeiro pinhão (208) engata o primeiro conjunto de dentes (217) e o segundo pinhão (209) engata o segundo conjunto de dentes (218).

6. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro conjunto de dentes (217) está voltado para uma primeira direção, o segundo conjunto de dentes (218) está voltado para uma segunda direção a 180 graus a partir da primeira direção.

7. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira cremalheira (207) possui um primeiro conjunto de dentes (218) e a segunda cremalheira (206) possui um segundo conjunto de dentes (217), as primeira e segunda cremalheiras (207, 206) sendo elementos separados que estão fixamente conectados um ao outro.

8. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e segundo motores (212, 213) têm o mesmo tamanho de modo a substancialmente equalizar o torque colocado na vareta de bomba (252).

9. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um controlador eletrônico (205) compreende um único controlador eletrônico configurado para controlar ambos dos primeiro motor e segundo motor (212, 213).

10. Aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um controlador eletrônico (205) compreende um primeiro controle eletrônico configurado para controlar o primeiro motor (212) e um segundo controle eletrônico configurado para controlar o segundo motor (213).

11. Método para operar um aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200) para transmitir movimento alternativo substancialmente vertical a uma bomba de vareta de sucção (68), o aparelho de bombeamento de vareta linear de motor em tandem (200) incluindo uma vareta de bomba (252) configurada para ser conectada à bomba de vareta de sucção (68), e primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares (214, 215), cada um possuindo um motor (212, 213), o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: conectar a vareta de bomba (252) à bomba de vareta de sucção (68); construir os primeiro e segundo sistemas de atuadores mecânicos lineares (214, 215) para operar dentro de uma única carcaça (220); operar simultaneamente cada um dos dois motores (212, 213) de uma maneira que transmite movimento vertical alternativo para um elemento verticalmente móvel através dos primeiro e segundo sistemas atuadores mecânicos lineares (214, 215), cada motor possuindo um elemento rotativo reversível configurado para ser operativamente conectado ao elemento verticalmente móvel, estabelecendo, assim, uma relação fixa entre a posição rotacional dos elementos rotativos e a posição vertical do elemento verticalmente móvel; em que a operação simultânea dos dois motores (212, 213) é configurada para transmitir um movimento vertical alternativo para a vareta de bomba (252) e para a bomba de vareta de sucção (68) conectada na mesma.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que cada elemento rotativo inclui um pinhão (208, 209) e cada elemento verticalmente móvel compreende uma cremalheira (206, 207) possuindo uma primeira pluralidade de dentes verticalmente adjacentes (218) ao longo de um primeiro lado da cremalheira e uma segunda pluralidade de dentes verticalmente adjacentes (217) ao longo de um segundo lado da cremalheira, a primeira pluralidade de dentes verticalmente adjacentes orientada em uma direção de 180 graus a partir daquela da segunda pluralidade de dentes verticalmente adjacentes, e em que o método compreende adicionalmente dispor a primeira pluralidade de dentes verticalmente adjacentes (218) em um primeiro lado da vareta de bomba (252), e dispor a segunda pluralidade de dentes verticalmente adjacentes (217) em um segundo lado da vareta de bomba 9252) diferente do primeiro lado.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente detectar pelo menos uma dentre uma posição linear da cremalheira (206, 207) ao longo do eixo de bombeamento (120), uma posição rotacional de cada um dos dois pinhões (208, 209) em torno de um respectivo eixo de pinhão, um torque de motor para cada um dos dois motores (212, 213), uma velocidade de motor para cada um dos dois motores (212, 213), uma aceleração de motor para cada um dos dois motores (212, 213), e uma potência de entrada de motor para cada um dos dois motores (212, 213).

14. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente sincronizar as posições dos dois elementos rotativos para equalizar o torque colocado na vareta de bomba (252).

15. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente dispor o motor (212) do primeiro sistema de atuador mecânico linear (214) em um primeiro lado externo da carcaça (220), e dispor o motor (213) do segundo sistema de atuador mecânico linear (215) em um segundo lado externo da carcaça (220) oposto ao primeiro lado externo.

16. Sistema de bombeamento de óleo, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma linha de retorno de óleo (306) configurada para transportar óleo a partir de um poço de óleo em uma primeira parte de uma carcaça de bomba para um reservatório de óleo interno em uma segunda parte da carcaça de bomba; uma placa superior (318) fixada a uma parte de uma vareta de bomba (252) de modo que a placa superior (318) se mova para cima e para baixo de acordo com um movimento alternativo da vareta de bomba (252); uma placa inferior (320) situada abaixo da placa superior (318), um mecanismo de bomba disposto entre a placa superior (318) e a placa inferior (320), o mecanismo de bomba compreendendo: um assento de válvula (314) com uma parte inferior configurada para entrar em contato com a placa inferior (320) e uma parte superior configurada para entrar em contato com a placa superior (318); um primeiro elemento de inclinação configurado para impulsionar o assento da válvula (314) para cima e para longe da placa inferior (320); um êmbolo (316) configurado para assentar dentro da parte superior do assento de válvula (314), criando uma vedação entre os mesmos; e um segundo elemento de inclinação configurado para impulsionar o êmbolo (316) para cima e para longe do assento de válvula (314); em que o movimento ascendente da vareta de bomba (252) e da placa superior (318) fixada permite que o óleo flua para dentro de uma parte interna do mecanismo de bomba em comunicação de fluido com a linha de retorno de óleo (306), e o movimento descendente da vareta de bomba (252) e da placa superior (318) fixada faz com que o êmbolo (316) se assente dentro do assento de válvula (314), e faz com que a parte inferior do assento de válvula (314) vede contra a placa inferior (320) de modo que óleo flua para dentro da linha de retorno de óleo (306) e para cima em direção ao reservatório de óleo interno.

17. Sistema de bombeamento de óleo, de acordo com a reivindicação 16 CARACTERIZADO pelo fato de que os primeiro e segundo elementos de inclinação compreendem primeira e segunda molas (312, 313), respectivamente.

18. Sistema de bombeamento de óleo, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que a parte inferior do assento de válvula (314) é cilíndrica, e a parte superior do assento de válvula (314) é anular.

19. Sistema de bombeamento de óleo, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que a parte superior tem um rebordo (319) que assenta contra uma extremidade superior da primeira mola (312).

20. Sistema de bombeamento de óleo, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a linha de retorno de óleo (306) inclui uma válvula de retenção (309) que só permite que o óleo flua para cima para o reservatório de óleo.

21. Sistema de bombeamento de óleo, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a linha de retorno de óleo (306) inclui um filtro (308) para filtrar contaminantes sólidos do óleo.

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