BR112019002531B1 - Sistemas de válvula de segurança subsuperficial para furo de poço e métodos para usar sistemas - Google Patents

Abstract

É descrito um sistema de válvula de segurança subsuperficial para um furo de poço. O sistema pode incluir um alojamento tubular disposto dentro do furo de poço que tem uma cavidade que percorre em uma direção longitudinal através do mesmo. O sistema também pode incluir um dispositivo eletromagnético configurado para receber potência elétrica para criar um campo magnético e uma lingueta operacional para abrir e fechar a cavidade em resposta à potência elétrica recebida pelo dispositivo eletromagnético. A lingueta pode abrir em resposta à potência elétrica que excede uma primeira válvula de potência elétrica e permanece aberta em resposta à potência elétrica que excede uma segunda válvula de potência elétrica que é inferior à primeira válvula de potência elétrica.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente revelação se refere, em geral, às válvulas de segurança subsuperficiais controladas por superfície (também chamadas de “SCSSVs”) em um furo de poço subterrâneo e, mais especificamente, a válvulas de segurança subsuperficiais controladas por superfície eletricamente alimentadas em um furo de poço subterrâneo.

ANTECEDENTES

[0002] Na produção de óleo e gás com o uso de um furo de poço, as válvulas de segurança quase sempre precisam ser instaladas dentro do furo de poço. As válvulas de segurança são projetadas para isolar o furo de poço no caso de uma condição operacional que pode resultar em danos na superfície ou próximo à mesma. Uma operação de válvulas de segurança pode se tornar problemático em poços de água profunda, em que milhares de pés de pressão hidrostática podem acumular, mesmo antes de entrar no furo de poço. As válvulas de segurança existentes operam com o uso de hidráulica, nitrogênio e/ou ímãs.

[0003] Algumas válvulas de segurança hidráulicas convencionais podem ter profundidades de definição limitadas, exceto se as pressões de equilíbrio de nitrogênio forem usadas para deslocar os efeitos de altas pressões de cabeça. Quanto mais profunda uma válvula de segurança convencional for definida, mais altas serão as forças atuando sobre o pistão hidráulico. Eventualmente, a mola de potência à prova de falha usada para retornar o tubo de fluxo (e permitir que a lingueta feche) pode não ser suficientemente forte para elevar a coluna de fluido que atua sobre o pistão hidráulico. O nitrogênio foi usado no passado para compensar por esse efeito. Entretanto, as válvulas projetadas com pressão de carga de nitrogênio podem ter a desvantagem adicional de variação operacional com temperatura e o potencial de pressão de gás perdida.

[0004] Algumas válvulas de segurança hidráulicas convencionais também podem ter tempos de resposta de fechamento lentos. Quando a pressão hidráulica é aliviada na válvula de segurança (em uma condição de emergência), o tempo necessário para mover o fluido hidráulico através da linha de controle de diâmetro pequeno pode ser mais longo do que o desejado. Isso apresenta riscos operacionais e, por vezes, de regulação durante a operação.

[0005] As válvulas de segurança elétricas existentes têm exigências de potência significativas para acionar motores ou reter solenoides na posição para funcionar adequadamente. As exigências de alta potência geram calor significativo, o que resulta em desperdício e pode levar à falha de componente prematura durante a vida útil do poço.

[0006] Portanto, há uma necessidade de um sistema de válvula de segurança aprimorado para solucionar o problema de pressão hidrostática e limitações de profundidade assim como minimizar a potência necessária para operar válvulas de segurança elétricas. Com o uso de um atuador elétrico e eliminando a necessidade de uma linha de controle hidráulica, os problemas associados à profundidade e pressão podem ser atenuados. O tempo de resposta lento também é atenuado devido ao fato de que a válvula de segurança é capaz de fechar quase instantaneamente. Ademais, a potência necessária para manter aberto esse sistema de válvula de segurança é reduzida, por sua vez, reduzindo a falha de componente e desperdício de potência.

SUMÁRIO

[0007] Um aspecto da presente invenção se refere a um sistema de válvula de segurança subsuperficial para um furo de poço. O sistema de válvula de segurança pode incluir um alojamento tubular disposto dentro do furo de poço que tem uma cavidade que percorre em uma direção longitudinal através do mesmo. O sistema de válvula de segurança pode incluir adicionalmente uma fonte de geração de potência que gera potência elétrica, um dispositivo eletromagnético que recebe a potência elétrica gerada pelo dispositivo de geração de potência para criar um campo magnético, e uma lingueta operacional para abrir e fechar a cavidade em resposta à potência elétrica recebida pelo dispositivo eletromagnético. A lingueta pode abrir em resposta à potência elétrica que excede uma primeira válvula de potência elétrica e pode permanecer aberta em resposta à potência elétrica que excede uma segunda válvula de potência elétrica. A primeira válvula de potência elétrica pode ser maior do que a segunda válvula de potência elétrica.

[0008] Em uma modalidade, a lingueta pode fechar em resposta ao fato de que a potência elétrica é menor ou igual à segunda válvula de potência elétrica.

[0009] Em outra modalidade, o dispositivo eletromagnético pode compreender uma bobina.

[0010] Ainda em outra modalidade, o dispositivo eletromagnético pode compreender uma pluralidade de bobinas.

[0011] Ainda em outra modalidade, o dispositivo eletromagnético pode estar em isolamento fluido em relação à cavidade.

[0012] Ainda em outra modalidade, o dispositivo eletromagnético pode ser isolado da cavidade por vedações estáticas entre metais.

[0013] Ainda em outra modalidade, o sistema de válvula de segurança pode incluir adicionalmente uma câmara de bobina que contém o dispositivo eletromagnético. A câmara de bobina pode ser equilibrada por pressão com a cavidade.

[0014] Ainda em outra modalidade, o sistema de válvula de segurança pode incluir adicionalmente uma câmara de bobina que contém o dispositivo eletromagnético. A câmara de bobina pode ser equilibrada por pressão com um espaço anular que circunda o alojamento tubular.

[0015] Outro aspecto da presente invenção também se refere a um sistema de válvula de segurança para um furo de poço. O sistema de válvula de segurança pode incluir um alojamento tubular disposto dentro do furo de poço que tem uma cavidade que percorre em uma direção longitudinal através do mesmo. O sistema de válvula de segurança também pode incluir um tubo de fluxo disposto dentro do alojamento e que contém núcleos magnéticos. O sistema de válvula de segurança também pode incluir uma mola de potência acoplada ao tubo de fluxo de modo a inclinar o tubo de fluxo em direção a uma extremidade superior do alojamento tubular. O sistema de válvula de segurança também pode incluir uma fonte de geração de potência que gera a potência elétrica. O sistema de válvula de segurança também pode incluir um dispositivo eletromagnético deslocado, em uma direção longitudinal, do núcleo magnético. O dispositivo eletromagnético pode ser configurado para receber a potência elétrica gerada pelo dispositivo de geração de potência para exercer uma força magnética sobre o elemento magnético em direção a uma extremidade inferior do alojamento tubular. O sistema de válvula de segurança também pode incluir uma lingueta localizada dentro do alojamento tubular operacional para abrir a cavidade em resposta ao deslocamento do tubo de fluxo a partir de uma primeira posição para uma segunda posição. O tubo de fluxo pode ser deslocado da primeira posição para a segunda posição em resposta à potência elétrica que excede uma primeira válvula de potência elétrica. O tubo de fluxo pode permanecer deslocado na segunda posição em resposta à potência elétrica que excede uma segunda válvula de potência elétrica. A primeira válvula de potência elétrica pode ser maior do que a segunda válvula de potência elétrica.

[0016] Em uma modalidade, o sistema de válvula de segurança pode incluir um mecanismo de retenção que engata o tubo de fluxo ao alojamento tubular em resposta ao fato de que o tubo de fluxo é deslocado na segunda posição.

[0017] Em outra modalidade, o mecanismo de retenção pode incluir uma ou mais esferas de retenção configuradas para a captura em um detentor no tubo de fluxo em resposta ao fato de que o tubo de fluxo é deslocado na segunda posição.

[0018] Ainda em outra modalidade, o dispositivo eletromagnético pode estar em isolamento fluido na câmara de bobina em relação ao furo de poço.

[0019] Ainda em outra modalidade, a lingueta pode ser fechada quando o tubo de fluxo está na primeira posição.

[0020] Ainda em outra modalidade, o sistema de válvula de segurança pode incluir uma câmara de bobina que contém o dispositivo eletromagnético, em que a câmara de bobina é equilibrada por pressão com um espaço anular que circunda o alojamento tubular.

[0021] Ainda em outro aspecto da presente invenção, um método para usar o sistema de válvula de segurança como descrito no presente documento pode incluir uma etapa de oscilar a potência elétrica de modo que a potência elétrica não sofra uma queda abaixo da segunda válvula de potência elétrica.

[0022] Em outra modalidade, o tubo de fluxo pode ser eletricamente vibrado enquanto a cavidade é aberta para permitir que a cavidade seja fechada.

[0023] Ainda em outra modalidade, o tubo de fluxo pode ser eletricamente vibrado enquanto a cavidade é fechada para permitir que a cavidade seja aberta.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0024] A presente invenção irá se tornar mais completamente entendida a partir da descrição detalhada fornecida abaixo e a partir dos desenhos anexos. Os desenhos são destinados revelar apenas alguns exemplos possíveis da presente invenção e, portanto, não limitam o escopo da presente invenção.

[0025] A Figura 1 mostra uma vista em seção de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção;

[0026] A Figura 2 mostra uma vista em seção de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção e identifica uma seção superior, uma seção intermediária e uma seção inferior da mesma;

[0027] A Figura 3 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção superior e uma seção intermediária de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção;

[0028] A Figura 4 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção;

[0029] As Figuras 5A a 5C mostram uma vista em seção detalhada de uma seção superior, uma seção intermediária e uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial, respectivamente, em um estado fechado de acordo com a presente invenção;

[0030] As Figuras 6A a 6C mostram uma vista em seção detalhada de uma seção superior, uma seção intermediária e uma seção inferior de uma válvula de segurança subsuperficial, respectivamente, em um estado aberto de acordo com a presente invenção;

[0031] A Figura 7 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção em um estado fechado;

[0032] A Figura 8 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção, em que a mola de equilíbrio é compreendida;

[0033] A Figura 9 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção, em que a lingueta é aberta;

[0034] A Figura 10 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção, em que a mola de captura é compreendida;

[0035] A Figura 11 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção, em que as esferas de retenção são assentadas no detentor de tubo de fluxo;

[0036] A Figura 12 mostra uma vista em seção detalhada de uma seção inferior de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção, em que as esferas de retenção são liberadas do detentor de tubo de fluxo;

[0037] As Figuras 13A a 13B mostram uma vista em seção detalhada de um sistema de válvula de segurança subsuperficial com um mecanismo de pinça radial; e

[0038] A Figura 14 mostra uma vista em seção detalhada de um sistema de válvula de segurança subsuperficial com um mecanismo de pinça longitudinal.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0039] A presente invenção geralmente se refere a um sistema aprimorado de válvula de segurança subsuperficial controlado por superfície e alimentado eletricamente para uso em um furo de poço subterrâneo. Os exemplos preferenciais do sistema de válvula de segurança subsuperficial descritos em detalhes abaixo são úteis especificamente no contexto de poços e perfuração de óleo e gás. Entretanto, os exemplos descritos abaixo também podem ser aplicáveis a outras aplicações fluídicas de alta pressão.

[0040] Uma vista em seção de uma modalidade exemplificativa de um sistema de válvula de segurança subsuperficial de acordo com a presente invenção é mostrada na Figura 1. O conjunto de válvula de segurança 100 é configurado para ser conectado a e integrado com tubagem de produção de fundo de poço disposta em um furo de poço subterrâneo. O conjunto de válvula de segurança 100 inclui um alojamento tubular que consiste em um alojamento superior 102, um alojamento de armadura 104, um alojamento de mola 106 e um alojamento inferior 108. O alojamento superior 102 é mecanicamente acoplado ao alojamento de armadura 104, que é mecanicamente acoplado ao alojamento de mola 106, que é mecanicamente acoplado ao alojamento inferior 108.

[0041] O alojamento de armadura 104 contém armaduras que podem estar situadas em uma ou mais câmaras de bobina dentro do alojamento de armadura 104. Em uma modalidade particular como mostrado na Figura 1, uma armadura superior 110 e uma armadura inferior 112 são contidas dentro do alojamento de armadura, porém, menos ou mais armaduras podem ser incluídas à medida em que for necessário. As armaduras 110 e 112 são preferencialmente solenoides construídos de cabeamento condutor e eletricamente conectados à terminação elétrica 128. A terminação elétrica 128 é conectado a uma fonte de geração de potência, a qual pode ser localizada na superfície de um furo de poço.

[0042] O alojamento de armadura 104 pode conter adicionalmente espaçadores de armadura 114, 116 e 118 separando as armaduras 110 e 112 das extremidades do alojamento de armadura 104 e uma da outra. As armaduras 110 e 112 e os espaçadores de armadura 114, 116 e 118 são preferencialmente tubulares quanto ao formato ou, de outro modo, conformados para se aninhar dentro do alojamento de armadura tubular 104. Quando as armaduras 110 e 112 são energizadas com potência elétrica das terminação elétrica 128, um fluxo magnético circula ao redor de cada armadura.

[0043] A modalidade exemplificativa mostrada na Figura 1 inclui uma armadura superior 110 e uma armadura inferior 112, porém, outros números de armaduras podem ser usados. Múltiplas armaduras podem ser conectadas à fonte de geração de potência em paralelo, de modo que cada armadura possa ser independentemente operada durante a atuação da válvula no caso de quaisquer uma ou mais armaduras falharem. Quando múltiplas armaduras são usadas, a distância entre as mesmas é preferencialmente otimizada para minimizar a distância entre as mesmas (reduzindo, assim, os custos de fabricação), enquanto maximiza a força magnética gerada quando as armaduras são energizadas. A distância entre as armaduras pode ser empiricamente determinada e uma variedade de distâncias entre armaduras podem ser usadas dependendo dos critérios de projeto. Como um exemplo, a distância entre armaduras pode ser igual ao comprimento das armaduras.

[0044] O comprimento das próprias armaduras pode variar à medida em que outras dimensões variam, como o diâmetro do conjunto de válvula de segurança 100. Preferencialmente, o comprimento das armaduras é três vezes a distância percorrida pelo tubo de fluxo ao transitar entre um estado aberto e um estado fechado.

[0045] Para impedir a deformação da estrutura, as câmaras de bobina nas quais as armaduras 110 e 112 residem são preferencialmente equilibradas por pressão ao tubo de fluxo. O equilíbrio por pressão pode ser alcançado através de um pistão de equilíbrio. As câmaras de bobina podem ser alternativamente equilibradas por pressão a um espaço anular que circunda o alojamento tubular que inclui o alojamento de armadura 104.

[0046] O conjunto de válvula de segurança 100 inclui adicionalmente uma lingueta 130 em direção a uma extremidade inferior do conjunto. Como usado no presente documento, o termo extremidade superior se refere a uma extremidade do conjunto de válvula de segurança 100 mais distante da lingueta 130 e o termo ascendente se refere a uma direção que aponta da lingueta 130 para a extremidade superior. Além disso, como usado no presente documento, o termo extremidade inferior se refere a uma extremidade do conjunto de válvula de segurança 100 mais próxima à lingueta 130 e o termo descendente se refere a uma direção que aponta da extremidade superior para a extremidade inferior.

[0047] Para os propósitos de diagramas mais detalhados, a Figura 2 representa uma seção superior, uma seção intermediária e uma seção inferior do conjunto de válvula de segurança 100.

[0048] Uma vista em seção detalhada de uma seção superior e uma seção intermediária do conjunto de válvula de segurança 100 é mostrada na Figura 3. Dentro do alojamento superior 102 e do alojamento de armadura 104 há um tubo de fluxo superior 120. Uma superfície externa do tubo de fluxo superior 120 é preferencialmente coincidente ou aproximadamente coincidente com superfícies internas do alojamento superior 102 e do alojamento de armadura 104 e é capaz de se mover em uma direção longitudinal em relação ao alojamento superior 102 e ao alojamento de armadura 104. O tubo de fluxo superior 120 inclui um núcleo superior 122 e um núcleo inferior 124, cada um dos quais é formado a partir de um material magnético. Quando o sistema de válvula de segurança 100 está em um estado fechado, os núcleos 122 e 124 são deslocados em direção à extremidade superior do conjunto de válvula de segurança 100 em uma direção longitudinal a partir das armaduras 110 e 112, respectivamente.

[0049] A distância que cada núcleo é deslocado em direção à extremidade superior do conjunto de válvula de segurança 100 em uma direção longitudinal a partir de sua respectiva armadura pode ser empiricamente determinada e uma variedade de distâncias de deslocamento podem ser usadas dependendo de critérios de projeto. Como um exemplo, cada núcleo pode ser deslocado em direção à extremidade superior do conjunto de válvula de segurança 100 em uma direção longitudinal a partir de sua respectiva armadura, de modo que dois terços do comprimento do núcleo se projetem a partir da armadura.

[0050] Dois núcleos 122 e 124 são mostrados na Figura 3, porém, preferencialmente, o número de núcleos empregados é igual ao número de armaduras empregadas. Além disso, preferencialmente, os núcleos 122 e 124 têm um comprimento longitudinal similar às armaduras 110 e 112 e, adicionalmente, são afastados um do outro uma distância similar às armaduras 110 e 112. Preferencialmente, os núcleos 122 e 124 são tubulares quanto ao formato ou, de outro modo, são formados em um formato similar ao tubo de fluxo superior 120.

[0051] Os núcleos 122 e 124 são preferencialmente formados a partir de um material com alta permeabilidade magnética e alta saturação magnética. Esse material pode incluir “ferro elétrico", que pode ser vendido sob uma variedade de nomes comerciais.

[0052] Uma vista em seção detalhada de uma seção inferior do conjunto de válvula de segurança 100 é mostrado na Figura 4. A lingueta 130 é incluída em direção à extremidade inferior do conjunto de válvula de segurança 100 e serve para abrir e fechar o tubo de fluxo. A lingueta 130 gira ao redor do pino de lingueta 134 que é orientado em uma direção ortogonal à direção longitudinal do conjunto de válvula de segurança 100. A lingueta 130 é inclinada em uma posição fechada por uma mola de lingueta 132 que pode ser conectada ao pino de lingueta 134. Uma sede rígida 136 e uma sede macia 138 definem coletivamente uma superfície contra a qual a lingueta 130 repousa em uma posição fechada. A sede rígida 136 e a sede macia 138 podem ser fixadas ao alojamento de mola 106 ou ao alojamento inferior 108 por parafusos de ajuste 140, ou por outros meios adequados para reter as sedes 136 e 138 em posição em relação ao alojamento tubular.

[0053] Um tubo de fluxo inferior 150 é disposto dentro do alojamento de armadura 104 e do alojamento de mola 106. O tubo de fluxo inferior 150 pode ser aninhado dentro de uma extremidade de recebimento 170 do tubo de fluxo superior 120. Juntos, o tubo de fluxo inferior 150 e o tubo de fluxo superior 120 definem um canal 180 através do qual o óleo ou gás (ou outro produto) é transportado. O canal é aberto ou fechado pela lingueta 130.

[0054] O tubo de fluxo inferior 150 é inclinado em direção a uma extremidade superior do conjunto de válvula de segurança 100 por uma mola de potência 142. A mola de potência 142 é preferencialmente localizada ao longo de uma superfície externa do tubo de fluxo inferior 150 e dentro do alojamento de mola 106. A mola de potência 142 pode ser contígua a uma borda de ombro do alojamento de mola 106 em uma extremidade axial e ao espaçador de mola 144 em sua outra extremidade axial, em que o espaçador de mola 144 é fixo ao tubo de fluxo inferior 150.

[0055] Uma mola de equilíbrio 162 impulsiona o tubo de fluxo inferior 150 e o tubo de fluxo superior 120 em direções opostas; em que o tubo de fluxo inferior 150 é impulsionado de modo descendente. A mola de equilíbrio 162 é preferencialmente localizada ao longo de uma superfície externa do tubo de fluxo inferior 150 e dentro do alojamento de mola 106. A mola de equilíbrio 162 é orientada entre um adaptador de tubo de fluxo 166 em uma extremidade axial e um anel de mola 164 em sua outra extremidade axial, em que o anel de mola 164 é fixado ao tubo de fluxo inferior 150. O adaptador de tubo de fluxo 166 pode ser fixado, em uma extremidade, ao tubo de fluxo superior 120 por parafusos de ajuste 168 ou por outro mecanismo de fixação adequado. O adaptador de tubo de fluxo 166 é acoplado em sua outra extremidade a um acoplador de captura 160 que é parte de um mecanismo de captura de esfera.

[0056] O mecanismo de captura de esfera consiste no acoplador de captura 160 ao qual a manga de captura de esfera 152 é fixada por meio de parafusos-guia 158 ou outro mecanismo adequado, permitindo o deslocamento longitudinal da manga de captura de esfera 152 em relação ao acoplador de captura 160. Uma mola de captura 156 é orientada entre o acoplador de captura 160 e a manga de captura de esfera 152, de modo a impulsionar os mesmos em direções opostas. O mecanismo de captura de esfera inclui adicionalmente esferas de retenção 146 que são assentadas dentro da gaiola de esfera 148, que é, por sua vez, fixada ao tubo de fluxo inferior 150. As esferas de retenção 146 podem girar livremente dentro da gaiola de esfera 148 e rolar ao longo de uma superfície interna do alojamento de armadura 104, porém, podem não ser deslocadas em relação à gaiola de esfera 148 ou ao tubo de fluxo inferior 150.

[0057] Para ilustrar a funcionalidade básica do conjunto de válvula de segurança 100, as Figuras 5A a 5C representam o conjunto em um estado fechado. A Figura 5A mostra uma seção superior do conjunto em um estado fechado, a Figura 5B mostra uma seção intermediária do conjunto em um estado fechado, e a Figura 5C mostra uma seção inferior do conjunto em um estado fechado. Nas Figuras 5A a 5C, o tubo de fluxo superior 120 é posicionado em direção à extremidade superior do conjunto, de modo que os núcleos 122 e 124 sejam deslocados em uma direção ascendente das armaduras 110 e 112. O tubo de fluxo inferior 150 é posicionado de modo similar em sua posição mais ascendente, de modo que a mola de potência 142 não seja comprimida e uma extremidade inferior do tubo de fluxo 150 não esteja em contato com a lingueta 130.

[0058] Em comparação, as Figuras 6A a 6C representam o conjunto em um estado aberto. A Figura 6A mostra uma seção superior do conjunto em um estado aberto, a Figura 6B mostra uma seção intermediária do conjunto em um estado aberto e a Figura 6C mostra uma seção inferior do conjunto em um estado aberto. Nas Figuras 6A a 6C, a potência elétrica é fornecida às armaduras 110 e 112 de modo que uma força magnética seja aplicada aos núcleos 122 e 124 em uma direção descendente. Como um resultado da força magnética, o tubo de fluxo superior 120 é posicionado em direção à extremidade inferior do conjunto, de modo que os núcleos 122 e 124 sejam mais aproximadamente alinhados às armaduras 110 e 112. O tubo de fluxo inferior 150 é posicionado de modo semelhante em direção à extremidade inferior do conjunto, de modo que uma extremidade inferior do tubo de fluxo 150 force a lingueta 130 para uma posição descendente.

[0059] A atuação de movimento do tubo de fluxo superior 120 e do tubo de fluxo inferior 150 e, consequentemente, abertura/fechamento da lingueta 130 com o uso da potência elétrica será descrita com referência às Figuras 7 a 12, que mostram vários estados de uma seção inferior do conjunto.

[0060] Na Figura 7, nenhuma potência elétrica é fornecida às armaduras. Quando nenhuma eletricidade é fornecida às armaduras, nenhuma força magnética é aplicada aos núcleos e, portanto, a única força que atua sobre o tubo de fluxo superior 120 e o tubo de fluxo inferior 150 na direção descendente é a gravidade. A mola de potência 142 exerce uma força ascendente suficiente sobre o tubo de fluxo inferior 150 para neutralizar a força da gravidade e impedir que o tubo de fluxo inferior 150 force a abertura da lingueta 130.

[0061] Na Figura 8, a potência elétrica é fornecida às armaduras (não ilustrado) para criar um campo magnético que exerce uma força magnética sobre os núcleos magnéticos (não ilustrados) em uma direção descendente. A força magnética que atua sobre os núcleos é suficiente para mover o tubo de fluxo superior 120 em uma direção longitudinal de modo descendente, de modo a comprimir a mola de equilíbrio 162. Nesse estado, uma extremidade superior do tubo de fluxo inferior 150 é inserida adicionalmente na extremidade de recebimento 170 do tubo de fluxo superior 120. A extremidade de recebimento 170 também impulsiona o adaptador de tubo de fluxo 166 em direção a uma extremidade inferior do conjunto, que, por sua vez, impulsiona o acoplador de captura 160 e a manga de captura de esfera 152 em direção a uma extremidade inferior do conjunto. A manga de captura de esfera 152 é deslocada de modo descendente em relação ao tubo de fluxo inferior 150, de modo que um batente na manga de captura de esfera 152 seja orientado adjacente ao detentor 154 no tubo de fluxo inferior 150.

[0062] Na Figura 9, a potência elétrica continua a ser fornecida às armaduras (não ilustrado). Com a mola de equilíbrio 162 comprimida, a força magnética que atua sobre os núcleos é suficiente para comprimir subsequentemente a mola de potência 142, de modo que o tubo de fluxo inferior 150 seja impulsionado em direção à extremidade inferior do conjunto bem além de um plano definido pela lingueta 130 quando a lingueta 130 está em uma posição fechada. Consequentemente, o tubo de fluxo inferior 150 força a abertura da lingueta 130. Quando o tubo de fluxo inferior 150 está nessa posição, um flange externo de manga de captura de esfera 152 entra em contato com as esferas de retenção 146.

[0063] Na Figura 10, a potência elétrica continua a ser fornecida às armaduras (não ilustrado). Como um resultado, o tubo de fluxo superior 120 impulsiona o tubo de fluxo inferior 150 adicionalmente em direção à extremidade inferior do conjunto, comprimindo a mola de potência 142 adicionalmente. O tubo de fluxo superior 120 também impulsiona o adaptador de tubo de fluxo 166 de modo descendente, que, por sua vez, impulsiona o acoplador de captura 160 de modo descendente. As esferas de retenção 146, que não podem se mover em uma direção longitudinal em relação ao alojamento tubular exercem uma força sobre um flange externo da manga de captura de esfera 152 na direção ascendente. A força exercida pelas esferas de retenção 146 na direção ascendente impulsiona a manga de captura de esfera 152 em uma direção ascendente, comprimindo a mola de captura 156.

[0064] Na Figura 11, a potência elétrica continua a ser fornecida às armaduras (não ilustrado). Como um resultado, o tubo de fluxo superior 120 impulsiona o tubo de fluxo inferior 150 para uma posição mais distante em relação à extremidade inferior do conjunto, comprimindo a mola de potência 142 adicionalmente. Nessa posição, o detentor 154 do tubo de fluxo inferior 150 é alinhado com as esferas de retenção 146. O detentor 154 permite que as esferas de retenção 146 se movam radialmente em direção ao canal 180. O movimento das esferas de retenção 146 cria uma folga entre as esferas de retenção 146 e o alojamento tubular, de modo que a manga de captura de esfera 152 seja impulsionada pela mola de captura 156 de modo descendente e o flange externo da manga de captura de esfera 152 cubra as esferas de retenção 146.

[0065] Quando a manga de captura de esfera 152 cobre as esferas de retenção 146 assentadas no detentor 154, o tubo de fluxo inferior 150 é impedido de se mover longitudinalmente. A força ascendente da mola de potência 142 que atua sobre o tubo de fluxo inferior 150 pode, portanto, ser totalmente, ou pelo menos substancialmente neutralizada por uma força normal descendente das esferas de retenção 146 que atua sobre a superfície do detentor 154 no tubo de fluxo inferior 150. Consequentemente, a potência elétrica fornecida às armaduras para gerar uma força magnética que atua sobre os núcleos em uma direção descendente pode ser reduzida enquanto mantém a condição aberta da lingueta 130. Para manter a lingueta 130 em uma posição aberta com as esferas de retenção 146 cobertas no detentor 154, a potência elétrica fornecida para as armaduras precisa apenas ser suficiente para gerar uma força magnética para manter a mola de equilíbrio 162 em um estado comprimido, de modo que a manga de captura de esfera 152 continue a cobrir as esferas de retenção 146. Quando a manga de captura de esfera 152 cobre as esferas de retenção 146, a potência elétrica fornecida para as armaduras não precisa neutralizar a força ascendente da mola de potência 142 para manter o tubo de fluxo inferior 150 em uma posição mais descendente e a lingueta 130 aberta.

[0066] Na Figura 12, a potência elétrica fornecida às armaduras (não mostrado) é reduzida de modo que a força magnética exercida sobre os núcleos em uma direção descendente seja insuficiente para comprimir a mola de equilíbrio 162. Como um resultado, a mola de equilíbrio 162 impulsiona o adaptador de tubo de fluxo 166 de modo ascendente. O adaptador de tubo de fluxo 166 é acoplado ao acoplador de captura 160, que é, por sua vez, acoplado à manga de captura de esfera 152 por meio de parafusos-guia 158. A manga de captura de esfera 152 é direcionada de modo ascendente em relação ao tubo de fluxo inferior 150, descobrindo as esferas de retenção 146. Quando as esferas de retenção 146 são descobertas, as mesmas não aplicam mais uma força descendente sobre o tubo de fluxo inferior 150 suficiente para neutralizar a força ascendente aplicada pela mola de potência 142 ao tubo de fluxo inferior 150 e a mola de potência 142 conduz o tubo de fluxo inferior 150 de modo ascendente. Quando uma extremidade inferior do tubo de fluxo inferior 150 desobstrui um plano definido pela lingueta 130 em sua posição fechada, a lingueta 130 se fecha, vedando o canal 180. Quando a lingueta 130 se fecha, o conjunto de válvula de segurança 100 retorna ao estado mostrado na Figura 7.

[0067] Uma modalidade exemplificativa como descrito acima usa esferas de retenção 146 para travar o tubo de fluxo inferior 150 ao alojamento tubular, porém, a invenção não é limitada às modalidades que empregam esferas de retenção como descrito acima e como mostrado. As modalidades alternativas podem usar garras em vez de esferas e podem empregar adicionalmente solenoides para travar temporariamente as esferas ou garras no tubo de fluxo. Alternativamente, outros mecanismos podem ser usados para reduzir a potência necessária para manter aberta a válvula de segurança, como um mecanismo que trava o tubo de fluxo mediante a rotação, uma vez que a lingueta é aberta.

[0068] Por exemplo, em outra modalidade, um mecanismo de pinça radial pode ser usado. A Figura 13A mostra um conjunto de válvula de segurança 200 similar ao conjunto de válvula de segurança descrito acima. No conjunto de válvula de segurança 200, a pinça radial 252 é usada para travar o tubo de fluxo inferior 250 ao alojamento tubular. A Figura 13B mostra a pinça radial 252 do conjunto de válvula de segurança 200 em maiores detalhes.

[0069] Como outro exemplo, em outra modalidade, um mecanismo de pinça longitudinal pode ser usado. A Figura 14 mostra um conjunto de válvula de segurança 300 similar aos conjuntos de válvula de segurança descritos acima. No conjunto de válvula de segurança 300, a pinça longitudinal 352 é usada para travar o tubo de fluxo inferior 350 ao alojamento tubular.

[0070] Um método para usar o conjunto de válvula de segurança acima pode incluir oscilar a potência elétrica fornecida às armaduras em valores suficientes para mover o tubo de fluxo ligeiramente contra a força de compressão das molas. Após longos períodos sem uma alteração no estado, o tubo de fluxo no conjunto de válvula de segurança pode se fixar ao alojamento tubular como um resultado do produto que se desloca dentro do tubo de fluxo. Através da oscilação da potência elétrica fornecida às armaduras em valores abaixo da potência elétrica necessária para abrir a lingueta, ocorre uma vibração do tubo de fluxo em relação ao alojamento tubular circundante. O resultado da vibração é possibilitar o movimento quando substâncias ou condições podem fazer com que o tubo de fluxo se fixe na posição aberta ou fechada. A oscilação pode ser usada quando o conjunto de válvula de segurança está em um estado aberto, um estado fechado, está abrindo ou está fechando. A oscilação pode reduzir a potência elétrica necessária para operar a válvula de segurança.

[0071] As vantagens da modalidade descrita acima são diversas. Uma vantagem principal é que a potência elétrica necessária para manter aberta a lingueta pode ser reduzida substancialmente. A potência elétrica sozinha é usada inicialmente para gerar força magnética suficiente que atua sobre o tubo de fluxo para abrir a lingueta. Entretanto, uma vez que a lingueta for aberta, a força gerada eletricamente necessária para manter a lingueta em uma posição aberta é suplementada por uma força mecânica simples aplicada pelas esferas de retenção, ou similares, o que não exige nenhuma entrada de potência adicional. A potência elétrica fornecida às armaduras pode, portanto, ser reduzida enquanto mantém a lingueta em uma posição aberta, reduzindo o calor gerado no sistema, assim como a potência consumida.

[0072] Outra vantagem fornecida pela invenção é que o projeto é simples e menos suscetível à falha, por exemplo, do que uma válvula de segurança que emprega um motor elétrico para acionar os tubos de fluxo e abrir uma lingueta. Visto que as partes móveis são minimizadas, menos componentes são suscetíveis ao desgaste. O uso de atuação elétrica também atenua os atrasos e as limitações associadas às válvulas de segurança operadas de modo hidráulico. Interromper a potência transmitida para as armaduras faz com que a válvula de segurança se feche de modo de modo virtualmente instantâneo, enquanto uma válvula de segurança operada de modo hidráulico localizada a uma profundidade significativa permaneceria aberta por um período de tempo mais longo antes que a coluna de fluido hidráulico pudesse ser elevada. Ademais, a implementação de múltiplos pares de armadura e núcleo como descrito acima fornece múltiplos sistemas de atuação redundantes e independentes. Se uma armadura falhar, as uma ou mais outras armaduras podem continuar a ser usadas para atuar a válvula de segurança.

[0073] Ainda outra vantagem da invenção é que exige apenas vedações estáticas entre metais. As válvulas de segurança convencionais de tipo hidráulico ou elétrico utilizam vedações dinâmicas, vedações elastoméricas ou vedações termoplásticas para acomodar um número maior de partes móveis. Essas vedações são expostas a materiais corrosivos na tubagem de produção ou são submetidas à degradação a partir da reciprocidade. Adicionalmente, as mesmas são frequentemente produzidas a partir de materiais menos duráveis do que os metais. A eliminação desses tipos de vedações em troca de vedações estáticas entre metais na presente invenção serve para estender a vida útil da válvula de segurança.

[0074] Embora uma modalidade particular tenha sido descrita, outras modalidades são plausíveis. Deve ser entendido que a descrição supracitada de um sistema de válvula de segurança aprimorado subsuperfície não se destina a ser limitante, e inúmeras modificações, combinações e alternativas ao exemplo descrito acima podem ser empregadas.

[0075] O exemplo descrito no presente documento é meramente ilustrativo, visto que inúmeras outras modalidades podem ser implementadas sem que se afaste do espírito e escopo da presente invenção. Ademais, embora certos recursos da invenção possam ser descritos acima, apenas no contexto de certos exemplos ou configurações, esses recursos podem ser trocados, adicionados e removidos de e entre várias modalidades ou configurações enquanto permanecem dentro do escopo da invenção.

Claims (19)

1. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço caracterizado pelo fato de que compreende: um alojamento tubular disposto dentro do furo de poço em que o alojamento tubular tem uma cavidade que percorre em uma direção longitudinal através do mesmo; um dispositivo eletromagnético que é configurado para receber potência elétrica para criar um campo magnético; uma câmara de bobina que contém o dispositivo eletromagnético, em que a câmara de bobina é equilibrada por pressão com a cavidade; e uma lingueta (130) operacional para abrir e fechar a cavidade em resposta à potência elétrica recebida pelo dispositivo eletromagnético, em que: a lingueta (130) abre em resposta à potência elétrica que excede uma primeira válvula de potência elétrica; a lingueta (130) permanece aberta em resposta à potência elétrica que excede uma segunda válvula de potência elétrica; a primeira válvula de potência elétrica é maior do que a segunda válvula de potência elétrica; e em que câmara de bobina é equilibrada por pressão com um espaço anular que circunda o alojamento tubular.

2. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lingueta (130) se fecha em resposta à potência elétrica que é menor ou igual à segunda válvula de potência elétrica.

3. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético compreende uma bobina.

4. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético compreende uma pluralidade de bobinas.

5. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético está em isolamento fluido em relação à cavidade.

6. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético é isolado por vedações estáticas entre metais.

7. Método para usar o sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: oscilar a potência elétrica de modo que a potência elétrica não sofra uma queda abaixo da segunda válvula de potência elétrica.

8. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço caracterizado pelo fato de que compreende: um alojamento tubular disposto dentro do furo de poço em que o alojamento tubular tem uma cavidade que percorre em uma direção longitudinal através do mesmo; um tubo de fluxo disposto dentro do alojamento, em que o tubo de fluxo contém um núcleo magnético; uma mola de potência (142) acoplada ao tubo de fluxo de modo a inclinar o tubo de fluxo em direção a uma extremidade superior do alojamento tubular; um dispositivo eletromagnético deslocado em uma direção longitudinal do núcleo magnético, em que o dispositivo eletromagnético é configurado para receber potência elétrica para exercer uma força magnética sobre o elemento magnético em direção a uma extremidade inferior do alojamento tubular; uma câmara de bobina que contém o dispositivo eletromagnético, em que a câmara de bobina é equilibrada por pressão com a cavidade; e uma lingueta (130) localizada dentro do alojamento tubular operacional para abrir a cavidade em resposta ao deslocamento do tubo de fluxo a partir de uma primeira posição para uma segunda posição, em que: o tubo de fluxo é deslocado a partir da primeira posição para a segunda posição em resposta à potência elétrica que excede uma primeira válvula de potência elétrica; o tubo de fluxo permanece deslocado na segunda posição em resposta à potência elétrica que excede uma segunda válvula de potência elétrica; e 1. primeira válvula de potência elétrica é maior do que a segunda válvula de potência elétrica; em que câmara de bobina é equilibrada por pressão com um espaço anular que circunda o alojamento tubular.

9. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um mecanismo de retenção que engata o tubo de fluxo ao alojamento tubular em resposta ao fato de que o tubo de fluxo é deslocado na segunda posição.

10. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de retenção compreende uma ou mais esferas de retenção (146) configuradas para captura em um detentor (154) no tubo de fluxo em resposta ao fato de que o tubo de fluxo é deslocado na segunda posição.

11. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a lingueta (130) é fechada quando o tubo de fluxo está na primeira posição.

12. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético compreende uma bobina.

13. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético compreende uma pluralidade de bobinas.

14. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético está em isolamento fluido em relação ao furo de poço na câmara de bobina.

15. Sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o dispositivo eletromagnético é isolado por vedações estáticas entre metais.

16. Método para usar o sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, conforme definido na reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende: oscilar a potência elétrica de modo que a potência elétrica não exceda a primeira válvula de potência elétrica.

17. Método para usar o sistema de válvula de segurança subsuperficial (100) para um furo de poço, conforme definido na reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende: vibrar eletricamente o tubo de fluxo em relação ao alojamento tubular.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o tubo de fluxo é eletricamente vibrado em relação ao alojamento tubular circundante enquanto o tubo de fluxo está preso em uma posição aberta para permitir que a cavidade seja fechada.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o tubo de fluxo é eletricamente vibrado em relação ao alojamento tubular circundante enquanto o tubo de fluxo está preso em uma posição fechada para permitir que a cavidade seja aberta.