BR112019027787B1 - Conjunto de compensador volumétrico e sistema de bombeamento de fundo de poço - Google Patents

Abstract

Um conjunto de compensador volumétrico para uso na seção de vedação de um sistema de bombeamento inclui uma bexiga de envelope que, por sua vez, inclui uma folha superior flexível e uma folha inferior conectada à folha superior ao longo de um par de costuras laterais e uma costura de extremidade. A folha superior e a folha inferior juntas definem um interior de bexiga que tem uma capacidade variável. O conjunto de compensador volumétrico tem também um tubo de suporte de bexiga e a bexiga de envelope é enrolada em torno do tubo de suporte de saco.

Description

Campo da Invenção

[001] A invenção se refere geralmente ao campo de sistemas de bombeamento submersíveis e, mais particularmente, mas não como maneira de limitação, a um compensador volumétrico aprimorado para uso na seção de vedação de um sistema de bombeamento submersível. Fundamentos

[002] Sistemas de bombeamento submersíveis são frequentemente implantados em poços para recuperar fluidos de petróleo de reservatórios subterrâneos. Tipicamente, o sistema de bombeamento submersível inclui inúmeros componentes, incluindo um ou mais motores elétricos cheios de fluido acoplados a uma ou mais bombas de alto desempenho. Cada um dos componentes e subcomponentes em um sistema de bombeamento submersível deve ser engenheirado para suportar o ambiente inóspito de fundo de poço, que inclui amplas faixas de temperatura, pressão e fluidos de poço corrosivos.

[003] Componentes comumente referidos como "seções de vedação" protegem os motores elétricos e tipicamente são posicionados entre o motor e a bomba. Nesta posição, a seção de vedação fornece várias funções, incluindo transmitir torque entre o motor e a bomba, restringir o fluxo de fluidos de furo de poço para o motor, absorver impulso axial transmitido pela bomba e acomodar a expansão e contração do lubrificante de motor dielétrico quando o motor se move através de ciclos térmicos durante a operação e equalização de pressão. Muitas seções de vedação empregam sacos de vedação para acomodar as mudanças volumétricas e o movimento de fluido na seção de vedação. Sacos de vedação também podem ser configurados para fornecer uma barreira positiva entre lubrificante limpo e fluido de poço contaminado.

[004] A altas temperaturas, água pode permear através dos materiais de barreira poliméricos que são usados em modernos sacos de vedação. Nessas aplicações de alta temperatura, materiais de barreira de metal devem ser usados. Embora eficazes na prevenção de permeação de água a temperaturas elevadas, as opções de barreira de metal são caras para fabricar e sujeitas a falha mecânica em seguida a flexões repetidas. Existe, portanto, uma necessidade de um saco de vedação aprimorado que exiba impermeabilidade à água sob altas temperaturas, embora retendo a durabilidade de sacos de polímero convencionais. É para esta e outras necessidades que a presente invenção é dirigida.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] Em um aspecto, a presente invenção fornece um conjunto de compensador volumétrico que inclui uma bexiga de envelope que, por sua vez, inclui uma folha superior flexível e uma folha inferior conectada à folha superior ao longo de uma ou mais costuras. A folha superior e a folha inferior juntas definem um interior de bexiga que tem uma capacidade variável.

[006] Em outro aspecto, a presente invenção inclui um conjunto de compensador volumétrico para uso na seção de vedação de um sistema de bombeamento. O conjunto de compensador volumétrico tem um tubo de suporte de bexiga e uma bexiga de envelope que é enrolada em torno do tubo de suporte de saco.

[007] Em outro aspecto, a presente invenção inclui um sistema de bombeamento de fundo de poço que tem um conjunto de motor, um conjunto de bomba acionado pelo conjunto de motor e uma seção de vedação posicionada entre o conjunto de bomba e o conjunto de motor. A seção de vedação inclui um eixo e um conjunto de compensador volumétrico. O conjunto de compensador volumétrico inclui um tubo de suporte de bexiga que circunda o eixo e tem um interior. O conjunto de compensador volumétrico inclui ainda uma bexiga de envelope conectada ao tubo de suporte de bexiga.

Breves Descrições dos Desenhos

[008] FIG. 1 é uma vista em perspectiva frontal de um sistema de bombeamento de fundo de poço em uma instalação não vertical.

[009] FIG. 2 é uma vista em elevação de uma seção de vedação construída de acordo com uma modalidade presentemente preferida.

[010] FIG. 3 é uma vista em seção transversal de uma porção da seção de vedação da FIG. 2.

[011] FIG. 4 é uma vista plana superior do conjunto de compensador volumétrico da seção de vedação da FIG. 3.

[012] FIG. 5 é uma vista frontal da bexiga de envelope em um estado desinflado.

[013] FIG. 6 é uma vista frontal da bexiga de envelope em um estado inflado.

[014] FIG. 7 é uma vista lateral representando a conexão da bexiga de envelope ao tubo de suporte de bexiga numa primeira modalidade.

[015] FIG. 8 é uma vista lateral representando a conexão da bexiga de envelope ao tubo de suporte de bexiga em uma segunda modalidade.

[016] FIG. 9 é uma vista superior do compensador volumétrico representando a bexiga de envelope desinflada em uma configuração espiralada.

[017] FIG. 10 é uma vista superior do compensador volumétrico representando a bexiga de envelope inflada em uma configuração espiralada.

Descrição Detalhada

[018] De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, a FIG. 1 mostra uma vista em perspectiva frontal de um sistema de bombeamento de fundo de poço 100 fixado à tubulação de produção 102. O sistema de bombeamento de fundo de poço 100 e a tubulação de produção 102 são dispostos em um furo de poço 104, o qual é perfurado para a produção de um fluido, tal como água ou petróleo. O sistema de bombeamento de fundo de poço 100 é mostrado em um poço não vertical. Este tipo de poço é frequentemente chamado de poço "horizontal". Embora o sistema de bombeamento de fundo de poço 100 seja representado em um poço horizontal, será apreciado que o sistema de bombeamento de fundo de poço 100 também pode ser usado em poços verticais.

[019] Como aqui utilizado, o termo "petróleo" se refere amplamente a todos os hidrocarbonetos minerais, tal como petróleo bruto, gás e combinações de petróleo e gás. A tubulação de produção 102 conecta o sistema de bombeamento 100 a uma cabeça de poço 106 localizada na superfície. Embora o sistema de bombeamento 100 seja principalmente projetado para bombear produtos de petróleo, será entendido que a presente invenção também pode ser usada para mover outros fluidos. Também será entendido que, embora cada um dos componentes do sistema de bombeamento 100 seja divulgado principalmente em uma aplicação submersível, alguns ou todos estes componentes também podem ser usados em operações de bombeamento de superfície.

[020] O sistema de bombeamento 100 inclui, de preferência, alguma combinação de um conjunto de bomba 108, um conjunto de motor 110 e uma seção de vedação 112. Em algumas modalidades, o conjunto de motor 110 é um motor elétrico que recebe sua energia de uma alimentação baseada em superfície. O conjunto do motor 110 converte a energia elétrica em energia mecânica, a qual é transmitida ao conjunto de bomba 108 por um ou mais eixos. O conjunto de bomba 108, então, transfere uma porção desta energia mecânica para fluidos dentro do furo de poço 104, fazendo com que os fluidos de furo de poço se movam através da tubulação de produção 102 para a cabeça de poço 106 na superfície. Em algumas modalidades, o conjunto de bomba 108 é uma turbomáquina que usa um ou mais impelidores e difusores para converter energia mecânica em altura manométrica. Em uma modalidade alternativa, o conjunto de bomba 108 é uma bomba de cavidade progressiva (PC) ou de deslocamento positivo que move fluidos de furo de poço com um ou mais parafusos ou pistões.

[021] A seção de vedação 112 protege o conjunto de motor 110 do impulso mecânico produzido pelo conjunto de bomba 108. A seção de vedação 112 também é configurada para impedir a introdução de contaminantes do furo de poço 104 no conjunto de motor 110. Embora apenas um conjunto de bomba 108, seção de vedação 112 e conjunto de motor 110 sejam mostrados, será entendido que o sistema de bombeamento de fundo de poço 100 pode incluir conjuntos de bombas 108, seções de vedação 112 ou conjuntos de motor 110 adicionais.

[022] Com referência agora à FIG. 2, é mostrada na mesma uma vista em elevação da seção de vedação 112. A seção de vedação 112 inclui uma cabeça 114, uma base 116 e dois módulos de separação 118a, 118b. A cabeça 114 é configurada para conexão ao conjunto de bomba 108 e a base 116 é configurada para conexão ao conjunto de motor 110. Embora dois módulos de separação 118a, 118b sejam mostrados, será apreciado que o uso de menos ou mais módulos de separação 118 esteja dentro do escopo de algumas modalidades.

[023] Continuando com a FIG. 2, mas agora fazendo referência também à FIG. 3, mostrada na mesma é uma vista em seção transversal dos dois módulos de separação 118a, 118b. Como representado na FIG. 3, a seção de vedação 112 inclui um alojamento comum 120 e um eixo comum 122. O eixo 122 transfere energia mecânica do conjunto de motor 110 para o conjunto de bomba 108. A seção de vedação 112 inclui um módulo de interconexão 124 que controla o fluxo de fluidos entre os dois módulos de separação 118a, 118b. Como mostrado na FIG. 3, o módulo de interconexão 124 também pode incluir vedações e mancais para suportar o eixo 122.

[024] O módulo de separação inferior 118b inclui um conjunto de saco de vedação convencional 126. O conjunto de saco de vedação 126 inclui um saco de vedação 128, tubo de suporte de saco 130 e um mecanismo de retenção de saco de vedação 132. O tubo de suporte de saco 130 fornece suporte para o saco de vedação 128 e blinda o eixo 122 enquanto ele passa através do saco de vedação 128. Em algumas modalidades, o saco de vedação 128 é fabricado de uma plástico, polímero ou elastômero adequado, todos os quais são disponíveis comercialmente de inúmeras fontes, incluindo E. I. du Pont de Nemours and Company e Daikin Industries. Materiais adequados incluem PFA, AFLAS® e outros plásticos de fluoropolímero que exibem resistência favorável a produtos químicos corrosivos e temperaturas elevadas.

[025] Em contraste com o conjunto de saco de vedação 126 encontrado no módulo de separação inferior 118b, o módulo de separação superior 118a inclui um conjunto de compensador volumétrico 134. Geralmente, o conjunto de compensador volumétrico 134 inclui uma bexiga de envelope substancialmente plana 136 que é fixada a um tubo de suporte de bexiga 138. O tubo de suporte de bexiga 138 envolve o eixo 122 e fornece um caminho de fluido do conjunto de motor 110, em torno do eixo 122, através dos orifícios 140 para o interior da bexiga de envelope 136. A bexiga de envelope 136 expande e contrai à medida que o fluido entra e sai da bexiga de envelope 136.

[026] O conjunto de compensador volumétrico 134 é mostrado em mais detalhes nas FIGS. 4-10. FIG. 4, mostra uma vista em corte parcial superior da bexiga de envelope 136. FIGS. 5 e 6 fornecem vistas de extremidade da bexiga de envelope 136 desinflada e inflada, respectivamente. Como ilustrado nestes desenhos, a bexiga de envelope 136 inclui uma folha superior 142, uma folha inferior 144, costuras laterais 146, uma costura de extremidade 148 e uma boca 150 fixada ao tubo de suporte de bexiga 138. A folha superior 142 e a folha inferior 144 são conectadas ao longo das costuras laterais 146 e da costura de extremidade 148. A folha superior 142 e a folha inferior 144 podem ser fixadas juntas com adesivos, soldagem, brasagem, ligação por difusão, crimpagem ou através de mecanismos de fixação mecânica. Em algumas modalidades, pode ser desejável suportar a costura de extremidade 148 com uma haste de suporte 152. Em cada caso, a folha superior 142 e a folha inferior 144 são fixadas uma à outra em uma conexão impermeável a fluido. Quando unidas desta maneira, a folha superior 142 e a folha inferior 144 juntas definem um interior de bexiga de volume variável 154 que acomoda a expansão e contração de fluidos do conjunto de motor 110.

[027] A construção relativamente plana da bexiga de envelope 136 permite o uso de materiais metálicos altamente impermeáveis. Em algumas modalidades, a bexiga de envelope 136 inclui uma camada de folha externa 156 que é fundida ou de outro modo fixada a uma matriz de suporte 158. A matriz de suporte 158 pode ser fabricada uma malha de arame flexível à qual a camada de folha externa 156 é soldada, soldada, ligada por difusão, colada ou fixada de outro modo. Em outras modalidades, a bexiga de envelope 136 é construída de uma única camada de material. Materiais de construção adequados incluem folhas de metal e plástico e polímero ou elastômeros, tal como politetrafluoretileno (PTFE) e perfluoroalcoxi (PFA).

[028] Voltando às FIGS. 7-8, a boca 150 da bexiga de envelope 136 é fixada ao tubo de suporte de bexiga 138, de modo que os orifícios 140 no tubo de suporte de bexiga 138 coloquem o interior da bexiga 154 em comunicação de fluido com o interior do tubo de suporte de bexiga 138. Na FIG. 7, a boca 150 é fixada diretamente ao lado do tubo de suporte de bexiga 138. A bexiga de envelope 136 pode ser afixada ao tubo de suporte de bexiga 138 com adesivos, soldagem, brasagem, ligação por difusão, prendedores ou grampos mecânicos. Alternativamente, como representado na FIG. 8, a bexiga de envelope 136 pode ser colocada em torno do tubo de suporte de bexiga 138. Nesta modalidade, as bordas de ataque da folha superior 142 e folha inferior 144 são enroladas e presas ao tubo de suporte de bexiga 138 de uma maneira impermeável a fluido usando adesivos, soldagem, brasagem, ligação por difusão ou grampos mecânicos.

[029] Voltando às FIGS. 9 e 10, é mostrada nas mesmas a bexiga de envelope 136 em condições desinfladas e infladas, respectivamente. Para aumentar a capacidade interna da bexiga de envelope 136, a bexiga de envelope 136 é projetada para ser enrolada em torno do tubo de suporte de bexiga 138 dentro do alojamento 120. Nesta configuração, a bexiga de envelope 136 pode ser construída de modo que o espaço interno da bexiga de envelope 136 seja apenas ligeiramente menor que o espaço interno dentro do alojamento 120. Notavelmente, quando a bexiga de envelope 136 expande, as tensões mecânicas causadas pela bexiga em expansão são limitadas e deslocadas pelo contato entre as camadas adjacentes da bexiga de envelope enrolada 136. Desta maneira, a bexiga de envelope enrolada 136 fornece um mecanismo de isolamento de fluido de capacidade dinâmica flexível e durável de grande capacidade que tem uma geometria substancialmente planar que permite o uso de materiais metálicos de alta temperatura.

[030] Embora o conjunto de compensador volumétrico 134 seja divulgado dentro da seção de vedação 112, será entendido que o conjunto de compensador volumétrico 134 também pode ser incorporado dentro de um módulo de expansão de fluido designado conectado diretamente ou indiretamente ao conjunto de motor 110. Por exemplo, em algumas modalidades, o conjunto de compensador volumétrico 134 é incorporado dentro de um módulo de expansão de fluido designado conectado ao lado extremo oposto do conjunto de motor 110 a partir da seção de vedação 112. Em ainda outras modalidades, dois ou mais conjuntos de compensadores volumétricos 134 são incorporados dentro do sistema de bombeamento 100. Em tais modalidades, pode ser útil empregar conjuntos de compensadores volumétricos 134 acima e abaixo do conjunto de motor 110 tanto para blindar o conjunto de motor 110 dos fluidos de furo de poço quanto para permitir a expansão e contração de lubrificantes dentro do conjunto de motor 110.

[031] As modalidades exemplares incluem um método de isolar fluidos em expansão usando o conjunto de compensador volumétrico 134. O método inclui as etapas de fornecer o conjunto de compensador volumétrico 134 dentro de um componente no sistema de bombeamento 100, de modo que um fluido interno seja colocado em comunicação de fluido com o interior de bexiga 154 da bexiga de envelope 136. O método inclui ainda a etapa de conter o fluido interno dentro da bexiga de envelope 136 à medida que ele expande sob pressão crescente. A etapa de conter o fluido interno dentro da bexiga de envelope 136 compreende ainda conter o fluido interno dentro da bexiga de envelope 136 quando a bexiga de envelope 136 desenrola dentro do componente do sistema de bombeamento 100.

[032] Será entendido que muito embora inúmeras características e vantagens de várias modalidades da presente invenção tenham sido estabelecidas na descrição anterior, junto com detalhes da estrutura e funções de várias modalidades da invenção, esta divulgação é apenas ilustrativa e mudanças podem ser feitas em detalhes, especialmente em questões de estrutura e disposição de partes dentro dos princípios da presente invenção, na medida do indicado pelo amplo significado geral dos termos nos quais as reivindicações anexas são expressas. Será apreciado por aqueles versados na técnica que os ensinamentos da presente invenção podem ser aplicados a outros sistemas sem se afastar do escopo e espírito da presente invenção.

Claims (11)

1. Conjunto de compensador volumétrico (134) para uso em uma seção de vedação (112), o conjunto de compensador volumétrico (134) compreendendo: um tubo de suporte de bexiga (138) e uma bexiga de envelope (136) que, por sua vez, compreende: uma folha superior (142), em que a folha superior (142) é flexível; uma folha inferior (144), em que a folha inferior (144) é conectada à folha superior (142) ao longo de uma ou mais costuras (146, 148); e em que a folha superior (142) e a folha inferior (144) juntas definem um interior de bexiga que tem uma capacidade variável, caracterizado pelo fato de que a bexiga de envelope (136) é enrolada em torno do tubo de suporte de bexiga (138) e em que a bexiga de envelope (136) compreende ainda uma boca (150) e em que a boca (150) é conectada ao tubo de suporte de bexiga (138).

2. Conjunto de compensador volumétrico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de suporte de bexiga (138) inclui orifícios (140) que colocam o interior da bexiga em comunicação de fluido com o tubo de suporte de bexiga (138).

3. Conjunto de compensador volumétrico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bexiga de envelope (136) compreende ainda a boca (150) em extremidades abertas da folha superior (142) e da folha inferior (144).

4. Conjunto de compensador volumétrico, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as folhas superior e inferior (142, 144) compreendem cada uma: uma matriz de suporte (158); e uma camada de folha de metal (156) fixada à matriz de suporte (158).

5. Sistema de bombeamento (100) de fundo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um conjunto de motor (110); um conjunto de bomba (108) acionado pelo conjunto de motor (110); e uma seção de vedação (112) posicionada entre o conjunto de bomba (108) e o conjunto de motor (110), em que a seção de vedação (112) compreende: um eixo (122); e um conjunto de compensador volumétrico (134), como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o tubo de suporte de bexiga (138) circunda o eixo (122), e em que o tubo de suporte de bexiga (138) inclui um interior.

6. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 5, quando dependente da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de folha de metal é fixada à matriz de suporte.

7. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 5, quando dependente da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a folha superior (142) é conectada à folha inferior (144) ao longo de costuras laterais opostas (146) e uma costura de extremidade (148).

8. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a bexiga de envelope (136) compreende ainda uma haste de suporte (152) e em que a costura de extremidade (148) é conectada à haste de suporte (152).

9. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção de vedação (112) compreende ainda um alojamento (120) e em que a bexiga de envelope (136) ocupa substancialmente todo o espaço entre o tubo de suporte de bexiga (138) e o alojamento (120) em um estado inflado.

10. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção de vedação (112) compreende ainda um conjunto de saco de vedação convencional (126), em que o conjunto de saco de vedação (126) compreende: um tubo de suporte de saco (130); um saco de vedação (128); e um mecanismo de retenção de saco de vedação (132) que fixa o saco de vedação (128) ao tubo de suporte de saco (130).

11. Sistema de bombeamento (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a bexiga de envelope (136) é substancialmente plana e retangular.