BR112021006939A2 - esp duplo com bombas selecionáveis - Google Patents
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Abstract
ESP DUPLO COM BOMBAS SELECIONÁVEIS. A presente invenção refere-se a um sistema de bombeamento que inclui um motor e um eixo de acionamento configurado para rotação pelo motor. O sistema de bombeamento inclui uma bomba superior posicionada acima do motor, um eixo de acionamento de bomba superior e um acoplamento direcional superior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba superior. O acoplamento direcional superior é configurado para travar o eixo de acionamento da bomba superior ao eixo de acionamento quando o eixo de acionamento é girado em uma primeira direção. O sistema de bombeamento inclui adicionalmente uma bomba inferior posicionada abaixo do motor, um eixo de acionamento de bomba inferior e um acoplamento direcional inferior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba inferior. O acoplamento direcional inferior é configurado para travar o eixo de acionamento da bomba inferior ao eixo de acionamento quando o eixo de acionamento é girado em uma segunda direção.
Description
[0001] Este pedido reivindica o benefício do pedido de patente provisório nº de série US 62/744.981, depositado em 12 de outubro de 2018 e intitulado "Dual ESP With Selectable Pumps", cuja revelação está aqui incorporada a título de referência.
[0002] Esta invenção se refere, de modo geral, ao campo de sistemas de bombeamento submersíveis e, mais particularmente, mas não como forma de limitação, a um sistema de bombeamento submersível que pode ser remotamente configurado para operar sob uma ampla variedade de taxas de produção de poço.
[0003] Sistemas de bombeamento submersíveis são frequentemente implantados em poços para recuperar fluidos de petróleo de reservatórios subterrâneos. Tipicamente, o sistema de bombeamento submersível inclui vários componentes, incluindo um motor elétrico cheio de fluido dielétrico acoplado a uma bomba de alto desempenho localizada acima do motor. A bomba frequentemente inclui vários estágios centrífugos que incluem um difusor estacionário e um impulsor giratório fixado a um eixo de acionamento. Quando energizado, o motor fornece torque à bomba através do eixo de acionamento para girar os impulsores, que conferem energia cinética ao fluido.
[0004] A bomba e o motor são dimensionados, alimentados e configurados para uma operação ideal dentro de uma faixa definida de condições do furo de poço. Por exemplo, quando um sistema de bombeamento submersível é implantado em um poço recém-completado, a bomba e o motor podem ser dimensionados e configurados para produzir um grande volume de fluidos. Entretanto, conforme a taxa de produção do poço começa a diminuir ou a razão entre gás e líquido dos fluidos no poço muda, a combinação original de motor e bomba pode ser ineficiente ou inadequada. No passado, o sistema de bombeamento seria removido do poço e substituído ou modificado por uma combinação de bomba e motor que melhor se adaptaria às condições variáveis no poço. O processo de remoção e substituição do sistema de bombeamento é trabalhoso, caro e exige que o poço seja colocado fora de linha por um período prolongado. Existe, portanto, uma necessidade de um sistema de bombeamento aprimorado que possa ser remotamente ajustado para acomodar uma ampla gama de taxas de produção de poço.
[0005] A presente invenção inclui um sistema de bombeamento para uso na recuperação de fluidos de um poço. O sistema de bombeamento inclui um motor e um eixo de acionamento configurado para rotação pelo motor. O sistema de bombeamento inclui uma bomba superior posicionada acima do motor, um eixo de acionamento de bomba superior e um acoplamento direcional superior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba superior. O acoplamento direcional superior é configurado para travar o eixo de acionamento da bomba superior ao eixo de acionamento quando o eixo de acionamento for girado em uma primeira direção. O sistema de bombeamento inclui adicionalmente uma bomba inferior posicionada abaixo do motor, um eixo de acionamento de bomba inferior e um acoplamento direcional inferior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba inferior. O acoplamento direcional inferior é configurado para travar o eixo de acionamento da bomba inferior ao eixo de acionamento quando o eixo de acionamento for girado em uma segunda direção.
[0006] Em outra modalidade, a presente invenção inclui um método para recuperar fluidos de um furo de poço com o uso de um sistema de bombeamento que inclui um motor, uma bomba superior acionada pelo motor, uma bomba inferior acionada pelo motor e uma tubulação de produção que se estende para fora do furo de poço a partir do sistema de bombeamento. O método inclui as etapas de girar o motor em uma primeira direção para acionar apenas a bomba inferior e girar o motor em uma segunda direção para acionar apenas a bomba superior.
[0007] A Figura 1 representa um sistema de bombeamento submersível construído de acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção em um primeiro modo de operação.
[0008] A Figura 2 apresenta uma vista em perspectiva de um acoplamento direcional do sistema de bombeamento da Figura 1.
[0009] A Figura 3 apresenta uma vista de perto do acoplamento direcional ilustrando o corpo de acionamento externo girado em uma direção que engata o mecanismo de travamento para girar o receptor auxiliar.
[0010] A Figura 4 apresenta uma vista de perto do acoplamento direcional ilustrando o corpo de acionamento externo girado em uma direção que desengata o mecanismo de travamento para desativar o receptor auxiliar.
[0011] A Figura 5 representa um sistema de bombeamento submersível construído de acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção em um primeiro modo de operação.
[0012] De acordo com modalidades exemplificadoras da presente invenção, a Figura 1 mostra uma vista em elevação de um sistema de bombeamento 100 fixado à tubulação de produção 102. O sistema de bombeamento 100 e a tubulação de produção 102 estão dispostos em um poço 104, que é perfurado para a produção de um fluido, como água ou petróleo. 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 primeiramente projetado para bombear produtos de petróleo, será entendido que a presente invenção pode ser usada também para mover outros fluidos. Será entendido também que, embora cada um dos componentes do sistema de bombeamento seja primeiramente revelado em uma aplicação submersível, alguns ou todos esses componentes podem ser usados também em operações de bombeamento de superfície. Conforme usado no presente documento, o termo "petróleo" se refere amplamente a todos os hidrocarbonetos minerais, como óleo bruto, gás e combinações de óleo e gás.
[0013] Será observado que embora o sistema de bombeamento 100 seja mostrado em um posicionamento vertical na Figura 1, o sistema de bombeamento 100 pode ser também usado em aplicações não verticais, incluindo em furos de poço horizontais e não verticais 104. Consequentemente, referências a "superior" e "inferior" nesta revelação são meramente usadas para descrever as posições relativas de componentes do sistema de bombeamento 100 e não devem ser interpretadas como uma indicação de que o sistema de bombeamento 100 precise ser instalado em uma orientação vertical.
[0014] Conforme representado na Figura 1, o sistema de bombeamento 100 inclui um motor 108, uma bomba superior 110 e uma seção de vedação superior 112 posicionada entre o motor 108 e a bomba superior 110. O sistema de bombeamento 100 inclui também uma bomba inferior 114 e uma seção de vedação inferior 116 posicionada entre a bomba inferior 114 e o motor 108. As seções de vedação superior e inferior 112, 116 são projetadas para isolar o motor 108 dos fluidos do poço nas bombas superior e inferior 110, 114 e podem ser configuradas para acomodar a expansão de lubrificantes do motor no motor 108. As seções de vedação superior e inferior 112, 116 podem incluir também mancais de empuxo que protegem o motor 108 contra o empuxo axial gerado pelas bombas superior e inferior 110, 114.
[0015] O motor 110 recebe energia a partir de uma instalação com base na superfície através de um cabo de alimentação 118. Em geral, o motor 110 é configurado para acionar seletivamente a bomba superior 110 ou a bomba inferior
114. Em algumas modalidades, uma dentre a bomba superior 110 e a bomba inferior 114 ou tanto uma quanto a outra são turbomáquinas que usam um ou mais impulsores e difusores para: converter energia mecânica em cabeça de pressão. Em modalidades alternativas, uma dentre a bomba superior 110 e a bomba inferior 114 ou tanto uma quanto outra são bombas de deslocamento positivo. Em algumas modalidades, uma dentre as bombas superior e inferior 110, 114 é uma bomba de deslocamento positivo e a outra dentre as bombas superior e inferior 110, 114 é uma bomba de turbomaquinaria (por exemplo, centrífuga).
[0016] Embora a presente invenção não seja limitada a isso, o sistema de bombeamento 100 na Figura 1 inclui um obturador inferior 120 e um obturador superior 122. Um tubo de entrada 124 se estende a partir da bomba inferior 114 através do obturador inferior 120. O tubo de entrada 124 fornece uma entrada para a bomba inferior 114. O tubo de produção 102 e o cabo de alimentação 118 se estendem através do obturador superior 122. O obturador inferior 120 e o obturador superior 122 criam juntos um espaço anular contido 126 ao redor do sistema de bombeamento 100. O obturador superior 122 pode incluir uma válvula de alívio de gás 200 que pode ser acionada remotamente para liberar a pressão de gás acumulada dentro do espaço anular 126. Embora o sistema de bombeamento 100 seja representado nas Figuras 1 e 5 como implantado no furo de poço 104 com os obturadores superior e inferior 120, 122, será reconhecido que o sistema de bombeamento 100 também pode ser implantado em outras disposições, incluindo em combinação com modalidades de envoltórios e um único obturador.
[0017] A bomba inferior 114 inclui uma descarga de bomba inferior 130 que é configurada para descarregar o fluido bombeado para dentro do espaço anular 126. A bomba superior 110 inclui uma entrada de bomba superior 128 e uma descarga de bomba superior 132 que inclui uma entrada selecionável 134 que coopera com um desviador de fluido 136 para direcionar o fluido pressurizado para dentro da tubulação de produção 102. Conforme representado na Figura 1, o desviador de fluido 136 é uma luva deslizante que está em uma posição aberta na qual o fluido pressurizado do espaço anular 126 pode passar para dentro da tubulação de produção 102 através da entrada selecionável 134. Na Figura 5, o desviador de fluido 136 foi deslocado para uma posição fechada na qual a entrada selecionável 134 é fechada para o fluido no espaço anular 126. Nessa posição, a descarga de bomba superior 132 coloca o tubo de produção 102 em comunicação fluida direta com a bomba superior 110.
[0018] O sistema de bombeamento 100 inclui um ou mais acoplamentos direcionais 138 que acoplam seletivamente a saída do motor 108 às bombas superior e inferior 110, 114. Conforme representado, o sistema de bombeamento 100 inclui um acoplamento direcional inferior 138a e um acoplamento direcional superior 138b. O motor 108 inclui um eixo de acionamento 140 que é conectado direta ou indiretamente a um eixo de acionamento da bomba inferior 142 na bomba inferior 114 através do acoplamento direcional inferior 138a. O eixo de acionamento 140 é direta ou indiretamente conectado a um eixo de acionamento da bomba superior 144 através do acoplamento direcional superior 138b. Será reconhecido que o eixo de acionamento 140 pode ser composto de segmentos de eixo de acionamento separados e independentes que se estendem a partir do topo e do fundo do motor 108.
[0019] Em modalidades exemplificadoras, os acoplamentos direcionais 138a, 138b são configurados para passar seletivamente torque do eixo de acionamento 140 para o eixo de acionamento da bomba superior 142 ou para o eixo de acionamento da bomba inferior 144 dependendo da direção rotacional do eixo de acionamento 140. A rotação do eixo de acionamento 140 em uma primeira direção trava o acoplamento direcional inferior 138a com o eixo de acionamento da bomba inferior 142 para acionar a bomba inferior 114, enquanto mantém o acoplamento direcional superior 138bh em uma condição destravada na qual o eixo de acionamento da bomba superior 144 está ocioso. Por outro lado, a rotação do eixo de acionamento 140 em uma segunda direção trava o acoplamento direcional superior 138b com o eixo de acionamento da bomba superior 144 para acionar a bomba superior 110, enquanto mantém o acoplamento direcional inferior 138b em uma condição destravada na qual o eixo de acionamento da bomba inferior 142 está ocioso. Dessa forma, alterar a direção rotacional do motor 108 faz com que a bomba superior 110 ou a bomba inferior 114 sejam acionadas pelo motor 108. Como as bombas superior e inferior 110 e 114 estão seletivamente engatadas mediante a alteração da direção rotacional do motor 108, os impulsores e os difusores dentro das bombas superior e inferior 110 e 114 precisam ser configurados com designs de pás padrão ou reversas dependendo da direção rotacional pretendida dos eixos de acionamento inferior e superior 142 e 144.
[0020] Voltando às Figuras 2 a 4, são mostradas na presente invenção representações de uma modalidade exemplificadora do acoplamento direcional 138. O acoplamento direcional 138 inclui um corpo de acionamento externo 146, um receptor interno 148 e um mecanismo de travamento 150. O corpo de acionamento externo 146 é configurado para ser travado para rotação com o eixo de acionamento
140. O corpo de acionamento externo 146 e o eixo de acionamento 140 podem ser acoplados juntos com o uso de ranhuras, pinos, roscas ou outras conexões conhecidas na técnica.
[0021] O receptor interno 148 é configurado para ser acoplado ao eixo de acionamento da bomba inferior 142 ou ao eixo de acionamento da bomba superior
144. Conforme representado nas Figuras 2 a 4, o receptor interno 148 inclui uma série de ranhuras que são configuradas para engatar com a extremidade estriada dos eixos de acionamento das bombas inferior e superior 142, 144. Quando o mecanismo de travamento 150 não está engatado, o receptor interno 148 é configurado para girar livremente dentro do corpo de acionamento externo 146. Em algumas modalidades, mancais hidrodinâmicos, esféricos ou outros rolamentos são usados para facilitar a rotação do receptor interno 148 dentro do corpo de acionamento externo 146.
[0022] O mecanismo de travamento 150 é configurado para acoplar o corpo de acionamento externo 146 ao receptor interno 148 quando o corpo de acionamento externo 146 for girado em uma primeira direção, enquanto permite que o receptor interno 148 gire livremente dentro do corpo de acionamento externo 146 quando o corpo de acionamento externo 146 é girado em uma segunda direção. Na modalidade exemplificadora representada nas Figuras 2 a 4, o mecanismo de travamento 150 inclui uma pluralidade de pinos de cilindro 152 e um trilho 154 que inclui uma série de porções afuniladas 156 sendo que cada uma se estende de uma reentrância 158 até uma garganta 160. Os pinos de cilindro 152 estão localizados no trilho 154 e deixados para se deslocar entre a reentrância 158 e a garganta 160 no interior das porções afuniladas 156. Conforme representado na Figura 3, quando o corpo de acionamento externo 146 é girado em uma primeira direção, os pinos de cilindro 152 são pressionados para dentro da garganta 160, onde o contato por atrito entre o corpo de acionamento externo 146, os pinos de cilindro 152 e o receptor interno 148 travam o corpo de acionamento externo 146 e o receptor interno 148 juntos em rotação. As molas de travamento 162 podem ser usadas para manter os pinos de cilindro 152 na posição travada conforme o torque flutua através do acoplamento direcional 138.
[0023] Na Figura 4, o corpo de acionamento externo 146 está sendo girado em uma segunda direção na qual os pinos de cilindro 152 estão sendo impelidos para fora da garganta 160 em direção à reentrância 158 pela rotação do corpo de acionamento externo 146 em relação ao receptor interno 148, desacoplando, assim, o corpo de acionamento externo 146 do receptor interno 148. Na posição representada na Figura 4, o torque fornecido ao corpo de acionamento externo 146 não seria passado através do acoplamento direcional 138 até o eixo de acionamento da bomba superior ou inferior 142, 144 conectado ao receptor interno 148.
[0024] Com os acoplamentos direcionais 138, o sistema de bombeamento 100 é capaz de deslocar seletivamente entre o uso da bomba superior 110 e da bomba inferior 114 mediante a alteração da direção rotacional do motor 108 para otimizar a remoção de fluidos do furo de poço 104. Como um exemplo não limitador, o sistema de bombeamento 100 pode ser colocado em um primeiro modo de operação girando-se o motor 108 em uma primeira direção para acionar a bomba inferior 114 através do acoplamento direcional 138a ao mesmo tempo que se mantém a bomba superior 110 desacoplada do motor 108 (conforme representado na Figura 1). À bomba inferior 114 pode ser configurada para produzir um volume aumentado de fluido presente em um estágio inicial na produção a partir do furo de poço 104. Quando as condições no furo de poço 104 mudam, o sistema de bombeamento 100 pode ser colocado em um segundo modo de operação mediante a alteração da direção de rotação do motor 108 para desativar a bomba inferior 114 e acionar a bomba superior 110 através do acoplamento direcional superior 138b (conforme representado na Figura 5). Pode ser desejável abrir a válvula de alívio de gás 200 quando a razão entre gás e líquido aumentar com a diminuição da produção de líquido para melhorar a recuperação através da bomba superior 110.
[0025] Deve ser compreendido que, apesar de numerosas características e vantagens de várias modalidades da presente invenção terem sido estabelecidas na descrição acima, juntamente com detalhes da estrutura e das funções de várias modalidades da invenção, essa revelação é ilustrativa apenas e podem ser feitas mudanças a certos detalhes, especialmente em matéria de estrutura e de disposição de peças, que estão dentro dos princípios da presente invenção, até o limite indicado pelo significado geral amplo dos termos em que as reivindicações anexas são expressas. Será reconhecido por aqueles versados na técnica que os ensinamentos da presente invenção podem ser aplicados em outros sistemas sem se afastar do escopo e do espírito da presente invenção.
Claims (20)
1. Sistema de bombeamento para uso na recuperação de fluidos de um furo de poço, sendo o sistema de bombeamento caracterizado por compreender: um motor; um eixo de acionamento configurado para rotação pelo motor; uma bomba superior posicionada acima do motor, sendo que a bomba superior inclui um eixo de acionamento de bomba superior; um acoplamento direcional superior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba superior, sendo que o acoplamento direcional superior é configurado para travar o eixo de acionamento de bomba superior no eixo de acionamento quando o eixo de acionamento é girado em uma primeira direção; uma bomba inferior posicionada abaixo do motor, sendo que a bomba inferior inclui um eixo de acionamento de bomba inferior; e um acoplamento direcional inferior conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba inferior, sendo que o acoplamento direcional inferior é configurado para travar o eixo de acionamento de bomba inferior no eixo de acionamento quando o eixo de acionamento é girado em uma segunda direção.
2. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada um dentre o acoplamento direcional superior e o acoplamento direcional inferior compreender: um corpo de acionamento externo, sendo que o corpo de acionamento externo é configurado para rotação com o eixo de acionamento; um mecanismo de travamento; e um receptor interno.
3. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o mecanismo de travamento compreender um trilho que inclui uma pluralidade de porções afuniladas, sendo que cada uma das porções afuniladas inclui uma reentrância e uma garganta.
4. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o mecanismo de travamento compreender uma pluralidade de pinos de cilindro situados no interior do trilho.
5. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o mecanismo de travamento do acoplamento direcional superior ser configurado de modo que os pinos de cilindro travem o receptor interno com o corpo de acionamento externo quando o motor, o eixo de acionamento e o corpo de acionamento externo forem girados na primeira direção.
6. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o mecanismo de travamento do acoplamento direcional inferior ser configurado de modo que os pinos de cilindro travem o receptor interno com o corpo de acionamento externo quando o motor, o eixo de acionamento e o corpo de acionamento externo forem girados na segunda direção.
7. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um obturador superior e um obturador inferior que juntos definem um espaço anular entre o furo de poço e o sistema de bombeamento.
8. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a bomba inferior compreender adicionalmente um tubo de entrada que se estende através do obturador inferior.
9. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a bomba superior compreender adicionalmente: uma descarga superior; e uma entrada selecionável, sendo que a entrada selecionável compreende uma luva deslizante.
10. Método para recuperar fluidos de um furo de poço com o uso de um sistema de bombeamento que inclui um motor, uma bomba superior acionada pelo motor, uma bomba inferior acionada pelo motor e uma tubulação de produção que se estende para fora do furo de poço a partir do sistema de bombeamento, sendo o método caracterizado por compreender as etapas de: girar o motor em uma primeira direção para acionar apenas a bomba inferior; e girar o motor em uma segunda direção para acionar apenas a bomba superior.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa de mover um desviador de fluidos para uma primeira posição a fim de abrir uma entrada em uma descarga da bomba superior acima da bomba superior para permitir que o fluido expelido da bomba inferior entre na tubulação de produção.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a etapa de mover um desviador de fluidos para uma primeira posição ocorrer antes da etapa de girar o motor em uma primeira direção.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa de mover um desviador de fluidos para uma segunda posição a fim de fechar uma entrada em uma descarga da bomba superior acima da bomba superior para evitar que o fluido expelido da bomba inferior entre na tubulação de produção.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a etapa de mover o desviador de fluidos para uma segunda posição ocorrer antes da etapa de girar o motor em uma segunda posição.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de abrir uma válvula de alívio de gás em um obturador superior após o desviador de fluidos ser colocado na segunda posição.
16. Acoplamento direcional para uso na aplicação seletiva de torque de um motor a uma bomba através de um eixo de acionamento e de um eixo de acionamento de bomba, sendo que o acoplamento direcional é conectado entre o eixo de acionamento e o eixo de acionamento de bomba, sendo o acoplamento direcional caracterizado por compreender: um corpo de acionamento externo conectado ao eixo de acionamento, sendo que o corpo de acionamento externo é configurado para rotação com o eixo de acionamento; um receptor interno conectado ao eixo de acionamento da bomba; e um mecanismo de travamento configurado para acoplar o eixo de acionamento da bomba ao eixo de acionamento apenas quando o eixo de acionamento é girado em uma primeira direção.
17. Acoplamento direcional, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o mecanismo de travamento compreender um trilho que inclui uma pluralidade de porções afuniladas, sendo que cada uma das porções afuniladas inclui uma reentrância e uma garganta.
18. Acoplamento direcional, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por o mecanismo de travamento compreender uma pluralidade de pinos de cilindro, sendo que cada um dentre a pluralidade de pinos de cilindro está situado em uma porção correspondente da pluralidade de porções afuniladas dentro do trilho.
19. Acoplamento direcional, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por cada um dentre a pluralidade de pinos de cilindro ser propendido por mola para um movimento em direção à garganta da porção correspondente dentre a pluralidade de porções afuniladas do trilho.
20. Acoplamento direcional, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o mecanismo de travamento ser configurado para desacoplar o eixo de acionamento da bomba do eixo de acionamento quando o eixo de acionamento for girado em uma segunda direção.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06W | Patent application suspended after preliminary examination (for patents with searches from other patent authorities) chapter 6.23 patent gazette] |