BR112021012487A2 - Sistema e metodologia de monitoramento de esp - Google Patents
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Abstract
sistema e metodologia de monitoramento de esp. uma técnica é fornecida para facilitar monitoramento de contaminantes que podem potencialmente entrar em um sistema de bombeamento submersível elétrico. um sistema de sensor é usado em conjunto com o sistema de bombeamento submersível elétrico para detectar a presença de contaminantes específicos que podem afetar operação futura do sistema de bombeamento submersível elétrico. dependendo da modalidade, o sistema de sensor pode compreender um sensor ou sensores dispostos dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico e/ou em ou ao longo de componentes associados ao sistema de bombeamento submersível elétrico. cada sensor é usado para monitorar quanto a contaminante e fornecer dados para um sistema de controle, de modo a facilitar tomada de decisões a respeito de operação futura do sistema de bombeamento elétrico submersível.
Description
[001] Todos e quaisquer pedidos para os quais uma reivindicação de prioridade estrangeira ou doméstica seja identificada na Folha de Dados do Pedido como depositado no presente pedido são incorporados por referência de acordo com 37 CFR 1.57. O presente pedido reivindica o benefício de prioridade do Pedido Provisório US No. 62/784.668, depositado em 24 de dezembro de 2018, a totalidade do qual é aqui incorporada por referência e deve ser considerada parte deste relatório descritivo.
[002] Sistemas de bombeamento submersíveis elétricos são implantados no fundo de poço e podem ser operados para bombear óleo e/ou outros fluidos para a superfície para coleta quando a energia de acionamento natural do reservatório não é forte o suficiente para elevar os fluidos de poço até a superfície. Um sistema de bombeamento submersível elétrico compreende uma bomba centrífuga submersível acionada por um motor elétrico submersível separado. O motor elétrico submersível é protegido por um protetor de motor, que às vezes é referido como uma seção de vedação, para evitar entrada de fluido de poço no sistema de bombeamento submersível. No entanto, o protetor de motor, bem como outros componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico, utilizam vedações de eixo que podem vazar ao longo do tempo e permitir que fluido de poço prejudicial entre no sistema de bombeamento submersível.
[003] Sistemas de sensores têm sido empregados para monitorar a operação do sistema de bombeamento submersível elétrico. No entanto, equipamentos sensores atuais são limitados à medição física de propriedades de sistema, tal como temperatura, potência, velocidade e vibração. Esses parâmetros podem fornecer boas informações sobre como o sistema de bombeamento submersível está operando em um dado ponto no tempo, mas eles não fornecem uma indicação direta de como o sistema de bombeamento submersível tenderá a operar no futuro, assim tornando o gerenciamento de saúde prognóstico muito difícil. Por exemplo, sistemas de sensores atuais não detectam adequadamente a migração de contaminantes de fluido de poço para o protetor de motor, motor submersível e/ou outros componentes do sistema de bombeamento, mas tais contaminantes de fluido de poço podem ter um grande impacto na operação futura do sistema de bombeamento.
[004] Em geral, a presente divulgação fornece um sistema e metodologia para monitorar contaminantes que podem potencialmente entrar em um sistema de bombeamento submersível elétrico. Um sistema de sensor é usado em conjunto com o sistema de bombeamento submersível elétrico para detectar a presença de contaminantes específicos que podem afetar a operação futura do sistema de bombeamento submersível elétrico. Dependendo da modalidade, o sistema de sensor pode compreender um sensor ou sensores dispostos dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico e/ou em ou ao longo de componentes associados ao sistema de bombeamento submersível elétrico. Cada sensor é usado para monitorar a presença do contaminante e fornecer dados a um sistema de controle, de modo a facilitar a tomada de decisões sobre a operação futura do sistema de bombeamento submersível elétrico.
[005] Certas modalidades da divulgação serão, a seguir, descritas com referência aos desenhos em anexo, em que numerais de referência semelhantes denotam elementos semelhantes. É enfatizado que, de acordo com a prática padrão na indústria, várias características não são desenhadas em escala. De fato, as dimensões de várias características podem ser arbitrariamente aumentadas ou reduzidas para clareza de discussão. Deve ser entendido, no entanto, que as figuras anexas ilustram as várias implementações descritas neste documento e não se destinam a limitar o escopo das várias tecnologias descritas neste documento, e:
[006] Figura 1 é uma ilustração de um exemplo de uma instalação de bombeamento submersível elétrico (ESP) combinada com um sistema de sensor de acordo com uma modalidade da divulgação;
[007] Figura 2 é uma ilustração de um exemplo de um sistema ESP com um sistema de sensor tendo um medidor de base e sensores remotos de acordo com uma modalidade da divulgação;
[008] Figura 3 é uma ilustração de um exemplo do medidor de base de acordo com uma modalidade da divulgação;
[009] Figura 4 é uma ilustração de um exemplo de um sensor disposto no sistema de bombeamento submersível elétrico para monitorar uma condição do óleo do motor de acordo com uma modalidade da divulgação;
[010] Figura 5 é uma ilustração mostrando como uma matriz de sensores colorimétricos e/ou fluorescentes pode ser usada para monitorar contaminantes no sistema de bombeamento submersível elétrico de acordo com uma modalidade da divulgação;
[011] Figura 6 é uma ilustração de outro exemplo de uma instalação de bombeamento submersível elétrico combinada com um sistema de sensor de acordo com uma modalidade da divulgação;
[012] Figura 7A ilustra esquematicamente sensores baseados em nanotubos de carbono (CNT) dispostos em ou sobre um protetor do sistema de bombeamento submersível elétrico, com a bolsa protetora experimentando expansão durante operação, de acordo com uma modalidade da divulgação;
[013] Figura 7B ilustra esquematicamente o protetor da Figura 7B experimentando contração durante operação;
[014] Figura 7C ilustra a bolsa do protetor das Figuras 7A-7B;
[015] Figura 8A ilustra esquematicamente uma modalidade de exemplo de um motor ESP incluindo um sensor baseado em CNT próximo à retenção de bobina de extremidade de cabeça;
[016] Figura 8B ilustra esquematicamente uma modalidade de exemplo de um motor ESP incluindo um sensor baseado em CNT próximo à retenção de bobina de extremidade de base; e
[017] Figura 9 ilustra condutores de um sensor baseado em CNT encapsulado em um cabo trançado que conecta a um conjunto de medidor de um sistema ESP para energia e telemetria.
[018] Na descrição a seguir, inúmeros detalhes são estabelecidos para fornecer uma compreensão de algumas modalidades da presente divulgação. Deve ser compreendido que a seguinte divulgação fornece muitas modalidades ou exemplos diferentes para implementação de diferentes características de várias modalidades. Exemplos específicos de componentes e arranjos são descritos abaixo para simplificar a divulgação. Esses são, naturalmente, meramente exemplos e não se destinam a ser limitantes. Além disso, a divulgação pode repetir numerais de referência e/ou letras nos vários exemplos. Essa repetição é para fins de simplicidade e clareza e não dita, por si só, uma relação entre as várias modalidades e/ou configurações discutidas. No entanto, será entendido por aqueles versados na técnica que o sistema e/ou a metodologia podem ser praticados sem estes detalhes e que numerosas variações ou modificações das modalidades descritas são possíveis. Esta descrição não deve ser tomada num sentido limitativo, mas em vez disso é feita apenas com a finalidade de descrever princípios gerais das implementações. O escopo das implementações descritas deve ser confirmado com referência às reivindicações expedidas.
[019] Sistemas de bombeamento submersíveis elétricos podem ser usados em uma variedade de aplicações de demanda em ambientes extremos. Componentes de um sistema de bombeamento submersível elétrico podem compreender materiais poliméricos e/ou outros materiais que podem ser suscetíveis a quantidades relativamente pequenas de contaminação. Essas quantidades relativamente pequenas de contaminação podem levar a questões catastróficas com relação a motores submersíveis e/ou outros componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico. Exemplos de contaminantes químicos potencialmente perigosos incluem H2S, H2O, CO2, produtos químicos de tratamento de poço e vários outros produtos químicos que podem estar presentes no fundo de poço, por exemplo, fluido de poço.
[020] Em geral, o sistema e a metodologia aqui descritos facilitam monitoramento de um sistema de bombeamento submersível elétrico, por exemplo, um motor submersível, de uma maneira que facilita proteção contra falha de componente. Por exemplo, a capacidade de monitorar e proteger ajuda um operador a planejar um recondicionamento ou outra atividade para mitigar o potencial para falha. De acordo com uma modalidade, um sistema de sensor é usado em conjunto com o sistema de bombeamento submersível elétrico para detectar a presença de contaminantes específicos que podem afetar a operação futura do sistema de bombeamento submersível elétrico. O sistema de sensor pode compreender um sensor ou sensores dispostos dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico e/ou em ou ao longo de componentes associados ao sistema de bombeamento submersível elétrico. Cada sensor é usado para monitorar contaminante e fornecer dados a um sistema de controle, de modo a facilitar a tomada de decisões sobre a operação futura do sistema de bombeamento submersível elétrico.
[021] Em algumas modalidades, o sistema de sensor pode utilizar vários marcadores que podem ser introduzidos no ambiente de fluido de poço para ajudar sensores correspondentes a detectar a presença de contaminantes. Algumas aplicações podem utilizar sensores ópticos tendo tecnologia de sensor fluorescente e/ou colorimétrico para monitorar contaminação química em um componente de sistema de bombeamento, tal como o motor submersível. Neste último exemplo, o monitoramento utiliza mudanças de cor e meios fluorescentes que mudam quando ocorre o contato com produtos químicos específicos. Ao monitorar as mudanças via os sensores, dados quantificáveis podem ser extraídos para compreensão das mudanças em relação ao ambiente do sistema de bombeamento submersível. Tais sensores podem ser colocados no e/ou em torno do motor submersível (ou outros componentes do sistema de bombeamento). Uma fibra óptica, por exemplo, um cabo de fibra óptica, pode ser usada para transferir o sinal/os dados de volta para um controlador de superfície. A título de exemplo, um pequeno cabo de fibra óptica pode ser incorporado em um cabo de energia usado para fornecer energia elétrica para o sistema de bombeamento submersível elétrico.
[022] Com referência geralmente à Figura 1, um exemplo de um sistema de bomba submersível elétrica (ESP) 30 é ilustrado como implantado em um poço 32, por exemplo, um furo de poço. O sistema de bombeamento submersível 30 pode compreender uma variedade de componentes, dependendo da aplicação particular ou do ambiente no qual ele é usado. O sistema de bombeamento ilustrado 30 inclui uma bomba submersível 34 acoplada a um motor elétrico submersível 36 e um protetor de motor 38. O protetor de motor 38 é usado para evitar entrada precoce de fluido de poço no motor submersível 36. O protetor de motor 38 pode ter uma redundância de câmaras e/ou outras características, por exemplo, compensadores e vedações de eixo, para ajudar a prevenir entrada de fluido de poço. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, um sistema de sensor pode ser usado para detectar se fluido de poço está entrando através das vedações ou outras características do sistema de bombeamento. Em algumas modalidades, a progressão de entrada de fluido de poço pode ser rastreada para permitir planejamento melhorado com relação à manutenção ou substituição do sistema de bombeamento submersível 30.
[023] Com referência novamente à Figura 1, a bomba submersível 34 pode incluir dois ou mais estágios 40 tendo impelidores, por exemplo, estágios de compressão na forma de fluxo radial, fluxo misto ou estágios de fluxo axial. No entanto, outros tipos de bombas submersíveis 34 podem ser usados para bombear fluido de poço. A carga de empuxo líquida, por exemplo, carga de empuxo para baixo, resultante da rotação dos impelidores pode ser resistida por um mancal 42 localizado no protetor de motor 38.
[024] Na modalidade ilustrada, o furo de poço 32 é perfurado para uma formação geológica 44 contendo um fluido de produção desejado 46, tal como petróleo. O furo de poço 32 pode ser revestido com um revestimento tubular 48 e canhoneios 50 podem ser formados através do revestimento do furo de poço 48 para permitir fluxo de fluidos entre a formação circundante 44 para o furo de poço 32. O sistema de bombeamento submersível 30 é implantado no furo de poço 32 por um sistema de implantação 52 que pode ter uma variedade de configurações. Por exemplo, o sistema de implantação 52 pode compreender tubulação 54, tal como tubulação espiralada ou tubulação de produção, conectada à bomba submersível 34 por um conector 56. Energia pode ser fornecida ao motor submersível 36 via um cabo de energia 58. O motor submersível 36, por sua vez, alimenta a bomba submersível 34 que pode ser usada para extrair fluido de produção 46 através de uma entrada de bomba 60. Durante operação da bomba submersível 34, o fluido 46 é bombeado/produzido através, por exemplo, da tubulação 54 para um local de coleta desejado que pode ser em uma superfície 62 da Terra.
[025] De acordo com a modalidade ilustrada, um sistema de sensor 64 é usado para monitorar entrada de constituintes indesejáveis no sistema de bombeamento submersível elétrico 30. Exemplos de constituintes indesejáveis podem incluem H2S, H2O, CO2, produtos químicos de tratamento de poço, petróleo, e vários outros produtos químicos que podem estar presentes em fluido de poço ou em outros fluidos usando no fundo de poço. O sistema de sensor 64 pode compreender uma variedade de sensores individuais ou combinados localizados no motor submersível 36 e/ou outros componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico 30.
[026] A título de exemplo, dados adquiridos via sistema de sensor 64 podem ser distribuídos a um sistema de controle 66, por exemplo, um sistema baseado em processador, localizado na superfície 62 ou outros locais adequados. Os dados adquiridos via sistema de sensor 64 podem ser enviados furo acima ao longo de uma linha de comunicação 68 a qual em algumas aplicações compreende uma fibra óptica. De acordo com uma modalidade, a linha de comunicação 68 pode ser na forma de um cabo de fibra óptica 70 disposto dentro do cabo de energia 58. No entanto, outros tipos de linhas de comunicação com fio ou sem fio 68 podem ser usados e esses outros tipos de linhas de comunicação podem ser roteados ao longo do cabo de energia 58 ou ao longo de outras rotas adequadas.
[027] Em algumas modalidades, o sistema de sensor 64 pode ser construído para realizar análise química do óleo do motor usado dentro do motor submersível 36 e protetor de motor 38. O sistema de sensor 64 pode incluir um sensor ou sensores 72 que são capazes de detectar a presença de certos produtos químicos. A título de exemplo, os sensores 72 podem estar na forma de sensores de fluorescência e/ou colorimétricos capazes de monitorar a contaminação química do óleo de motor. Esses sensores de fluorescência/colorimétricos 72 podem ser usados para identificar a presença de H2S, H2O, CO2, fluidos de poço ou outros constituintes.
[028] Sensores individuais 72 podem ser selecionados para monitorar produtos químicos específicos para permitir monitoramento coletivo da presença de uma variedade de constituintes. Com sensores de fluorescência e/ou colorimétricos 72, uma mudança em cor ou brilho é detectada dependendo da escolha de um sensor de fluorescência ou um sensor colorimétrico. A intensidade do sinal corresponde à quantidade de contaminação no sistema, por exemplo, no óleo do motor. O cabo de fibra óptica 70 (ou outra linha de comunicação adequada 68) pode ser usado para transmitir os sinais e dados correspondentes do sistema de sensor 64 para o sistema de processamento 66.
[029] A título de exemplo, os sensores 72 podem estar localizados no e em torno do motor submersível 36 e monitoramento pode ser realizado ao longo do tempo para determinar contaminação e se tal contaminação aumenta no motor submersível 36. Deve-se notar que os sensores 72 podem ser empregados em outros componentes do sistema de bombeamento submersível 30, no entanto, monitoramento do óleo do motor dentro do motor submersível 36 e/ou protetor de motor 38 pode ser muito útil em uma variedade de aplicações. Por exemplo, vedações usadas no motor submersível 36 podem falhar por vários motivos, tal como contaminação, perda dielétrica, falha de mancal, ataque químico e outros eventos. Se não for detectada, a contaminação pode ser catastrófica devido ao lento ingresso do contaminante no óleo de motor ao longo do tempo. Ao monitorar contaminação no óleo de motor, melhores predições com relação à falha de motor podem ser desenvolvidas para permitir melhores tempos de resposta e melhor gerenciamento de tempo de inatividade geral durante manutenção ou substituição do sistema de bombeamento submersível elétrico 30.
[030] Em algumas aplicações, o sistema de sensor 64 pode utilizar marcadores que podem ser detectados pelo sensor 72. Por exemplo, marcadores podem ser adicionados a fluidos de poço e/ou óleo dielétrico no sistema de bombeamento submersível 30. Sensores 72 localizados dentro do motor submersível 36 e/ou outros componentes do sistema de bombeamento submersível 30 podem ser usados para monitorar a presença ou mudanças no material de marcador, de modo a determinar contaminação. Por exemplo, o sensor 72 pode ser usado para detectar marcadores localizados em fluido de poço, de modo a permitir rastreamento de entrada de fluido de poço no sistema de bombeamento submersível 30, bem como a progressão de entrada de fluido. O material de marcador também pode ser uma substância pré-existente nos fluidos de poço que pode ser explorada para detecção de entrada de fluidos de poço no sistema de bombeamento.
[031] Com referência geralmente à Figura 2, outra modalidade do sistema de bombeamento submersível elétrico 30 é ilustrada. Neste exemplo, o sistema de bombeamento submersível 30 é implantado ao longo de uma coluna de ESP 74 e compreende bomba submersível 34, admissão de bomba 60, protetor de motor 38, motor submersível elétrico 36 e sistema de sensor 64 que inclui um medidor de base 76. O motor submersível 36 está em comunicação elétrica com, e recebe energia elétrica de, um acionador de superfície 78 ou outra fonte de energia adequada através do cabo de energia 58. Em algumas modalidades, a linha de comunicação 68 pode ser roteada dentro do cabo de energia 58 para comunicação com o sistema de controle 66, por exemplo, um sistema de controle baseado em computador.
[032] Neste exemplo, o sistema de sensor 64 compreende sensores 72 dispostos ao longo da coluna de ESP 74, incluindo dentro do medidor de base 76. Os sensores 72 compreendem sensores constituintes, mas também podem compreender outros tipos de sensores para detectar parâmetros adicionais, tal como pressão, temperatura e/ou vibração.
[033] A título de exemplo, o medidor de base 76 pode estar localizado na extremidade inferior do sistema de bombeamento submersível elétrico 30. O medidor de base 76 pode ser aparafusado via uma conexão de flange à base do motor elétrico 36. Adicionalmente, o medidor de base 76 pode receber energia e pode comunicar com equipamento de superfície via uma conexão ao ponto estrela do motor submersível 36 ou via outras técnicas de comunicação de energia e dados. Com referência adicional à Figura 3, uma modalidade do medidor de base 76 é ilustrada. Neste exemplo, o medidor de base 76 pode ser afixado a uma base de motor 80 do motor submersível 36 por um ou mais prendedores 82. Os prendedores 82 podem incluir parafusos, cavilhas, rebites ou outros prendedores adequados.
[034] O sistema de sensor 64 compreende pelo menos um sensor 72 localizado dentro do medidor de base 76. O pelo menos um sensor 72 pode estar na forma de uma sonda de detecção de condição de óleo 84 que se estende para cima do medidor de base 76 para a base de motor 80, de modo que o sensor 72/sonda 84 esteja imerso e em contato com óleo de motor contido no motor submersível elétrico 36. Em algumas modalidades, o medidor de base 76 pode compreender uma variedade de outras características, tal como um conector de termopar 86 e uma conexão de ponto estrela de motor 88, conforme ilustrado na Figura 4. Um elemento de vedação ou uma pluralidade de elementos de vedação 90 pode ser disposta em uma superfície externa da extremidade superior do medidor de base 76 para formar uma vedação contra uma superfície interna da base de motor 80 quando montada no mesmo.
[035] Deve ser notado que o medidor de base 76 é um tipo de mecanismo para implantar um sensor correspondente 72 em contato com o óleo de motor interno. No entanto, o sensor ou os sensores 72 podem ser posicionados em outros locais adjacentes ou dentro do motor submersível 36 e/ou outros componentes do sistema de bombeamento submersível 30. Adicionalmente, a sonda de detecção 84 / sensor 72 pode ter muitos tipos de configurações.
[036] Como discutido acima, um ou mais dos sensores 72 podem estar na forma de sensores de fluorescência e/ou colorimétricos capazes de monitorar contaminação química do óleo de motor. A título de exemplo, tais sensores de fluorescência/colorimétricos 72/sondas 84 podem ser usadas para identificar a presença de H2S, H2O, CO2, fluidos de poço ou outros constituintes entrando no motor submersível 36 ou outros componentes do sistema de bombeamento. Em algumas modalidades, por exemplo, a sonda 84 e/ou outro sensor 72 podem estar na forma de um sensor colorimétrico que usa uma matriz de sensores colorimétricos como ilustrado na Figura 5.
[037] Com este tipo de sensor 72, uma matriz colorimétrica tem um dado padrão de cores e/ou brilho antes da exposição a um material contaminante (veja a imagem à esquerda na Figura 5). Uma vez que o sensor 72 é exposto ao contaminante químico de interesse, a matriz colorimétrica muda conforme indicado pela imagem do meio na Figura 5. As diferenças na matriz de antes da exposição até após a exposição podem ser montadas em um mapa de diferença (ver imagem à direita na Figura 5). O mapa de diferença pode ser criado via sistema de controle 66 ou via processamento de fundo de poço dos dados. Os dados da matriz colorimétrica podem ser enviados furo acima via o cabo de fibra óptica 70 para permitir processamento via sistema de controle 66, por exemplo, para permitir determinação de um mapa de diferença indicando a presença e o nível de contaminação no óleo de motor. Monitoramento contínuo das diferenças na matriz colorimétrica pode ser usado para monitorar progressão do contaminante dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico 30.
[038] Com referência geralmente à Figura 6, outra modalidade do sistema de sensor 64 é ilustrada. Neste exemplo, o sistema de sensor 64 funciona em cooperação com um marcador ou marcadores 92. O marcador 92 é usado em cooperação com um sensor ou sensores 72 do sistema de sensor 64. A título de exemplo, o sensor 72 pode compreender uma sonda ou outro tipo de sensor localizado no medidor de base 76. No entanto, sensores adicionais ou outros 72 podem estar localizados em outros componentes do sistema de bombeamento submersível 30, conforme ilustrado.
[039] Em algumas modalidades, o medidor 76 pode incluir eletrônicos para receber, processar e/ou transmitir dados de sensor. No entanto, o sistema de controle de superfície 66 pode ser usado para processar dados ou pode trabalhar em cooperação com o medidor 76 para facilitar processamento de dados de sensor indicativos da presença do marcador 92 e, assim, de contaminantes.
[040] Dependendo da aplicação, o marcador ou os marcadores 92 podem compreender marcadores químicos, marcadores ópticos, marcadores nucleares ou outros tipos de marcadores. Os sensores 72 são escolhidos/construídos para detectar a presença de tal marcador que é indicativo da presença de contaminantes, por exemplo, no óleo de motor interno. Em algumas modalidades, o medidor 76 pode ser usado para reunir esses dados e correlacioná-los com a progressão de entrada de fluido de poço. Várias combinações de marcadores 92 e sensores 72 podem ser usadas dependendo da física de interesse.
[041] Em algumas aplicações, o fluido de poço já pode conter um marcador ou marcadores 92 que podem ser explorados pelo sensor ou sensores correspondentes 72 que são capazes de detectar o marcador 92 (e, assim, a presença indesejada de fluido de poço). O marcador 92 pode ser uma substância química que se dissolve em e/ou está suspensa no fluido de poço. Um sensor químico apropriado 72 pode, então, ser usado para detectar o produto químico específico. Sensores químicos projetados para fluidos específicos (sem o uso de um marcador) também podem ser selecionados com base em produtos químicos conhecidos para detectar substâncias ou propriedades particulares, por exemplo, valor de pH.
[042] O marcador 92 também pode ser um marcador nuclear. Marcadores radioativos 92 criam uma taxa de detecção mais alta ou mais baixa dependendo de sua posição relativa em relação ao sensor de detecção 72. O marcador 92 também pode ser um marcador óptico. Por exemplo, partículas de marcador de tamanho, forma, material e/ou acabamento específico podem ser usadas e o sensor de detecção 72 pode ser construído para detectar tais partículas. Tal sensor de detecção 72 pode ser um sensor de linha de local capaz de detectar tais partículas por laser, ultrassom ou outra técnica adequada.
[043] O marcador 92 também pode compreender um marcador de viscosidade. Partículas de marcador de viscosidade podem ser usadas para afetar a viscosidade do fluido de poço e um sensor de viscosidade correspondente 72 pode ser usado para monitorar essa mudança. O marcador 92 também pode compreender um marcador dielétrico que muda as propriedades isolantes do óleo de motor dentro do motor submersível 36. A detecção da mudança em propriedade de isolamento via o sensor correspondente 72 fornece uma indicação do ingresso de fluidos de poço.
[044] Além disso, o marcador 92 pode ser um marcador reativo. Um marcador reativo pode permanecer quimicamente estável quando no fluido original, por exemplo, dentro de fluidos de poço ou óleo de motor interno. No entanto, o marcador reativo sofre reações químicas quando em contato com um fluido alternativo, por exemplo, óleo de motor interno ou fluido de poço. Sensores correspondentes 72 são capazes de deduzir tal reação. Esses tipos de marcadores também podem compreender reagentes que servem como habilitadores e/ou catalisadores para tal reação química. Por conseguinte, vários tipos de marcadores podem ser usados individualmente ou em combinação para permitir detecção e monitoramento de constituintes indesejáveis, por exemplo, fluido de poço no motor submersível 36.
[045] Com referência novamente à Figura 6, o marcador 92 pode estar presente ao longo do exterior do sistema de bombeamento submersível elétrico 30, por exemplo, fora de uma vedação de eixo superior do protetor de motor 38. A detecção do marcador 92 dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico 30 implica em ingresso de fluido. Os sensores 72 que detectam e indicam ingresso de fluido indesejado também podem estar localizados dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico 30.
[046] Em algumas modalidades, o marcador 92 pode ser depositado no furo de poço 32 via uma linha de superfície 94. Por exemplo, o marcador 92 pode ser depositado abaixo através do revestimento 48 a partir de um nível de superfície. O marcador 92 também pode ser distribuído no fundo de poço através de uma linha de injeção 96 a partir de um fornecimento de superfície 98. A linha de injeção 96 pode ser na forma de um tubo, por exemplo, capilar, que fornece o marcador 92 a uma profundidade de fundo de poço desejada. Além disso, o marcador 92 pode ser disposto dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico 30 em algumas modalidades.
[047] No exemplo ilustrado, outro marcador 92 é ilustrado conforme disposto dentro do protetor de motor 38. No entanto, o marcador 92 pode ser distribuído via um conjunto de marcador localizado internamente ou externamente ao sistema de bombeamento submersível 30. Por exemplo, o marcador 92 poderia estar contido dentro de um conjunto de marcador localizado em um lado externo do protetor de motor 38, por exemplo, em uma posição fora da primeira vedação de eixo do protetor de motor 38. Em algumas aplicações, o marcador 92 pode estar localizado acima ou abaixo do sistema de bombeamento submersível e dentro ou ao longo de outros componentes da completação de poço geral, por exemplo, ao longo de uma completação superior ou uma completação inferior.
[048] Os marcadores 92 também podem ser usados em várias combinações e em vários locais. Em algumas aplicações, o marcador 92 pode ser dissolvido no óleo de motor interno em uma concentração predeterminada. Este tipo de marcador 92 também pode ser adicionado ao motor submersível 36 ou outros componentes do sistema de bombeamento submersível 30 via uma linha de tubulação da superfície ou via um repositório localizado dentro ou próximo ao sistema de bombeamento submersível 30.
[049] Da mesma forma, o(s) sensor(es) 72 do sistema de sensor 64 podem ser posicionados em uma variedade de locais. Exemplos de locais adequados incluem fora do sistema de bombeamento submersível 30, por exemplo, acima, abaixo ou nas proximidades do sistema de bombeamento submersível 30. O sensor 72 também pode estar localizado dentro do sistema de bombeamento submersível 30, por exemplo, abaixo de cada vedação de eixo protetor; em áreas de interesse na câmara de compensador (labirinto, bolsa, fole ou outros componentes de protetor de motor); em locais de mancal de empuxo dentro do protetor de motor 38 e/ou motor submersível 36; e/ou em outras áreas de interesse dentro do motor submersível 36 (pothead, enrolamento, medidor 76 ou outros componentes relativos a motor). Em algumas aplicações, um único sensor 72 pode estar localizado perto de uma última barreira para o fluido de poço, de modo a fornecer um aviso de que o sistema de bombeamento submersível 30 está se aproximando do fim de sua vida. O uso de um único sensor 72 fornece um sistema com baixa complexidade.
[050] Em outras modalidades, vários sensores 72 podem ser usados nas câmaras internas do protetor de motor 38. Os múltiplos sensores 72 podem ser usados para fornecer uma métrica progressiva em relação à entrada de fluidos de poço ao longo do tempo para permitir melhores predições de falha final do sistema de bombeamento 30. Vários sensores 72 também podem ser usados para ajudar a diagnosticar problemas com relação a elementos importantes no ou acima do motor, por exemplo, mancais de empuxo 42. Vários arranjos de sensores podem ser usados para monitorar robustez de equipamento e podem ser posicionados em uma variedade de locais únicos ou combinações de locais. Por exemplo, sensores 72 podem estar localizados fora do sistema de bombeamento submersível 30 acima de uma vedação de eixo protetor superior, em juntas de alojamento, em juntas de chamas e/ou em juntas de conector de energia. Dependendo do arranjo, o sensor ou os sensores 72 podem ser usados para detectar a presença de um marcador 92, uma presença crescente do marcador 92, uma presença decrescente do marcador 92 e/ou mudanças no marcador 92.
[051] Em algumas aplicações, o marcador 92 pode ser uma substância ocorrendo naturalmente e o sensor ou os sensores 72 podem ser selecionados para monitorar a substância ocorrendo naturalmente, por exemplo, um produto químico específico. Em tal aplicação, o sensor ou os sensores 72 podem compreender sensores de fluorescência e/ou colorimétricos que são capazes de detectar uma mudança em cor ou brilho. Conforme descrito acima, a intensidade do sinal de tal sensor 72 corresponde à quantidade de contaminação no sistema, por exemplo, no óleo de motor. O cabo de fibra óptica 70 (ou outra linha de comunicação adequada 68) pode ser usado para transmitir os sinais e dados correspondentes do sistema de sensor 64 para o sistema de processamento 66. Dados de uma variedade de tipos de sensores 72 podem ser transmitidos ao longo de linhas de comunicação 68 adequadas localizadas dentro do cabo de energia 58 ou roteadas separadamente do cabo de energia 58.
[052] Conforme descrito neste documento, um ou mais sensores podem ser posicionados em um ou mais vários locais no, sobre e/ou ao longo do sistema de bombeamento submersível 30. Em algumas configurações, um ou mais sensores 72 são posicionados em um ou mais locais que exibem os primeiros sinais de falha do sistema de bombeamento submersível 30 ou componente(s) do mesmo. O(s) sensor(es) pode(m) detectar mudanças repentinas, por exemplo, em propriedades de material e/ou condições ambientais, para avaliar melhor a saúde e/ou condição do sistema de bombeamento submersível 30 ou componente(s) do mesmo.
[053] Em algumas configurações, o sensor 72 é um dispositivo de detecção flexível à base de carbono. Alguns sensores convencionais incluem silício como o elemento de detecção primário. No entanto, silício é rígido e o tempo de resposta e a sensibilidade de um sensor baseado em silício têm limitações quando monitoramento em tempo real é necessário ou desejado. Em contraste, um sensor à base de carbono, por exemplo, feito de ou incluindo um material à base de nanocarbono, tal como nanotubos de carbono (CNT), pode vantajosamente ter ou exibir, por exemplo, alta sensibilidade, um tempo de resposta rápido,
relativa facilidade de capacidade de fabricação, flexibilidade (por exemplo, altamente e/ou facilmente conformável à geometria curva) e/ou baixo consumo de energia. O CNT pode ter ou exibir propriedades tais como alta condutividade elétrica, alta condutividade térmica e excelentes propriedades mecânicas. Dependendo da rota de síntese do CNT, o CNT pode ter quiralidade diferente (por exemplo, braço de cadeira, zigue-zague), o que contribui para características semicondutoras únicas e pode levar a essa alta sensibilidade e esse tempo de resposta rápido.
[054] A sensibilidade de um sensor é governada pelo fator de medição, que pode ser expresso como: 𝑑𝑅 𝑑𝑃 𝐺=
𝑅 𝑃 onde R é a resistência do sensor e P é a propriedade de interesse a ser capturada pelo elemento de detecção. Por exemplo, para um sensor de flexão (deformação), P é o comprimento do elemento de detecção ativo. Para um sensor de temperatura, P é a temperatura real. Para um sensor de umidade, P é a umidade relativa do ambiente. Um fator de medidor mais alto indica uma resposta melhor e mais rápida em detecção de mudanças repentinas ou mínimas no ambiente. Devido a uma área de superfície ultra-alta e porosidades existentes dentro de uma rede de CNT, e uma capacidade de personalizar funcionalidades de superfície sob medida usando química de clique, sensores de CNT são vantajosamente capazes de responder a mudanças em seu ambiente detectado muito rapidamente (por exemplo, dentro de cerca de 10 milissegundos), embora também sendo leves e flexíveis.
[055] Para um sensor de flexão (deformação) baseado em CNT, mudanças no comprimento ou na flexão de um componente, por exemplo, do sistema de bombeamento submersível 30, podem ser capturadas pelo sensor através de monitoramento da mudança na resistividade dos nanotubos. A resistividade dos nanotubos é dependente da orientação, da interface dentre nanotubos individuais e da interação de nanotubos com um ligante ou matriz de polímero na qual os nanotubos estão dispersos. Para um sensor de umidade baseado em CNT, a dependência da umidade da resistência está relacionada à interação da superfície de CNT com moléculas de água, o que leva à protonação e, portanto, a um aumento na densidade de transportadores de carga. A resistência também pode depender da espessura do sensor (isto é, a espessura de revestimento de CNT, que depende da técnica de fabricação do sensor) devido à interação com e da taxa de difusão da umidade.
[056] Sensor(es) à base de CNT podem ser usados em um sistema de sensor 64 (por exemplo, como sensor(es) 72) conforme descrito neste documento ou de acordo com a presente divulgação. Sensor(es) com base em CNT também ou alternativamente podem ser usados independentemente ou em outros sistemas de sensores. Um ou mais sensores baseados em CNT podem ser posicionados em vários locais no, sobre ou ao longo de uma coluna de ESP.
[057] Por exemplo, um ou mais sensores baseados em CNT, por exemplo, configurados como sensores de flexão de fundo de poço, podem ser usados em monitoramento de saúde estrutural de componente crítico. Um sistema ESP tipicamente inclui muitos materiais diferentes, tal como vários metais, cerâmicas e/ou elastômeros ou borrachas. Durante a operação de fundo de poço, os componentes do sistema de ESP aquecem e deformam coesivamente para funcionar como um único sistema, embora peças de metal muitas vezes suportem a maior parte do peso do sistema, embora peças de elastômero tipicamente oferecem mais flexibilidade para agir como vedações ou foles de compensação de pressão , etc. Em operações normais, os componentes operam dentro de seus limites de projeto. No entanto, se o sistema operar além de seus limites de projeto e migrar em direção a carga e/ou tensão excessiva, por exemplo, devido a alto calor, produtos químicos agressivos de fundo de poço, etc., o(s) material(is) pode(m) exibir deformação e/ou flexão excessiva. Dependendo da criticidade do componente no sistema, pode ocorrer uma falha de sistema.
[058] Tais desvios do(s) estado(s) de equilíbrio dos materiais são repentinos e podem não ser facilmente detectáveis ou detectáveis via meios convencionais. Para detectar esses eventos e tomar decisões informadas sobre a saúde e condição do sistema, o sensor deve estar em íntima proximidade à área com maior probabilidade de desviar primeiro do resto do sistema e/ou de condições normais de operação. O sensor deve, portanto, ser pequeno e flexível. O sensor também deve ter sensibilidade ultra-alta (fator de medidor) para ser capaz de detectar eventos repentinos e diminutos que sinalizam primeiro desvio de operação normal. Os sensores baseados em CNT têm esses traços únicos e permitem, de forma vantajosa, detecção precoce de eventos repentinos.
[059] Em algumas configurações, um ou mais sensores, tal como um ou mais sensores baseados em CNT, podem ser posicionados e/ou usados para monitorar a saúde (por exemplo, saúde estrutural) e/ou condição do protetor 38 (por exemplo, bolsas protetoras de elastômero para aplicações de média a alta temperatura e foles de metal para poços de temperatura ultra-alta). Em uso, o protetor 38, por exemplo, a(s) bolsa(s) ou o fole respondem às flutuações de temperatura no fundo do poço e fornecem compensação de pressão durante ciclo térmico via expansão e contração das bolsas ou do fole. O protetor 38 ou componentes do mesmo poderiam falhar no fundo do poço devido a, por exemplo, intumescimento químico da bolsa de elastômero a temperaturas elevadas levando a resistência de elastômero reduzida ou fole de metal ultrapassando sua resistência ao escoamento do material. Se o protetor 38 ou componentes falharem, fluidos de poço podem entrar no motor.
[060] Um ou mais sensores, por exemplo, sensores à base de CNT podem ser fixados ou posicionados próximos a locais no, sobre ou ao longo do protetor 38, por exemplo,
a bolsa protetora ou o fole, para fornecer monitoramento preciso do movimento da bolsa protetora ou fole em operação. A flexibilidade do sensor baseado em CNT permite que o sensor se conforme à curvatura de superfície da bolsa protetora (por exemplo, ao longo do ressalto, onde a ruptura frequentemente inicia) e forneça monitoramento em tempo real do movimento de flexão durante expansão e contração térmica. Por exemplo, a configuração de saco 38 protetor de exemplo das Figuras 7A-7C inclui um sensor baseado em CNT 72a posicionado em um ressalto superior da bolsa, um sensor baseado em CNT 72b posicionado em um ressalto inferior da bolsa e um sensor baseado em CNT 72c posicionado na cintura da bolsa. Figura 7A ilustra a bolsa protetora experimentando expansão durante operação, enquanto a Figura 7B ilustra a bolsa protetora experimentando contração durante operação. O(s) sensor(es) à base de CNT podem ser instalados externamente ou internamente ao protetor 38. Sensor(es) à base de CNT podem vantajosamente detectar o efeito de intumescimento químico no elastômero detectando pequenas mudanças na deformação causada pela absorção de fluido de poço no elastômero. A expansão e contração macroscópica devido à variância de temperatura e variação de deformação microscópica devido à exposição a fluido fornecem informações valiosas sobre a condição de saúde geral da bolsa protetora e permitem predição da vida útil da bolsa em um ambiente de fundo de poço.
[061] Como outro exemplo, um ou mais sensores baseados em CNT, por exemplo, configurados como sensores de umidade de fundo de poço, podem ser usados para detecção de umidade e/ou umidade no motor de ESP 36. A umidade relativa é importante para a confiabilidade do motor de ESP 36. A fase de ar e/ou gás inerte dentro da câmara do motor 36 é capaz de receber um teor de umidade mais alto em temperaturas elevadas no fundo do poço que na temperatura ambiente (por exemplo, durante instalação). A umidade tem sido a principal causa de falha elétrica de enrolamentos de motor porque umidade mínima tende a hidrolisar o isolamento do fio magnético, tipicamente feito de poli-imida. Níveis de água tão baixos quanto 0,1% no óleo de motor podem degradar significativamente o material de isolamento em um ambiente de fundo de poço (na pressão e temperatura de fundo de poço) e levar a um curto-circuito do motor e possível falha eventual. Porções de fios magnéticos imersos em uma mistura de água/óleo mostram quase o mesmo nível de degradação que porções dos fios magnéticos diretamente expostos à fase de gás inerte, indicando que umidade na fase de gás reage e degrada o isolamento de poli-imida também.
[062] Um ou mais sensores baseados em CNT podem ser implantados ou posicionados dentro do motor 36 para fornecer monitoramento de umidade relativa em tempo real na pressão e temperatura de fundo de poço. Por exemplo, um sensor baseado em CNT 72d, 72d pode ser posicionado na ou ao longo da retenção de bobina de extremidade de cabeça e/ou retenção de bobina de extremidade de base, respectivamente, do motor 36, por exemplo, como mostrado nas Figuras 8A-8B. Figura 8A mostra emendas de fios magnéticos revestidos de slotliner 35 para fios de escova 37. Figura 8B mostra emendas dos fios magnéticos revestidos de slotliner 35 para um ponto Y 39. O(s) sensor(es) podem detectar mudanças repentinos em umidade relativa que são indicativas de mudança em umidade durante o ciclo de vida do motor 36. Flutuações em teor de umidade podem fornecer uma visão sobre a umidade de limiar que levaria ao início de hidrólise da estrutura de espinha dorsal de poli-imida e vantajosamente permitem predição de vida útil realista.
[063] Sensores baseados em CNT podem ser alimentados por eletrônicos de superfície usando entrada CC em uma baixa voltagem. Sinais de sensores baseados em CNT podem ser transmitidos para a superfície, por exemplo, para interpretação, ao longo do cabo de energia de ESP. Em algumas configurações, sensores baseados em CNT podem ser encapsulados dentro de um alojamento oju revestimento resistente à corrosão, termicamente estável para reduzir ataque químico mediante exposição a fluido de poço e/ou para minimizar distúrbio(s) de vibração e/ou óleo de motor durante operação da ESP.
[064] Em algumas configurações, um cabo torcido dedicado 95 é acoplado ao sensor baseado em CNT para transmitir sinais de energia e/ou telemetria para fornecer confiabilidade de sinal melhorada, por exemplo, como mostrado na Figura 9. Condutores do sensor 72, por exemplo, de um chassi eletrônico 97 do sensor 72, podem ser conectados ao cabo 95 via um conectado 99. Em uso, um sinal analógico gerado pelo sensor 72 é convertido em saída digital via um conversor analógico para digital ou um microcontrolador integrado flexível para processamento de sinal na superfície. A saída digital pode ser convertida e calibrada em uma leitura finita para indicar, por exemplo, o grau de flexão durante operação do protetor 38 ou a quantidade de umidade no motor 36. O sinal pode ser filtrado com software de cancelamento de ruído, por exemplo, na superfície, para assegurar uma alta razão sinal para ruído para melhor interpretação dos dados, permitindo sensibilidade e precisão mais altas.
[065] Embora algumas modalidades da divulgação tenham sido descritas em detalhes acima, aqueles versados na técnica prontamente apreciarão que são possíveis muitas modificações sem se afastar materialmente dos ensinamentos desta divulgação. Portanto, tais modificações se destinam a ser incluídas dentro do escopo desta divulgação, conforme definido nas reivindicações.
Claims (27)
1. Sistema para uso em um poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um sistema de bombeamento submersível elétrico tendo uma bomba submersível alimentada por um motor submersível acoplado a um protetor de motor; um cabo de energia acoplado ao motor submersível; um sensor disposto dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico para detectar uma substância indicativa de fluido de poço entrando em um interior do motor submersível; um sistema de controle para processar dados do sensor; e uma linha de comunicação conectando o sensor com o sistema de controle.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende uma pluralidade de sensores.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende um sensor de fluorescência.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende um sensor colorimétrico.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um marcador, o sensor sendo posicionado para detectar o marcador mediante ingresso de fluido de poço no motor submersível.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende uma pluralidade de sensores localizados internamente e externamente ao sistema de bombeamento submersível elétrico.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de comunicação compreende um cabo de fibra óptica.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de comunicação está disposta dentro do cabo de energia.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um medidor acoplado ao motor submersível, o sensor sendo posicionado para se estender do medidor para o motor submersível.
10. Método, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um sistema de bombeamento submersível elétrico tendo uma bomba submersível alimentada por um motor submersível acoplado a um protetor de motor; operar o sistema de bombeamento submersível elétrico no fundo de poço em um furo de poço para bombear um fluido de poço; utilizar um sensor de fundo de poço para detectar um constituinte indicativo de contaminação entrando no motor submersível; e fornecer dados do sensor de fundo de poço para um sistema de controle localizado em um local de superfície para permitir análise de ações futuras com respeito à operação do sistema de bombeamento submersível elétrico.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que utilizar o sensor de fundo de poço compreende utilizar uma pluralidade de sensores de fundo de poço.
12. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que utilizar o sensor compreende utilizar um sensor de fluorescência.
13. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que utilizar o sensor compreende utilizar um sensor colorimétrico.
14. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda implantar um marcador no fluido de poço, em que utilizar o sensor de fundo de poço compreende detectar o marcador.
15. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer dados compreende fornecer dados para o local de superfície ao longo de uma fibra óptica.
16. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer dados compreende fornecer dados ao longo de um cabo de energia.
17. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer dados compreende fornecer dados ao longo de um cabo de fibra óptica posicionado dentro de um cabo de energia.
18. Sistema para uso em um poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um sistema de bombeamento submersível elétrico tendo uma bomba submersível alimentada por um motor submersível acoplado a um protetor de motor;
um cabo de energia acoplado ao motor submersível; um sensor óptico disposto dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico para detectar um contaminante dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico; um sistema de controle para processar dados do sensor óptico, o sistema de controle comparando imagens ópticas antes e depois da exposição ao contaminante; e uma fibra óptica acoplada entre o sensor óptico e o sistema de controle.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende um sensor de fluorescência.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende um sensor colorimétrico.
21. Sistema para uso em um poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um sistema de bombeamento submersível elétrico tendo uma bomba submersível alimentada por um motor submersível acoplado a um protetor de motor; um cabo de energia acoplado ao motor submersível; um sensor disposto dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico, o sensor configurado para fornecer informações indicativas de saúde de um ou mais componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico; um sistema de controle para processar dados do sensor; e uma linha de comunicação conectando o sensor com o sistema de controle.
22. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o sensor compreende nanotubos de carbono (CNT).
23. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o sensor está posicionado no ou sobre o protetor de motor.
24. Sistema, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o sensor está posicionado em ou sobre uma bolsa protetora do protetor de motor.
25. Sistema, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o sensor é configurado para fornecer informações a respeito de movimento flexível do protetor durante operação.
26. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o sensor está posicionado no ou sobre o motor submersível.
27. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sensor é configurado para fornecer informações a respeito de umidade relativa.
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