BR112021012854A2 - Material de proteção para sistema de combustível - Google Patents
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Abstract
material de proteção para sistema de combustível. um sistema de tocha de fundo de poço e método de uso inclui um compartimento cilíndrico, um material de proteção fornecido em pelo menos um dentre o compartimento cilíndrico e a carga de combustível e uma carga de combustível localizada dentro do compartimento cilíndrico. o material de proteção é fornecido entre a carga de combustível e o alojamento cilíndrico para proteger o alojamento cilíndrico dos efeitos adversos causados pela reação da queima de combustível e / ou a produção subsequente de produtos de combustão para processos de corte e / ou perfuração durante a operação da tocha sistema. o material de proteção melhora significativamente o desempenho de corte e / ou perfuração do sistema da tocha.
Description
[001] Esta aplicação é uma Patente de Tratado de Cooperação (PCT - Patent Cooperação Treaty) que reivindica prioridade para o Pedido de Patente dos Estados Unidos No. 16/725,555, tendo o Título “Material de Proteção para Sistema de Combustível”, depositado em 23 de dezembro de 2019, e pedido Provisório dos Estados Unidos No. 62/785,893, tendo o título de “Material de Proteção para Sistema de Combustível”, depositado em 28 de dezembro de 2018, ambos dos quais são incorporados inteiramente neste documento por referência.
[002] O presente pedido relata, geralmente, para sistemas de corte e/ou perfuração de fundo de poço, envolvendo termite ou combustível semelhante a um meio de produção de corte ou de trabalho. Mais especificamente, o pedido se refere a um material que protege seletivamente a superfície interna de um alojamento de combustível das propriedades térmicas e abrasivas do combustível.
[003] Os sistemas de tocha de fundo de poço incluem um alojamento cilíndrico que pode abrigar e conter combustível, tal como pelotas de combustível termite ou outras pelotas de combustível inflamável, incluindo propelentes. O alojamento cilíndrico pode muitas vezes ser afetado adversamente pelo aquecimento localizado e pelo fluxo induzido durante a queima do combustível. Em algumas situações, o combustível é retido por tempo suficiente para que a parede do alojamento cilíndrico seja completamente corroída. Em casos extremos,
este aquecimento do alojamento cilíndrico pode afetar adversamente o desempenho da tocha e pode reduzir a eficácia geral da tocha. Em adição, este aquecimento problemático do alojamento cilíndrico pode afetar o design da tocha, uma vez que a quantidade de combustível e a duração da reação são consideradas e manipuladas, a fim de evitar a condição de erosão catastrófica.
[004] As tochas convencionais são projetadas com o combustível carregado em contato íntimo ou direto com o sistema de tocha, por exemplo, contra a superfície interna do alojamento cilíndrico. Este projeto permite que o combustível seja carregado diretamente no alojamento da tocha, mas o projeto não oferece proteção para a parede cilíndrica contra os efeitos do combustível (produtos de combustão). Para situações em que a quantidade de combustível não excede uma massa crítica, a descarga do combustível (por exemplo, combustível fundido ou plasma, produtos de combustão) pode ocorrer sem nenhum efeito prejudicial para o alojamento cilíndrico. No entanto, em situações em que a quantidade de combustível excede uma massa crítica, o risco de danos para o alojamento cilíndrico é maior.
[005] Este dano ocorre no alojamento cilíndrico devido ao calor excessivo e aos efeitos erosivos dos produtos de combustão conforme eles deslocam através do orifício do sistema de tocha. No caso em que a parede do alojamento cilíndrico é rompida antes da descarga completa, a corrente de corte de alta pressão do combustível fundido (por exemplo, combustível fundido ou plasma, produtos de combustão) é significativamente diminuída e não tem energia suficiente para completar o corte, perfuração ou outros processos de saída de trabalho benéfico. Isto é, parte da corrente pressurizada sai pela fenda na parede do alojamento, o que pode diminuir a suficiência dos processos de corte e/ou perfuração.
[006] É necessário um novo sistema de tocha que possa proteger o alojamento cilíndrico da tocha dos efeitos adversos da ignição e reação da queima de combustível, e a subsequente produção de produtos de combustão (combustível fundido) durante a operação do sistema de tocha. Um novo sistema de tocha é necessário para melhorar significativamente o desempenho de corte e/ou perfuração do sistema de tocha.
[007] As características do seguinte sistema de tocha atendem a essas necessidades.
[008] Os inventores do presente pedido desenvolveram um material para proteger o alojamento cilíndrico dos efeitos adversos dos produtos de combustão (combustível fundido) durante a operação do sistema de tocha, melhorando assim significativamente o desempenho de corte e/ou perfuração do sistema de tocha. O material protege o alojamento cilíndrico do calor excessivo e dos efeitos erosivos dos produtos de combustão. O material, portanto, melhora a eficiência, a capacidade de corte e/ou perfuração e a integridade mecânica do sistema de tocha. Em alguns casos, o material pode ser de um tipo que se decompõe e se integra aos produtos de combustão. Esta integração nos produtos de combustão pode fornecer o mesmo produto de combustão, ou produzir um segundo produto de combustão ou uma camada adicional de combustão. Em outros casos, o material pode incluir um retardante que resfria a reação exotérmica dos produtos de combustão para fornecer um efeito de extinção, que pode proteger ainda mais do alojamento do calor excessivo e da erosão produzida pelos produtos de combustão. Além disso, o material pode ser dopado ou alterado com um material traçador, que não é consumido ou degradado pelos produtos de combustão e que serve como um indicador após o processo de corte e/ou perfuração, por exemplo, verificar a localização, a profundidade, a presença ou a ausência e/ou a qualidade do corte ou da perfuração.
[009] Em uma concretização, um sistema de tocha de fundo de poço compreende: um alojamento cilíndrico; uma carga de combustível localizada dentro do alojamento cilíndrico; e um material de proteção fornecido entre a carga de combustível e o alojamento cilíndrico.
[0010] Em uma concretização, o material de proteção é uma trama de malha apertada de fibra de carbono.
[0011] Em uma concretização alternativa, o material de proteção é formado de Kevlar, fibra de vidro, cerâmica, carbono (por exemplo, grafite), polímeros, epóxi ou combinações dos mesmos.
[0012] Em uma concretização, o material de proteção é uma camada contínua entre a carga de combustível e o alojamento cilíndrico.
[0013] Em uma concretização, o material de proteção pode ser fornecido em uma superfície externa ou uma camada externa da carga de combustível.
[0014] Em uma concretização alternativa, o material de proteção pode ser fornecido em uma superfície interna do alojamento cilíndrico.
[0015] Em uma concretização, a carga de combustível pode ser configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e o material de proteção pode compreender material que está configurado para se integrar à corrente de produtos de combustão após a inflamação da carga de combustível.
[0016] Em uma concretização, a carga de combustível pode ser configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e o material de proteção pode compreender um retardante que é configurado para extinguir a corrente de produtos de combustão adjacentes ao material de proteção.
[0017] Em uma concretização, a carga de combustível pode ser configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e o material de proteção pode compreender um material traçador que não é degradado pela corrente de produtos de combustão e é detectável após o corte e/ou perfuração pelo conjunto da tocha.
[0018] Outra concretização envolve um método de montagem de um sistema de tocha de fundo de poço. O sistema de tocha de fundo de poço compreende um alojamento cilíndrico, uma carga de combustível e um material de proteção. As etapas do método compreendem fornecer o material de proteção em pelo menos um dos alojamentos cilíndricos e carga de combustível e inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
[0019] Em uma concretização, as etapas do método podem incluir ainda fornecer o material de proteção em uma superfície externa ou camada externa de carga de combustível antes de inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
[0020] Em uma concretização alternativa, as etapas do método podem incluir ainda fornecer o material de proteção em uma superfície interna do alojamento cilíndrico antes de inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
[0021] Em uma concretização, o material de proteção pode ser uma trama de malha apertada de fibra de carbono.
[0022] Em uma concretização alternativa, o material de proteção é formado de Kevlar, fibra de vidro, cerâmicas, carbono, polímero, epóxi ou combinações dos mesmos.
[0023] Em uma concretização, as etapas do método podem continuar configurando a carga de combustível para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e o material de proteção pode compreender um material que pode ser configurado para integrar na corrente de produtos de combustão após a ignição da carga de combustível. Esta integração nos produtos de combustão pode fornecer o mesmo produto de combustão, ou produzir um segundo produto de combustão ou uma camada adicional de combustão da carga de combustível.
[0024] Em uma concretização, as etapas do método podem continuar configurando a carga do combustível para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e extingue a corrente de produtos de combustão adjacentes ao material de proteção com o material de proteção, compreendendo um retardante, que é configurado para extinguir a corrente de produtos de combustão adjacentes ao material de proteção.
[0025] Em uma concretização, as etapas do método podem continuar configurando a carga de combustível para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão, quando a carga de combustível é inflamada, e o material de proteção pode compreender um material traçador que não é degradado pela corrente de produtos de combustão e é detectável após o corte e/ou perfuração pelo conjunto da tocha.
[0026] A Figura 1 ilustra uma vista isométrica em corte de uma porção do sistema de tocha (10) da presente invenção.
[0027] A Figura 2 é uma vista em corte transversal do sistema de tocha (10) mostrada na Figura 1.
[0028] Antes de explicar concretizações selecionadas da presente invenção em detalhe, deve ser entendido que a presente invenção não está limitada às concretizações particulares descritas neste documento e que a presente invenção pode ser praticada ou realizada de várias maneiras.
[0029] A Figura 1 mostra uma porção de um sistema de tocha (10). O sistema de tocha (10) inclui um alojamento cilíndrico (1), uma carga de combustível (2) localizada dentro do alojamento cilíndrico (1) e um material de proteção (3) que pode ser fornecido entre a carga de combustível (2) e o alojamento cilíndrico (1). O material de proteção (3) pode ter a forma de uma luva que protege a superfície interna do alojamento cilíndrico (1) durante a ativação e queima da carga de combustível (2).
[0030] Em uma concretização, a carga de combustível (2) pode ser termite ou outro combustível propelente. No caso do combustível termite, a ignição do combustível termite cria uma reação altamente exotérmica que produz uma corrente abrasiva de produtos de combustão (por exemplo, combustível fundido ou plasma) que forma um corte e/ou perfuração preciso.
[0031] O combustível termite (2) inclui uma combinação ou uma mistura de um metal e um oxidante. Exemplos de tais metais podem incluir: alumínio, magnésio, cromo, níquel, prata e/ou outros metais. Uma vez ativado, o combustível termite pode queimar a uma temperatura que pode ultrapassar
3.000 graus Celsius. A reação ocorre durante um período de tempo longo o suficiente, de modo que o combustível fundido resultante pode ser direcionado através de um bocal sem causar que a superfície externa se deforme devido à pressão interna.
[0032] No que diz respeito ao combustível termite, quando o metal é combinado ou misturado com o oxidante, é criado um óxido de metal que pode formar, ou pelo menos formar parcialmente, um produto(s) de combustão. Oxidantes que podem ser usados para oxidar o metal podem incluir, por exemplo, óxido cúprico, óxido de ferro, óxido de alumínio,
óxido de amônio, perclorato de amônio e/ou outros oxidantes. O requerente incorpora a Patente U.S. No. 8,196,515, tendo o título de “Fonte de Energia não Explosiva para Ativar uma Ferramenta de Subsuperfície” inteiramente, por referência, neste documento. O ponto de ignição da termite pode variar, dependendo da composição específica da termite. Por exemplo, o metal e o oxidante podem ou não ser combinados antes da ignição, o que pode afetar o ponto de ignição. Com outro exemplo e em relação às misturas de termite, o ponto de ignição de uma mistura da termite de alumínio e óxido cúprico é aproximadamente 1.200 graus Fahrenheit, enquanto outras misturas ou combinações da termite podem ter um ponto de ignição tão baixo quanto 900 graus Fahrenheit.
[0033] Quando inflamado, a termite produz uma reação exotérmica. A taxa de reação da termite pode ocorrer na ordem de milissegundos, enquanto em contraste, uma reação de explosão tem uma taxa que ocorre na ordem de nanosegundos. Embora as reações explosivas possam criar ondas de choque explosivas prejudiciais dentro de um poço, o uso de uma carga de energia à base da termite (reação não explosiva ou deflagração) evita tais ondas de choque.
[0034] A combinação da termite pode incluir um polímero, que pode ser disposto em associação, ou como uma parte da combinação de termite. O polímero pode ser do tipo que produz um gás sensível à reação da termite, o que pode diminuir o tempo de reação da termite, de modo que o combustível fundido resultante (produtos de combustão) possa ser direcionado através de um bocal e para um alvo. Polímeros utilizáveis podem incluir, sem limitação, polietileno, polipropileno,
poliestireno, poliéster, poliuretano, acetal, nylon, policarbonato, vinil, acrilin, acrilonitrila butadieno estireno, poliamida, copolímero olefina cíclica, sulfureto de polifenileno, politetrafluoretileno, policetona, polieteretercetona, polieterimida, polietersulfona, imida poliamida, acrilonitrilo estireno, propionato de celulose, ftalato de dialilo, melamina formaldeído, outros polímeros semelhantes ou suas combinações.
[0035] Ambos os atributos (isto é, reação exotérmica e corrente produzida subsequente de produtos de combustão) podem atuar para degradar a parede do alojamento cilíndrico (1). Portanto, sem o material de proteção (3), e em certas combinações, a parede pode ser completamente rompida, resultando em produção reduzida e desempenho de corte e/ou perfuração comprometida.
[0036] O material de proteção (3) possui propriedades para resistir ao calor e a abrasão. Em uma concretização, o material de proteção (3) pode ser uma trama de malha apertada de fibra de carbono selecionada para combinar o diâmetro externo de um combustível de pelota e o diâmetro interno do alojamento cilíndrico (1). Em outras concretizações, o material de proteção (3) é formado de fibra de carbono, Kevlar, fibra de vidro, cerâmica, carbono, polímero, epóxi ou combinações destes materiais. Estes e outros materiais para a luva protetora podem ser selecionados com base em suas qualidades de resistência térmica e abrasiva. O material de proteção (3) pode ser aplicado como um envoltório, uma luva, um pulverizador, uma pintura, imersão ou outras técnicas de fabricação, complementares para a natureza do material selecionado. Em uma concretização, o material de proteção (3) pode ser aplicado ao diâmetro externo e ou uma camada externa da carga de combustível (2), antes de inserir o combustível no alojamento cilíndrico (1). Em outra concretização, o material de proteção (3) é aplicado ao diâmetro interno do alojamento cilíndrico (1), antes de inserir a carga de combustível (2) no alojamento cilíndrico (1).
[0037] Em uma concretização, o material de proteção (3) pode ser de um tipo que se integra aos produtos de combustão após a carga de combustível ser inflamada. Por exemplo, o material de proteção 3 pode se decompor em parte da corrente de produtos de combustão. A este respeito, material de proteção em decomposição pode fornecer o mesmo produto de combustão, um segundo produto de combustão, ou uma camada adicional de combustão para a carga de combustível (2). Os materiais que fariam com que o material de proteção (3) se integrasse aos produtos de combustão podem incluir grafite e/ou fibra de carbono. Em uma concretização, porque o material de proteção (3) não é um aditivo direto, por exemplo, um polímero adicionado para a termite, mas em vez disto entra ou se integra aos produtos de combustão conforme o material de proteção se decompõe, uma segunda camada de produtos de combustão pode ser produzida. Esta segunda camada de produtos de combustão, formada a partir da decomposição e integração do material de proteção, pode afetar a capacidade do combustível necessária para destruir, cortar, perfurar e/ou consumir o alvo.
[0038] Em outra concretização, o material de proteção (3) pode incluir um retardante que resfria a reação exotérmica dos produtos de combustão. O retardante pode fornecer um efeito de extinção que protege ainda mais o alojamento do cilíndrico (1) do calor excessivo e da erosão produzida pelos produtos de combustão. Isto é, o material retardante, adicionado ao material de proteção (3) ou formando uma parte do material de proteção (3), pode tornar a reação dos produtos de combustão mais endotérmica. Materiais para o retardante, formando pelo menos parte do material de proteção (3), podem incluir: sais de alumínio, fosfatos inorgânicos (por exemplo, sais refratários), material anti-sputter, inibidores de escória, sulfato de bário, óxido de zinco e bis-ortofosfato de trizinco e suas combinações.
[0039] Em uma concretização adicional, o material de proteção (3) pode ser dopado ou alterado com um material traçador que não é consumido ou degradado pelos produtos de combustão e que serve como um indicador após o processo de corte e/ou perfuração ser realizado. Isto é, o material traçador é detectável após corte e/ou perfuração pelo conjunto de tocha. Por exemplo, o material traçador sobrevive à reação exotérmica dos produtos de combustão para verificar a localização, a profundidade (corte inferior ou excessivo), a presença (se o processo realmente perfurou o alvo) e/ou a qualidade do corte ou da perfuração. O material traçador que forma pelo menos parte do material de proteção (3) pode incluir: matrizes de UV (ultravioleta), etiquetas físicas, tais como micro etiquetas, chips de polímero resistente, que podem incluir camadas que contém um material identificável por infravermelho em uma camada, materiais ferromagnéticos, tais como ferro, que são detectáveis com um imã, marcadores de isótopo radioativo, tal como iodo radioativo e suas combinações.
[0040] A espessura do material de proteção (3) pode ser baseada nas propriedades individuais da composição do material de proteção (3). Em uma concretização, a espessura do material de proteção (3) pode estar no intervalo de 0,0127cm a 0,0762cm (0,005 polegadas a 0,030 polegadas). A espessura do material de proteção (3) pode ser maior para sistema de tochas de maior diâmetro, e em circunstâncias em que uma maior duração de proteção é requerida devido a uma maior massa da carga de combustível (2). Em outras concretizações a espessura do material de proteção (3) pode ser de até 0,254 cm (0,100 polegadas) ou maior.
[0041] O material de proteção (3) possui propriedades para suportar a grande quantidade de calor produzido e os efeitos abrasivos da corrente do produto de combustão. Especificamente, o material de proteção (3) atua como uma blindagem para o alojamento cilíndrico (1) por: (a) aumentar a resistência térmica do alojamento cilíndrico (1) de uma fonte de combustível de combustão, resultando em uma saída mais eficiente e processo de corte e/ou perfuração; e (b) aumentar a resistência abrasiva do alojamento cilíndrico de uma corrente de alta temperatura, partículas abrasivas de alta velocidade, novamente resultando em uma saída mais eficiente do processo de corte. Estas vantagens oferecem um benefício adicional de permitir que o sistema de tocha (10) seja projetado com massa de combustível adicional que resulta em maior desempenho, quando comparado com um sistema de tocha que não tem o material de proteção (3).
[0042] Embora várias concretizações da presente invenção tenham sido descritas com ênfase, deve ser entendido que dentro do escopo das reivindicações em anexo, a presente invenção pode ser praticada de outras formas que não especificamente as descritas neste documento.
Claims (19)
1. Sistema de tocha de fundo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um alojamento cilíndrico; uma carga de combustível localizada dentro do alojamento cilíndrico; e um material de proteção fornecido entre a carga de combustível e o alojamento cilíndrico.
2. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é uma trama de malha apertada de fibra de carbono.
3. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é formado de Kevlar, fibra de vidro, cerâmica, grafite, polímero, epóxi ou combinações dos mesmos.
4. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é uma camada contínua entre a carga de combustível e o compartimento cilíndrico.
5. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é fornecido em uma superfície externa da carga de combustível.
6. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é fornecido em uma superfície interna do compartimento cilíndrico.
7. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carga de combustível é configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada e o material de proteção compreende material configurado para integrar a corrente de produtos de combustão após a ignição da carga de combustível.
8. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material de proteção integrado produz um segundo produto de combustão ou uma camada adicional de combustão para a carga de combustível.
9. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carga de combustível é configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada e o material de proteção compreende um retardante configurado para extinguir a corrente de produtos de combustão adjacente ao material de proteção.
10. Sistema de tocha de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carga de combustível é configurada para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada e o material de proteção compreende um material traçador que não é degradado pelo fluxo de produtos de combustão e é detectável após o corte e / ou perfuração pelo conjunto da tocha.
11. Método de montagem de um sistema de tocha de fundo de poço, compreendendo um compartimento cilíndrico, uma carga de combustível e um material de proteção, o método caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer o material de proteção em pelo menos um do alojamento cilíndrico e a carga de combustível; e inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda fornecer o material de proteção em uma superfície externa da carga de combustível antes de inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda fornecer o material de proteção em uma superfície interna do alojamento cilíndrico antes de inserir a carga de combustível no alojamento cilíndrico.
14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é uma trama de malha apertada de fibra de carbono.
15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o material de proteção é formado de Kevlar, fibra de vidro, cerâmica, grafite, polímero, epóxi ou combinações dos mesmos.
16. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda configurar a carga de combustível para criar uma reação exotérmica para produzir uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada, em que o material de proteção compreende material configurado para se integrar na corrente de produtos de combustão após o carga de combustível é inflamada.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a integração do material de proteção na corrente de produtos de combustão para fornecer um segundo produto de combustão ou uma camada adicional de combustão para a carga de combustível.
18. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda configurar a carga de combustível para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada e extinguir a corrente de produtos de combustão adjacente ao material de proteção com o material de proteção que compreende um retardante.
19. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda configurar a carga de combustível para criar uma reação exotérmica que produz uma corrente de produtos de combustão quando a carga de combustível é inflamada, em que o material de proteção compreende um material traçador que não é degradado pela corrente de produtos de combustão e são detectáveis após o corte e / ou perfuração pelo conjunto da tocha.
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