BRPI0714025A2 - método para ajustar autonomamente o fluxo de um fluido através de uma válvula ou dispositivo de controle de fluxo e válvula auto-ajustável (autÈnoma) ou dispositivo de controle de fluxo - Google Patents

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BRPI0714025A2
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Haavard Aakre
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Norsk Hydro As
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Abstract

MéTODO PARA AJUSTAR AUTONOMAMENTE O FLUXO DE UM FLUIDO ATRAVéS DE UMA VáLVULA OU DISPOSITIVO DE CONTROLE DE FLUXO E VALVULA AUTO-AJUSTáVEL (AUTÈNOMA) OU DISPOSITIVO DE CONTROLE DE FLUXO. Um processo para controle de vazão e uma válvula autónoma ou dispositivo controlador de vazão, particularmente útil em um tubo de produção para produzir óleo e/ou gás de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás, cujo tubo de produção inclui um tubo de drenagem inferior de preferência sendo dividido em pelo menos duas seções cada uma incluindo um o mais dispositivos de controle de afluxo que comunicam a formação de produção geológica com o espaço de fluxo do tubo de drenagem. O fluido flui através de uma entrada (10) e adicionalmente através de um trajeto de vazão do dispositivo de controle (2) passando por um disco móvel (9) ou dispositivo móvel que é construído para se deslocar em relação à abertura de entrada e desse modo reduzir ou aumentar a área de passagem direta (A3) explorando o efeito de Bemoulli e pressão de estagnação criada sobre o disco (9),com isto o dispositivo de controle, dependendo da composição do fluido e de suas propriedades, automaticamente ajusta o fluxo do fluido baseado sobre a configuração de fluxo pré-estimada.

Description

"MÉTODO PARA AJUSTAR AUTONOMAMENTE O FLUXO DE UM FLUIDO ATRAVÉS DE UMA VÁLVULA OU DISPOSITIVO DE CONTROLE DE FLUXO E VÁLVULA AUTO-AJUSTÁVEL (AUTÔNOMA) OU DISPOSITIVO DE CONTROLE DE FLUXO"
A presente invenção trata de um processo para auto-ajuste (regulagem autônoma) da vazão de um fluido através de uma válvula ou dispositivo controlador de vazão, e de uma válvula auto-ajustável ou dispositivo controlador de vazão, particularmente útil em um tubo de produção para produzir óleo e/ou gás de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás, cujo tubo de produção inclui um tubo de drenagem inferior de preferência sendo dividido em pelo menos duas seções, cada uma incluindo um ou mais dispositivos controladores de afluxo que comunicam a formação de produção geológica com o espaço de fluxo do tubo de drenagem.
Dispositivos para recuperação de óleo e gás proveniente de longos poços horizontais e verticais são conhecidos das publicações de patente US n°s. 4 821 801; 4 858 691; 4 577 691 e da publicação de patente GBnl2169018.
Estes dispositivos conhecidos compreendem um tubo de drenagem perfurado com, por exemplo, um filtro para controle de areia em torno do tubo. Uma desvantagem considerável com os dispositivos conhecidos para produção de óleo ou gás em formações geológicas altamente permissíveis é que a pressão no tubo de drenagem aumenta exponencialmente na direção a montante como um resultado da fricção de flux no tubo. Devido à pressão diferencial entre o reservatório e o tubo de drenagem decrescer a montante como resultado, a quantidade de óleo e/ou gás fluindo do reservatório para o interior do tubo de drenagem decresce correspondentemente. 0 óleo total e/ou gás produzido por este meio será por conseguinte baixa. Com zonas de óleo delgadas e formações lógicas altamente permeáveis, existe adicionalmente um alto risco de formação de cone de água, isto é, um fluxo de água ou gás indesejado para o interior do tubo de drenagem a jusante, onde a velocidade do fluxo de óleo do reservatório para o tubo é máxima. Da publicação World Oil, vol. 212, n° 11 (11/91), pp. 73-80, é previamente conhecido dividir-se um tubo de drenagem em seções com um ou mais dispositivos limitadores de afluxo tais como mangas corrediças ou dispositivos estranguladores. Todavia, esta referência trata principalmente do uso de controle de afluxo para limitar a taxa de afluxo para zonas de furo ascendentes e desse modo evitar ou reduzir a formação de cone de água e ou gás. O documento W0-A-9208875 descreve um tubo de produção
horizontal compreendendo uma pluralidade de seções de produção conectadas por câmaras misturadoras tendo um maior diâmetro interno que as seções de produção. As seções de produção compreendem um forro fendido externo que pode ser considerado como desempenhando uma ação filtrante. Todavia, a seqüência de seções de diferente diâmetro gera turbulência de fluxo e previne a operação de ferramentas de recondicionamento.
Ao extrair óleo e ou gás de formações de produção geológica, fluidos de diferentes qualidades, isto é, óleo, gás, água (e areia) são produzidos em diferentes quantidades e misturas dependendo da propriedade ou qualidade da formação. Nenhum dos dispositivos conhecidos acima mencionados é suscetível de distinguir entre e controlar o afluxo de óleo, gás ou água na base de suas composição e/ou qualidade relativa. Com a presente invenção é previsto um dispositivo de controle de afluxo que é auto- controlado ou autônomo e pode ser facilmente montado na parede de um tubo de produção e que, por conseguinte, assegura o uso de ferramentas de recondicionamento. O dispositivo é projetado para "distinguir" entre o óleo e a água e é suscetível de controlar o fluxo ou afluxo de óleo ou gás, dependendo de qual destes fluidos o dito controle de fluxo é requerido. O dispositivo é robusto, pode suportar grandes forças e altas temperaturas, previne depressões (pressão diferencial), não requer fonte de alimentação de energia, pode suportar produção de areia, é confiável, porém é ainda simples e muito econômico.
O processo de acordo com a invenção é caracterizado pelo fato do fluido fluir através de uma entrada ou abertura desse modo formando um trajeto de fluxo através do dispositivo de controle passando por um disco ou corpo móvel que é projetado para se deslocar livremente em relação à abertura da entrada e desse modo reduzir ou aumentar a área de travessia explorando o efeito Bernoulli e qualquer pressão de estagnação criada sobre o disco, com isto o dispositivo de controle, dependendo da composição do fluido e de suas propriedades, ajusta autonomamente o fluxo de fluido baseado sobre uma configuração de fluxo pré-estimada, conforme definida na parte caracterizadora de acordo com a reivindicação 1.
A válvula auto-reguladora ou dispositivo de controle da invenção é caracterizado pelo fato do dispositivo de controle constituir uma parte separada ou integral do conjunto de controle de fluxo, incluindo um disco ou corpo controlador livremente móvel sendo previsto em uma reentrância da parede do tubo ou sendo previsto em um corpo de alojamento separado na parede, o disco ou corpo controlador confrontando a saída de uma abertura ou orifício no centro da reentrância ou corpo do alojamento e sendo retido em posição na reentrância ou corpo do alojamento por intermédio de um dispositivo retentor, desse modo formando um trajeto de fluxo onde o fluido entra no dispositivo de controle através da abertura central ou entrada fluindo no sentido de e ao longo do disco ou corpo e para fora da reentrância ou alojamento, conforme definida na parte caracterizadora de acordo com a reivindicação independente 4.
As reivindicações subordinadas 2 - 3 e 5 - 8 definem modalidades preferenciais da invenção.
A presente invenção passa a ser descrita em maior detalhe a seguir por intermédio de exemplos e com referência aos desenhos, de acordo com os quais.
A fig. 1 mostra uma vista esquemática de um tubo de produção com um dispositivo controlador de acordo com a invenção;
A fig. 2 mostra em a) em uma escala ampliada, uma seção
transversal do dispositivo controlador de acordo com a invenção; mostrando em b) o mesmo dispositivo em uma vista superior;
A fig. 3 é um diagrama mostrando o volume de fluxo através de um dispositivo controlador de acordo com a invenção vs. a pressão diferencial em comparação com um dispositivo de afluxo fixo;
A fig. 4 mostra o dispositivo ilustrado na fig. 2, porém, com a indicação de diferentes zonas de pressão influenciando a construção do dispositivo para diferentes aplicações;
A fig. 5 mostra um desenho principal de outra modalidade do dispositivo controlador de acordo com a invenção;
A fig. 6 mostra um desenho principal de uma terceira modalidade do dispositivo controlador de acordo com a invenção;
A fig. 7 mostra um desenho principal de uma quarta modalidade do dispositivo controlador de acordo a invenção; A fig. 8 mostra um desenho principal de uma quinta
modalidade da invenção onde o dispositivo controlador constitui uma parte integrante de um dispositivo controlador de vazão.
A figura 1 mostra como declarado acima, uma seção de um tubo de produção 1 no qual um protótipo de um dispositivo controlador 2 de acordo com a invenção é previsto. O dispositivo controlador 2 de preferência tem uma forma circular relativamente plana e pode ser munido de filetes de rosca externos 3 (veja-se a figura 2) para ser aparafusado em um furo circular com correspondentes filetes de rosca internos no tubo. Controlando a espessura, o dispositivo 2 pode ser adaptado à espessura do tubo e se ajustar no interior de sua periferia externa e interna.
A figura 2 a) e b) mostra o dispositivo controlador 2 em escala ampliada. O dispositivo consiste de um primeiro corpo de alojamento em forma de disco 4 com um segmento cilíndrico externo 5 e segmento cilíndrico interno 6 e com um orifício central ou abertura 10, e um segundo corpo de alojamento em forma de disco 7 com um segmento cilíndrico externo 8, assim como de preferência um disco plano ou corpo livremente móvel 9 previsto em um espaço aberto 14 formado entre o primeiro 4 e segundo 7 corpos de alojamento em forma de disco. O corpo 9 pode para aplicações e ajustes específicos se afastar da forma plana e ter uma forma parcialmente cônica ou semicircular (por exemplo no sentido da abertura 10). Conforme pode ser visto pela figura, o segmento cilíndrico 8 do segundo corpo de alojamento 7 em forma de disco se ajusta no interior e sobressai na direção oposta do segmento cilíndrico externo 5 do primeiro corpo de alojamento em forma de disco 4 desse modo formando um trajeto de fluxo como indicado pelas setas 11, onde o fluido ingressa no dispositivo controlador através do orifício central ou abertura (entrada) IOe flui no sentido de e radialmente ao longo do disco 9 antes de fluir através da abertura circular 12 formada entre os segmentos cilíndricos 8 e 6 e adicionalmente para o exterior através da abertura anular 13 formada entre os segmentos cilíndricos 8 e 5. Os dois corpos de alojamento em forma de disco 4, 7 são mutuamente afixados por uma conexão roscada, soldagem ou outro recurso (não mostrado em maior detalhe nas figuras) em uma área de conexão 15 como mostrada na figura 2b).
A presente invenção explora o efeito de Bernoulli ensinando que a soma de pressão estática, pressão dinâmica e fricção são constantes ao longo da linha de fluxo: ^
Ao submeter o disco 9 a um fluxo de fluido, que é o caso com a presente invenção, a diferença de pressão sobre o disco pode ser expressa como segue:
Δρ íotet" I7W o» - Pftl (/ί«ΛΛ)1= \ Pv 2
Devido a menor viscosidade, um fluido tal como gás "dará a volta mais tarde" e prosseguirá ao longo do disco no sentido de sua extremidade externa (indicada pelo numerai de referência 14). Isto realiza uma pressão de estagnação mais alta na área 16 na extremidade do disco 9, que por sua vez realiza uma pressão mais alta sobre o disco. E o disco 9, que é livremente móvel no interior do espaço entre os corpos em forma de disco 4, 7, passará para baixo e desse modo estreita o trajeto de fluxo entre o disco 9 e o segmento cilíndrico interno. Assim, o disco 9 se desloca para baixo ou para cima dependendo da viscosidade do fluido de passagem, com isto este princípio pode ser usado para controlar (abrir/fechar) o fluxo de fluido através do dispositivo.
Outrossim, a queda de pressão através de um dispositivo de controle de afluxo tradicional (ICD) com geometria fixa será proporcional à pressão dinâmica:
2
onde a constante K é principalmente uma função da geometria e menos dependente do número de Reynolds. No dispositivo de controle de acordo com a presente invenção a área de fluxo decresce quando a pressão diferencial aumenta, de tal modo que o fluxo volumétrico através do dispositivo de controle não aumenta ou quase não aumenta quando a queda de pressão aumenta. Uma comparação entre um dispositivo de controle de acordo com a presente invenção com disco móvel e um dispositivo de controle com abertura de passagem fixa é mostrada na figura 3, e como pode ser visto pela figura, o volume de vazão para a presente invenção é constante acima de uma pressão diferencial dada.
Isto representa uma grande vantagem com a presente invenção, pois, pode ser usado para assegurar o mesmo fluxo volumétrico de passagem através de cada seção para o inteiro poço horizontal, o que não é possível com dispositivos de controle de afluência fixa.
Ao produzir óleo e gás o dispositivo de controle de acordo com a invenção pode ter duas aplicações diferentes. Na sua utilização como dispositivo de controle de afluxo para reduzir o afluxo de água, ou sua utilização para reduzir o afluxo de gás em situações de irrupção de gás. Ao projetar o dispositivo de controle de acordo com a invenção para a aplicação diferente tal como água ou gás, como mencionado acima, as diferentes áreas e zonas de pressão, como mostrado na fig. 4, terão impacto sobre as propriedades de eficiência e de travessia do dispositivo. Reportando-se à fig.4, as diferentes áreas/zonas de pressão podem ser divididas em:
- Ai, Pi é a linha e pressão de produtividade respectivamente. A força (Prl) gerada por esta pressão buscará abrir o dispositivo de controle (mover o disco para cima);
- A2, P2 é a área e pressão na zona onde a velocidade será
máxima e assim representa uma fonte de pressão dinâmica. A força resultante da pressão dinâmica buscará fechar o dispositivo de controle (mover o disco para baixo quando a velocidade de fluxo aumenta).
- A3, P3 é a área e pressão na saída. Esta deve ser a mesma que a pressão de poço (pressão de alimentação).
- A4, P4 é a área e pressão (pressão de estagnação) por trás do disco. A pressão de estagnação na posição 16 (fig. 2) cria a pressão e a força por trás do disco. Esta buscará fechar o dispositivo de controle (mover o disco para baixo).
Fluidos com diferentes viscosidades apresentarão diferentes
forças em cada zona dependendo da construção destas zonas, de maneira a otimizar a eficiência e propriedades de travessia do dispositivo de controle, a construção das áreas será diferente para diferentes aplicações, e.g., fluxo de gás/óleo ou de óleo/água. Assim, para cada aplicação as áreas necessitam ser cuidadosamente equilibradas e idealmente projetadas levando em conta as propriedades e condições físicas (viscosidade, temperatura, pressão, etc.) para cada situação projetada.
A fig 5 mostra um desenho principal de outra modalidade do dispositivo de controle de acordo com a invenção, que constitui uma construção mais simples que a da versão mostrada na figura 2. O dispositivo de controle 2 consiste, como ocorre com a versão mostrada na figura 2, de um primeiro corpo de alojamento em forma de disco 4 com um segmento cilíndrico externo 5 com um orifício ou abertura central 10, e um segundo corpo de alojamento em forma de disco 17 afixado ao segmento 5 do corpo de alojamento 4, assim como um disco de preferência plano 9 previsto em um espaço aberto 14 formado entre o primeiro e segundo corpos de alojamento em forma de disco e retentor 4, 17. Todavia, uma vez que o segundo corpo de alojamento em forma de disco 17 se abre para dentro (através de um ou mais orifícios 23 etc.) e está agora somente retendo o disco em posição, e uma vez que o segmento cilíndrico 5 é mais curto com um trajeto de fluxo diferente daquele que é mostrado na figura 2, inexiste acúmulo de pressão de estagnação (P4) sobre o lado traseiro do disco 9 conforme explanado acima em conjunção com a fig. 4. Com esta solução sem pressão de estagnação a espessura de construção para o dispositivo é menor e pode suportar uma maior quantidade de partículas contidas no fluido.
A fig. 6 mostra uma terceira modalidade de acordo com a invenção, onde a construção é a mesma como com o exemplo mostrado na fig 2, porém onde um elemento elástico 18, na forma de uma mola em espiral ou outro dispositivo de mola apropriado é previsto sobre um ou outro lado disco e conecta o disco com o alojamento (7, 22), reentrância (21) ou alojamento (4). O elemento elástico 18 é usado para balancear e controlar a área de afluxo entre o disco 9 e a entrada 10, ou mais exatamente a borda circundante ou sede 19 da entrada 10. Assim, dependendo da constante elástica e desse modo da força da mola, a abertura entre o disco 9 e a borda 19 será maior ou menor, e com uma constante elástica selecionada apropriada, dependendo do afluxo e condições de pressão no sítio selecionado onde o dispositivo de controle é fornecido, fluxo de massa constante através do dispositivo pode ser obtido.
A figura 7 mostra uma quarta modalidade da invenção, onde a
construção é a mesma como aquela do exemplo na fig. 6 acima, porém onde o disco 9, sobre o lado voltado para a abertura de entrada 10, é munido de um dispositivo termicamente responsivo tal como o elemento bimetálico 20. Ao produzir óleo e/ou gás as condições podem rapidamente se alterar de uma situação onde somente ou essencialmente gás é produzido (irrupção de gás ou formação de cone de gás). Com por exemplo uma queda de pressão de 16 bares a partir de 100 bares a queda de temperatura corresponderia aproximadamente a 20°C. Munindo o disco 9 de um elemento termicamente sensível tal como um elemento bimetálico como mostrado na fíg. 7, o disco se flexiona para cima ou é deslocado para cima pelo elemento 20 confinando o corpo em forma de alojamento 7 e desse modo estreitando a abertura entre o disco e a entrada 40 ou fechando por completo a dita entrada.
Os exemplos acima de um dispositivo de controle de acordo com a invenção conforme mostrado nas figs. 1 e 2 e 4 -7 são todos relacionados com as soluções onde o dispositivo de controle como tal constitui uma unidade ou dispositivo separado a ser previsto em conjunção com uma situação de fluxo de fluido tal como a parede de um tubo de produção em relação com a produção de óleo e gás. Todavia, o dispositivo de controle pode, como mostrado na fig. 8, constituir uma parte integrante do conjunto de fluxo de fluido, pelo qual o disco 9 pode ser previsto em uma reentrância 21 voltada para a saída de uma abertura ou orifício 10, por exemplo, da parede de um tubo 1 conforme mostrado na fig. 1 em vez de ser previsto em um corpo de alojamento separado 4. Outrossim, o disco pode ser mantido em posição na reentrância por intermédio de um dispositivo retentor tais como grampos voltados para dentro, um anel circular 22 ou semelhante sendo conectado com a abertura externa da reentrância por intermédio de parafusos, soldadura ou semelhante.
A presente invenção conforme definida nas reivindicações não está limitada à aplicação relacionada com o afluxo de óleo e/ou gás proveniente de um poço conforme descrito acima ou ao injetar gás (gás natural, ar ou CO2), vapor ou água no interior de um poço produtor de óleo e/ou gás. Assim, a invenção pode ser usada em quaisquer processos ou aplicação relacionada com processo onde o fluxo de fluidos com diferentes composições de gás e/ou liquido necessita ser controlada.

Claims (8)

1. Método para ajustar autonomamente o fluxo de um fluido através de uma válvula ou dispositivo de controle de fluxo (2), particularmente útil para controlar o fluxo de fluido, isto é, óleo e/ou gás inclusive qualquer água, proveniente de um reservatório e para o interior de um tubo de produção de um poço em um reservatório de óleo e/ou gás, cujo tubo de produção inclui um tubo de drenagem inferior de preferência sendo dividido em pelo menos duas seções (1) cada uma incluindo um ou mais dispositivos de controle de afluxo (2) que comunicam a formação de produção geológica com espaço de fluxo do tubo de drenagem, caracterizado pelo fato de que o fluido flui através de uma entrada ou abertura (10) desse modo formando um trajeto de fluxo (11) através do dispositivo de controle (2) passando por um disco ou corpo móvel (9) que é construído para passar livremente relação à abertura da entrada e desse modo reduzir ou aumentar o fluxo através da área (A2) explorando o efeito Bernoulli e qualquer pressão de estagnação criada sobre o disco (9), razão pela qual o dispositivo de controle, dependendo da composição do fluido e de suas propriedades, autonomamente ajusta o fluxo do fluido baseado sobre uma configuração de fluxo pré- estimada.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido é composto de um ou mais gases e/ou de um ou mais líquidos.
3. Método de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o fluido é água e óleo, e gás natural ou produzido e/ou CO2.
4. Válvula auto ajustável (autônoma) ou dispositivo de controle de fluxo (2) para controlar o fluxo de um fluido proveniente de um espaço ou área para outro, particularmente útil para controlar o fluxo de fluido, isto é, óleo e/ou gás inclusive qualquer água, proveniente de um reservatório e para o interior de um tubo de produção de um poço no reservatório de óleo e/ou gás, cujo tubo de produção inclui um tubo de drenagem inferior de preferência sendo dividido em pelo menos duas seções (1) cada uma incluindo um ou mais dispositivos de controle de afluxo (2) que comunica a formação de produção geológica com o espaço de fluxo do tubo de drenagem, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de controle constitui uma parte separada ou integrada do conjunto de controle de fluxo, incluindo um disco ou corpo controlador livremente móvel (9) sendo previsto em uma reentrância (21) da parede do tubo (1) ou sendo previsto em um corpo de alojamento separado (4) na parede, o disco ou corpo controlador (9) confrontando a saída de uma abertura ou orifício (10) no centro da reentrância (21) o corpo de alojamento (4) e sendo retido em posição na reentrância (21) do corpo de alojamento (4) por intermédio de um dispositivo ou mecanismo (7, 22), desse modo formando um trajeto de fluxo (11) no qual o fluido ingressa no dispositivo de controle através da abertura central ou entrada (10) fluindo no sentido de e ao longo do disco ou corpo (9) e para o exterior da reentrância ou alojamento.
5. Válvula auto-ajustável ou dispositivo de controle de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de controle consiste de primeiro corpo em forma de disco (4) com um segmento cilíndrico externo (5) e segmento cilíndrico interno (6) e com a abertura central (10) e um segundo corpo em forma de disco (7) com um segmento cilíndrico externo (8) assim como um disco basicamente plano 9) previsto entre os primeiro (4) e segundo corpos em forma de disco, pelo que o segmento cilíndrico (8) do segundo corpo em forma de disco (7) se ajusta no interior de e sobressai na direção oposta do segmento cilíndrico externo (5) do primeiro corpo em forma de disco (4), desse modo formando o trajeto de fluxo (11) onde o fluido ingressa no dispositivo de controle através da abertura central ou entrada (10) fluindo no sentido de e ao longo do disco (9) antes de passar através de uma abertura anular (12) formada entre os segmentos cilíndricos (8 e 6) e adicionalmente para o exterior através da abertura anular (13) formada entre os segmentos cilíndricos (8 e 5).
6. Válvula auto-ajustável ou dispositivo de controle de acordo com as reivindicações 4 e 5, caracterizada pelo fato de que uma mola (15) é prevista entre um e outro lado do disco (9) e conectar o disco com o alojamento (7, 22), reentrância (21) ou alojamento (4).
7. Válvula auto-ajustável ou dispositivo de controle de acordo com a reivindicação 4 e 5, caracterizada pelo fato de que o disco sobre o lado que confronta a abertura (10) é munido de um dispositivo termicamente sensível (20).
8. Válvula auto-ajustável ou dispositivo de controle de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dispositivo termicamente sensível (20) é um elemento bimetálico.
BRPI0714025-8A 2006-07-07 2007-06-13 Method for automatically adjusting the flow of a fluid through a valve or flow control device and self adjustable valve (automatic) or flow control device BRPI0714025B1 (pt)

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NO20063181 2006-07-07
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