BRPI0817249B1

BRPI0817249B1 - Montagem restringidora, montagem de gaiola para uso em uma montagem restringidora emétodo para controlar o fluxo de um fluido

Info

Publication number: BRPI0817249B1
Application number: BRPI0817249A
Authority: BR
Inventors: Hans Paul Hopper; Derek Meek
Original assignee: Cameron Technologies Limited
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2018-10-23
Also published as: NO20100362L; EP2386717B1; EP2386717A1; SG10201705965XA; US20100288389A1; EP2385212B1; EP2385212A1; DK2386717T3; EP2386716B1; WO2009040518A1; SG176478A1; EP2042685A1; EP2386716A1; US10450831B2; DK2385212T3; EP2042685B1; SG196845A1; BRPI0817249A2

Description

(54) Título: MONTAGEM RESTRINGIDORA, MONTAGEM DE GAIOLA PARA USO EM UMA MONTAGEM RESTRINGIDORA E MÉTODO PARA CONTROLAR O FLUXO DE UM FLUIDO (51) lnt.CI.: E21B 34/02; F16K 47/04 (30) Prioridade Unionista: 26/09/2007 EP 07253805.1 (73) Titular(es): CAMERON TECHNOLOGIES LIMITED (72) Inventor(es): HANS PAUL HOPPER; DEREK MEEK (85) Data do Início da Fase Nacional: 26/03/2010

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MONTAGEM RESTRINGIDORA, MONTAGEM DE GAIOLA PARA USO EM UMA MONTAGEM RESTRINGIDORA E MÉTODO PARA CONTROLAR O FLUXO DE UM FLUDO

Antecedentes [001] A presente invenção refere-se a uma montagem restringidora, em particular a uma montagem restringidora tendo um arranjo do tipo tampão e gaiola, e ao uso da montagem restringidora no processamento de fluxos de fluido. A presente invenção refere-se adicionalmente a uma montagem de cabeça de poço compreendendo a montagem restringidora, em particular uma montagem de cabeça de poço submarino. A presente invenção fornece adicionalmente um método para operar uma montagem restringidora e para controlar a pressão de um fluxo de fluido.

[002] Montagens restringidoras são bem conhecidas e amplamente usadas em uma extensiva faixa de aplicações de processamento de fluido. Uma aplicação particular de montagens restringidoras é no processamento de fluxos de fluido produzidos a partir de poços subterrâneos de petróleo e gás, em particular em instalações associadas com a cabeça de poço. A principal função de uma montagem restringidora é controlar a pressão e taxa de fluxo do fluido atravessando a montagem. Isto é alcançado, em geral, ao prover a montagem restringidora com uma passagem de fluxo de fluido tendo uma resistência variável para diminuir fluxo ou pressão para fluido escoando ao longo da passagem de fluxo de fluido. Ao mudar esta resistência para diminuir fluxo ou pressão, a taxa de fluxo e a pressão do fluxo de fluido podem ser controladas, por exemplo, para regular uma flutuação ou mudança de pressão de fluido ou para adaptar a pressão do fluxo de fluido para satisfazer as exigências de processamento a jusante.

[003] Uma montagem restringidora comum compreende um assim chamado de arranjo de 'tampão e da gaiola'. Esta montagem

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2/38 tem uma gaiola, tipicamente de forma cilíndrica, compreendendo uma pluralidade de furos ou aberturas através dela para a passagem de fluido. Um tampão, de novo de uma maneira geral de forma cilíndrica, é fornecido a fim de ser móvel com relação à gaiola, o tampão sendo disposto para ser móvel para cobrir ou fechar as aberturas na gaiola. 0 tampão pode ser deslocado com relação à gaiola entre uma posição fechada, na qual todas as aberturas na gaiola estão cobertas, impedindo assim que fluido flua através da montagem restringidora, e uma posição inteiramente aberta, na qual todas as aberturas na gaiola estão abertas e disponíveis para fluxo de fluido. Deslocar o tampão com relação à gaiola da posição fechada para a inteiramente aberta descobre progressivamente as aberturas na gaiola, aumentando assim a área de seção transversal disponível para fluxo de fluido. Deste modo, a taxa de fluxo e a pressão do fluido podem ser variadas e controladas. Na posição fechada, a parte de vedação de extremidade do tampão contacta uma sede formada na montagem restringidora, a fim de fornecer uma vedação estanque a fluido, impedindo a passagem de fluido para além do tampão e gaiola. 0 tampão pode ser arranjado coaxialmente dentro da gaiola ou coaxialmente no exterior da gaiola, conhecido na técnica como uma luva externa.

[004] A US 2007/0095411 descreve um restringidor de poço de fechamento rápido. O restringidor, descrito como sendo convencional, tem uma luva externa de gaiola e uma luva interna de gaiola, ambas compreendendo elementos cilíndricos arranjados coaxialmente. Aberturas se estendem radialmente através das luvas interna e externa. Um tampão cilíndrico é móvel dentro da luva interna. As figuras da US 2007/0095411 mostram o restringidor somente em seção transversal e duas fileiras de aberturas são visíveis nas vistas de seção transversal. Entretanto, nenhum detalhe está mostrado ou descrito a respeito da distribuição das aberturas em volta das luvas de gaiola.

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3/38 [005] Restringidores convencionais de uma maneira geral têm uma pluralidade de aberturas através da gaiola, as aberturas sendo de uma variedade de diâmetros e arranjadas em um padrão escalonado em volta e ao longo da gaiola. Exemplos adicionais de restringidores convencionais são os restringidores de controle comercialmente disponíveis da Cameron Flow Control, Cameron International Corporation, Texas, Estados Unidos da América.

[006] Será percebido que a eficiência da montagem restringidora no controle da taxa de fluxo e pressão de fluido é dependente da integridade da vedação entre o tampão e a gaiola e a vedação entre a extremidade do tampão e a sede na posição fechada. Existe um problema particular com o projeto convencional mencionado anteriormente de montagem restringidora de gaiola e tampão, em que os fluxos de fluido através das aberturas além da extremidade do tampão desgastam as superfícies tanto do tampão quanto da gaiola. Em particular, o fluxo de fluido age para desgastar e cortar na parte de vedação de extremidade do tampão. Erosão da parte de vedação de extremidade do tampão reduz a efetividade do tampão em vedar as aberturas na gaiola, reduzindo, por sua vez, a eficácia do restringidor no controle de fluxo e pressão de fluido. Além do mais, a erosão da parte de vedação de extremidade do tampão reduz a eficiência da vedação entre a parte de extremidade e a sede do tampão quando na posição fechada. Isto, por sua vez resulta na montagem restringidora permitindo que fluido continue fluindo quando na posição fechada. Em um caso de erosão de longo prazo e persistente, a montagem restringidora pode ser tornada totalmente inoperante em impedir ou controlar a taxa de fluxo e a pressão do fluxo de fluido.

[007] Será percebido adicionalmente que a taxa e extensão de erosão dependerá da taxa de fluxo e composição do fluxo de fluido sendo manuseado. Fluxos de fluido contendo

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4/38 quantidades significativas de sólidos arrastados darão origem a uma taxa de erosão muito alta tanto do tampão quanto da gaiola, reduzindo muito rapidamente a eficiência de operação da montagem restringidora.

[008] Uma montagem restringidora na qual erosão significativa tenha acontecido exigirá reparação e/ou substituição. Isto preferivelmente é evitado em qualquer instalação de processamento de fluido. Entretanto, a reparação de montagens restringidoras é um problema particular no caso de instalações de processamento em localizações remotas ou difíceis de alcançar. Este problema é particularmente agudo no caso de montagens restringidoras instaladas em instalações de cabeça de poço submarino.

[009] A produção de fluxos de fluido a partir de um poço subterrâneo é controlada por pelo menos uma montagem restringidora, de uma maneira geral por uma pluralidade de montagens restringidoras montadas na instalação de cabeça de poço. A substituição de uma montagem restringidora em uma instalação de cabeça de poço pode ser particularmente difícil se a montagem restringidora for exigida a fim de manter a integridade do poço. Este problema é exacerbado no caso de instalações de cabeça de poço montadas em poços submarinos, onde a instalação de cabeça de poço fica localizada no fundo do mar. As grandes profundidades nas quais as instalações de cabeça de poço são posicionadas tornam o acesso para reparação e manutenção muito difícil. Isto é um problema particular com montagens restringidoras submarinas, já que os fluxos de fluido produzidos a partir de poços subterrâneos de uma maneira geral compreendem quantidades substanciais de sólidos da formação arrastados, tais como areia e cascalho, juntamente com fragmentos que podem ser gerados como resultado da perfuração e outras operações de fundo de poço.

[0010] Portanto, percebe-se que existe uma necessidade

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5/38 de montagens restringidoras, em particular aquelas para serem instaladas em localizações submarinas, que tenham uma alta resistência a erosão por fluido.

[0011] Uma abordagem feita na técnica para reduzir a erosão de montagens de tampão e gaiola em restringidores é formar os componentes expostos ao fluxo de fluido de materiais resistentes à erosão, por exemplo, tungstênio. Exemplos de restringidores incorporando tal tecnologia são conhecidos na técnica e são comercialmente disponíveis, por exemplo, pela Cameron Willis. Além de materiais resistentes à erosão, os restringidores empregam um projeto composto de múltiplos estágios, no qual é usada uma pluralidade de gaiolas ou luvas arranjadas coaxialmente, as luvas tendo furos que são alinhados especificamente a fim de forçar jatos de fluido individuais a mudar de direção repetidamente. Deste modo, é alegado que a alta energia, velocidade e turbulência do fluxo de fluido são dissipadas e controladas dentro dos limites do equipamento, evitando danos de erosão aos contornos contendo pressão da montagem restringidora.

[0012] Para aplicações envolvendo fluidos com sólidos arrastados significativos, é prática comum na técnica formar vários componentes da montagem restringidora de materiais tendo uma alta resistência à erosão, em particular aqueles componentes nos quais o fluxo de fluido é provável de colidir durante operação. Assim, os restringidores comercialmente disponíveis mencionados anteriormente têm componentes críticos formados de carboneto de tungstênio. Este material é caro e particularmente difícil de usinar e transformar em componentes complicados, tal como pode ser exigido para uma montagem restringidora.

[0013] Tungstênio, frequentemente empregado para fornecer resistência à erosão para os componentes de restringidor, é muito quebradiço. Como resultado, componentes

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6/38 de tungstênio, tais como a gaiola e similares, podem rachar se impactados por uma grande partícula sólida, tal como pode ser produzido por um poço subterrâneo durante uma variedade de operações. Se existir uma probabilidade de tal dano aparecer, a gaiola de tungstênio pode ser circundada por um material mais macio, tal como aço inoxidável, para impedir que partículas colidam diretamente sobre os componentes de tungstênio.

[0014] Além do mais, os restringidores compreendem uma ponta de tampão sacrificatória disposta na extremidade do tampão. A ponta de tampão é impactada pelo fluxo de fluido durante operação normal, em vez de outros componentes críticos, tais como as superfícies de vedação do tampão. Em uso, a ponta de tampão sacrificatória é desgastada pelo fluxo de fluido agressivo, no lugar dos componentes de vedação mais sensíveis. Embora a provisão de um recurso como este possa prolongar a vida útil do restringidor, erosão apesar disso ocorrerá, resultando na eventual falha do restringidor, exigindo que ele seja substituído e/ou reparado.

[0015] Finalmente, os restringidores são providos com uma assim chamada de 'faixa inativa', permitindo que a haste da montagem restringidora se desloque entre 5% e 10% antes de qualquer fluxo significativo poder atravessar o restringidor. Este arranjo é pretendido para deslocar a face de assentamento do tampão, que é a superfície de extremidade do tampão que em uso define um limite da passagem de fluxo através do restringidor e veda o tampão junto à sede, longe do caminho de fluxo principal, de tal maneira que o fluido é direcionado para as áreas sacrificatórias especialmente projetadas da montagem restringidora, tal como a ponta. De novo, este arranjo ainda exige componentes críticos para ficarem diretamente no caminho de fluxo de fluido através do restringidor, aliviando por sua vez a erosão dos componentes de restringidor e eventual falha.

[0016] Desta maneira, existe uma necessidade de um

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7/38 projeto de restringidor aperfeiçoado que reduza o efeito erosivo de fluxos de fluido nos componentes críticos da montagem restringidora, em particular o tampão e a gaiola, se o tampão estiver dentro ou fora da gaiola.

Sumário [0017] De acordo com a presente invenção, é fornecida uma montagem restringidora compreendendo:

um elemento restringidor tendo uma passagem de fluxo de fluido através dele, o elemento restringidor compreendendo:

uma gaiola tendo uma pluralidade de aberturas através dela para a passagem de fluido; e um tampão móvel com relação à gaiola, o tampão tendo uma superfície de extremidade que em uso define um limite da passagem de fluxo de fluido através do restringidor e sendo móvel para abrir ou fechar cada uma das aberturas através da

gaiola, para assim controlar o fluxo	de fluido através	da
gaiola;
em que as aberturas na gaiola	são dispostas em	uma
primeira e em uma segunda parte da	gaiola, cada uma	das
primeira e segunda partes tendo pelo	menos uma abertura	na

mesma, as primeira e segunda partes sendo separadas por uma região;

pelo que o tampão pode ser posicionado com sua superfície de extremidade disposta para cruzar a região entre as primeira e segunda partes, de tal maneira que cada abertura fica inteiramente aberta ou inteiramente fechada para o fluxo de fluido.

[0018] Na montagem restringidora da presente invenção, a gaiola é provida com uma pluralidade de aberturas se estendendo através dela, as quais podem ser abertas ou fechadas seletivamente pelo posicionamento apropriado do tampão, permitindo assim que o fluxo de fluido através do restringidor seja controlado. As aberturas são arranjadas em duas ou mais

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8/38 partes da gaiola, cada parte sendo separada da sua parte adjacente por uma região, que é uma parte da gaiola sem aberturas que permitem fluxo de fluido. 0 tampão pode ser posicionado de tal maneira que sua face de extremidade cruze a região entre partes adjacentes da gaiola com aberturas. Deste modo, cada abertura fica inteiramente aberta para o fluxo de fluido ou inteiramente fechada. Ao ter a face de extremidade do tampão posicionada em uma região entre as aberturas, o fluxo de fluido não é induzido a colidir sobre a face de extremidade do tampão ou cortar através dela. Isto, por sua vez, reduz ou elimina significativamente a erosão do tampão, em particular das superfícies de vedação do tampão, pelo fluxo de fluido. Este melhoramento é particularmente significativo quando a montagem restringidora está manuseando fluxos de fluido com quantidades significativas de sólidos arrastados.

[0019] A montagem restringidora pode ter a gaiola disposta dentro do tampão. Em uma modalidade preferida, o tampão é disposto coaxialmente dentro da gaiola. Este arranjo preferido é particularmente vantajoso em reduzir a erosão das superfícies de vedação do tampão quando manuseando fluxos de fluido contendo sólido.

[0020] O tampão e gaiola são móveis longitudinalmente um em relação ao outro. Mais preferivelmente, a gaiola é fixada e o tampão é móvel em relação à gaiola, para cobrir ou descobrir seletivamente uma ou mais aberturas, tal como exigido para controlar o fluxo de fluido através da montagem restringidora.

[0021] O tampão e a gaiola podem ser deslocados um em relação ao outro por meio de qualquer atuador adequado. Atuadores adequados para montagens restringidoras de tampão e gaiola são bem conhecidos na técnica e são comercialmente disponíveis.

[0022] O tampão é móvel com relação à gaiola, de tal maneira que cada abertura na gaiola possa ser aberta, a qual

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9/38 fica parcialmente ou completamente descoberta pelo tampão, ou fechada, a qual fica coberta pelo tampão. 0 tampão tem uma superfície de extremidade que se estende através da gaiola. Quando o tampão está em uma posição com relação à gaiola em que uma ou mais aberturas estão abertas, a superfície de extremidade do tampão fornece um limite para um caminho de fluxo de fluido se estendendo da entrada da montagem restringidora, através das aberturas descobertas na gaiola para a saída da montagem restringidora. A superfície de extremidade pode agir para vedar o restringidor ao contactar uma sede na montagem restringidora, quando o restringidor está no modo fechado, com o tampão cobrindo todas as aberturas na gaiola e impedindo fluxo de fluido através do restringidor. A superfície de extremidade do tampão pode ser de qualquer forma ou preferido que a superfície de preferivelmente se estendendo perpendicular à parede ou às paredes da gaiola e à parede ou às paredes laterais do tampão. 0 tampão pode ser formado com um rebaixo se estendendo entre a superfície de extremidade e a parede lateral do tampão.

[0023] É muito mais preferível que o tampão seja circular em seção transversal, para cooperar com uma gaiola de seção transversal circular similar, tal como é bem conhecido na técnica.

configuração adequada. É extremidade seja plana, [0024] Tal como observado, as aberturas são arranjadas em partes distintas da gaiola, separadas por uma região que é uma parte da gaiola na qual nenhuma abertura que permite o fluxo de fluido está presente. As aberturas podem ser arranjadas em qualquer padrão adequado com cada parte. Em uma modalidade preferida, as aberturas são arranjadas em fileiras se estendendo circunferencialmente em volta da gaiola, com cada fileira compreendendo uma ou mais aberturas. Mais preferivelmente, cada fileira compreende duas ou mais

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10/38 aberturas.

[0025] As aberturas podem ser de qualquer forma adequada. Por exemplo, as aberturas podem ser aberturas circulares se estendendo através da gaiola. Preferivelmente, as aberturas têm lados retos dispostos paralelos à superfície de extremidade do tampão. Aberturas particularmente preferidas são retangulares, com os lados da abertura retangular dispostos paralelos e ortogonais à superfície de extremidade do tampão. Deste modo, a borda da superfície de extremidade do tampão fica alinhada com os lados da abertura. Isto assegura que, à medida que a superfície de extremidade do tampão passa sobre uma abertura, o tamanho da abertura disponível para o fluxo de fluido é prontamente determinado e controlado pela posição do tampão. Além do mais, o uso de aberturas retangulares reduz a taxa na qual a superfície de extremidade do tampão é desgastada pelo fluido escoando através da abertura quando inteiramente ou parcialmente aberta.

[0026] Tal como observado, as aberturas são distribuídas entre pelo menos duas partes da gaiola, com as duas partes separadas por uma parte da gaiola sem aberturas através dela, referida neste documento como uma 'região'. Cada parte compreende pelo menos uma abertura. As partes da gaiola com aberturas através dela são arranjadas de tal maneira que o tampão pode ser posicionado em relação à gaiola, de tal maneira que cada abertura fica inteiramente aberta ou inteiramente fechada. Em particular, o tampão é posicionado de tal maneira que a borda da superfície de extremidade do tampão se estende sobre a região da gaiola. Deste modo, o fluido escoando através das aberturas descobertas não é induzido a fluir ou cortar através da borda da superfície de extremidade do tampão. Isto, por sua vez, reduz ou elimina a tendência do fluxo de fluido de desgastar a borda da superfície de extremidade do tampão e desgastar o corpo do tampão propriamente dito.

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11/38 [0027] A presença da região entre partes adjacentes da gaiola com aberturas através delas provê a gaiola com uma área de anel mecânico cheia, a qual é uma área se estendendo circunferencialmente em volta da gaiola na qual é possível arrastar linhas contínuas ao lado de uma ou mais aberturas. Isto por sua vez provê a gaiola com resistência adicional na região de uma gaiola convencional que é muito vulnerável a danos. Em particular, isto provê a gaiola com uma resistência aumentada para não ser danificada, fraturada em particular, pelo impacto de materiais sólidos arrastados na superfície da gaiola. É comum gaiolas de projeto convencional serem rachadas e quebradas pelo impacto de grandes partículas sólidas arrastadas no fluxo de fluido. Tipicamente, uma gaiola como esta falhará pela propagação de rachaduras em volta da circunferência de gaiola se estendendo entre as aberturas. Este efeito é reduzido e a resistência da gaiola é aumentada pela provisão na gaiola do restringidor da presente invenção das regiões sem aberturas sólidas entre partes adjacentes com aberturas através delas.

[0028] Em um arranjo preferido, a região entre partes adjacentes da gaiola com aberturas através delas é suficientemente grande em que a superfície de extremidade do tampão pode ficar localizada a uma distância das aberturas inteiramente descobertas adjacentes, a fim de reduzir o impacto de fluido escoando através das aberturas descobertas adjacentes no corpo do tampão.

[0029] A gaiola pode ter duas partes com aberturas através delas, separadas por uma região tal como descrito anteriormente. Alternativamente, a gaiola pode compreender três ou mais partes com aberturas através delas, com algumas, ou muito mais preferível todas, das partes adjacentes sendo separadas por uma região.

[0030] As aberturas podem ser arranjadas em qualquer

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12/38 padrão desejado ou adequado dentro da sua respectiva parte da gaiola. Em um arranjo preferido, a abertura ou aberturas de uma parte são deslocadas da abertura ou aberturas na parte adjacente, para fornecer um padrão escalonado das aberturas na direção longitudinal. Este padrão deslocado ou escalonado aumenta adicionalmente a resistência da gaiola, aumentando resistência ao impacto de grandes partículas sólidas arrastadas com o fluxo de fluido quando em uso.

[0031] Cada parte da gaiola com aberturas na mesma pode ter uma ou uma pluralidade de aberturas através dela. Se uma pluralidade de aberturas estiver presente em uma parte, elas preferivelmente são dispostas uniformemente em volta da circunferência da gaiola, a fim de assegurar um padrão de fluxo de fluido uniforme através da parte da gaiola, quando as aberturas estão abertas. As partes da gaiola com aberturas através delas podem ter o mesmo número de aberturas ou um número diferente. Além do número de aberturas presentes em qualquer dada parte da gaiola, as dimensões das aberturas também podem variar. A gaiola pode compreender aberturas do mesmo tamanho, ou seja, apresentam a mesma área de seção transversal para o fluxo de fluido através delas. Alternativamente, as aberturas podem ser diferentes em tamanho tanto dentro de uma dada parte da gaiola quanto entre partes.

[0032] Em um arranjo preferido, a área de seção transversal das aberturas disponíveis para o fluxo de fluido aumenta progressivamente na direção longitudinal ao longo da gaiola. Em particular, é preferido que a parte da gaiola com aberturas através dela que é a primeira a ser descoberta pelo tampão à medida que o tampão se desloca da posição inteiramente fechada para a posição aberta tenha a menor área de fluxo de fluido e a última das partes da gaiola a ser descoberta à medida que o tampão se desloca para a posição inteiramente aberta tenha a maior área de fluxo. A variação progressiva na

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13/38 área de seção transversal das aberturas pode ser alcançada ao variar o número e/ou tamanho das aberturas em partes adjacentes da gaiola.

[0033] As aberturas na gaiola podem se estender através da parede de gaiola perpendiculares às superfícies interna e externa. Assim, no caso de uma gaiola cilíndrica, as aberturas se estenderão radialmente através da parede de gaiola. Alternativamente, e mais preferivelmente, as aberturas se estendem em um ângulo em relação à direção radial ou para fora da gaiola de restringidor. Neste aspecto, uma referência às aberturas sendo em um ângulo é para ser entendida como exigindo que as aberturas se estendam em um ângulo em relação à direção radial dentro de um plano perpendicular ao eixo longitudinal da gaiola. Assim, quando a gaiola é vista longitudinalmente, as aberturas se estendem através da gaiola perpendiculares à direção radial. Com a montagem restringidora arranjada para ter o tampão e a gaiola dispostos com seus eixos longitudinais verticais, as aberturas anguladas se estenderão em um ângulo em relação à direção radial horizontalmente e serão perpendiculares à direção radial verticalmente. As aberturas podem todas se estender no mesmo ângulo ou, alternativamente, os ângulos das aberturas podem diferir. É preferido que todas as aberturas dentro de uma dada parte da gaiola se estendam no mesmo ângulo. Todas as aberturas na gaiola podem se estender através da parede da gaiola no mesmo ângulo. Em um arranjo particularmente preferido, as aberturas se estendem tangencialmente à parede interna da gaiola. Deste modo, o fluido escoando através das aberturas para o interior da gaiola gera um padrão de fluxo giratório ou helicoidal dentro da gaiola. Este arranjo preferido é discutido com mais detalhes a seguir.

[0034] Em operação, o fluxo de fluido a ser restringido ou controlado é introduzido através de uma entrada na montagem

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14/38 restringidora para uma cavidade anular se estendendo em volta da montagem de tampão e gaiola. Com a montagem restringidora na posição inteiramente fechada, o tampão fica inteiramente estendido com relação à gaiola, com a superfície de extremidade do tampão em contato com a sede e selada junto a ela. Nesta posição, todas as aberturas se estendendo através da gaiola estão cobertas e fechadas pelo tampão, impedindo assim que fluido flua para a saída da montagem restringidora. À medida que o tampão é deslocado com relação à gaiola a partir da posição fechada, a superfície de extremidade do tampão é deslocada para longe da sua sede. À medida que a superfície de extremidade do tampão passa a primeira parte da gaiola com aberturas através dela, as aberturas são abertas e é permitido que fluido flua através da gaiola para a saída da montagem restringidora. A extensão de fluxo de fluido é controlada pelo posicionamento apropriado do tampão com relação à gaiola. À medida que o tampão é deslocado na direção da posição inteiramente aberta, quantidades crescentes de aberturas são descobertas e a área de seção transversal disponível para o fluxo de fluido aumenta.

[0035] Quando posicionando o tampão com relação à gaiola para controlar o fluxo de fluido através da montagem restringidora, o tampão preferivelmente é posicionado de tal maneira que a superfície de extremidade do tampão se estenda sobre uma região entre duas partes adjacentes da gaiola com aberturas através delas. Quando nesta posição, a borda da superfície de extremidade do tampão não fica exposta à ação de corte e erosão do fluido escoando através das aberturas da gaiola. As aberturas em uma dada fileira preferivelmente são deslocadas ou escalonadas na direção circunferencial em relação às aberturas em fileiras adjacentes. Isto resulta em diferentes partes do tampão sendo expostas ao fluido escoando através das aberturas, à medida que o tampão é deslocado em relação à

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15/38 gaiola e atravessa as fileiras de aberturas. Isto impede que o desgaste por causa de erosão por fluido seja concentrado em regiões específicas do tampão e distribui o desgaste através da superfície total do tampão, prolongando por sua vez a vida operacional do tampão. Em uma modalidade preferida da montagem restringidora, a gaiola tem as partes adjacentes com aberturas através delas espaçadas lado a lado, de tal maneira que a superfície de extremidade do tampão fica a uma distância do fluxo de fluido atravessando a abertura ou aberturas descobertas adjacentes. Deste modo, o efeito erosivo do fluxo de fluido é reduzido adicionalmente, tal como descrito anteriormente.

[0036] Tal como observado, em operação, o tampão é deslocado em relação à gaiola, a fim de controlar o fluxo de fluido através da montagem restringidora. Para alcançar isto, a montagem restringidora compreende um atuador para deslocar e posicionar o tampão com relação à gaiola. O atuador pode ser de quaisquer projeto e configuração adequados. Atuadores adequados são bem conhecidos na técnica e são comercialmente disponíveis. Entretanto, é um recurso da montagem restringidora da presente invenção que uma montagem de atuador programável seja empregada. O atuador é programado para posicionar o tampão de acordo com dados ou instruções recebidas com relação às condições do fluxo de fluido. O atuador pode ser programado para deslocar o tampão em qualquer regime adequado. Por exemplo, o tampão pode ser deslocado de uma primeira posição para uma segunda posição em uma velocidade substancialmente constante. Em um arranjo preferido, o atuador é programado para deslocar o tampão de uma primeira posição em uma velocidade inicial baixa, em seguida aumentar a velocidade de movimento do tampão, e finalmente completar o movimento do tampão para a segunda posição em uma velocidade baixa. Tal como já discutido, a segunda posição do tampão é muito mais preferivelmente uma na

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16/38 qual a superfície de extremidade do tampão se estende em uma região entre partes adjacentes da gaiola com aberturas através delas. Este regime para deslocar o tampão em relação à gaiola é vantajoso em reduzir altas cargas de choque na montagem, por causa de mudanças rápidas na inércia de fluido através do restringidor e melhorar precisão do controle de fluxo permitindo que um controle mais preciso do fluxo de fluido seja alcançado. Isto por sua vez pode ajudar a impedir que o sistema de controle procure, de novo aperfeiçoando a precisão do controle de fluido.

[0037] Em geral, é vantajoso empregar atuadores programáveis para montagens restringidoras. Atuadores programáveis permitem que a pressão e a taxa de fluxo do fluxo de fluido sejam controladas e ajustadas continuamente, assegurando que o sistema de pressão/fluxo funciona exatamente dentro dos limites de projeto. Um atuador para deslocar o tampão tanto rapidamente quanto exatamente permitirá que o hardware de processo seja projetado e construído com maiores tolerâncias e com menor flutuação ou volume de tolerância de flutuação, permitindo ao hardware de separação ser mais compacto.

[0038] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é fornecido um método de controlar o fluxo de um fluido, o método compreendendo:

passar o fluido através de uma ou mais aberturas em uma gaiola, a gaiola tendo uma pluralidade de partes tendo aberturas através delas para fluxo de fluido, partes adjacentes da gaiola sendo separadas por uma região não tendo abertura para fluxo de fluido através dela;

posicionar um tampão com relação à gaiola para fechar seletivamente algumas das aberturas, mas não todas, na gaiola;

em que o tampão tem uma face de extremidade definindo um limite da passagem de fluxo de fluido através da gaiola, o

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17/38 tampão sendo posicionado com a face de extremidade do tampão se estendendo sobre uma região entre partes adjacentes da gaiola.

[0039] A presente invenção tem sido descrita em termos de uma montagem restringidora completa. Entretanto, será percebido que o arranjo particular da gaiola da montagem restringidora possa ser fornecido como um componente separado, por exemplo, para uso em reparar ou equipar de novo montagens restringidoras existentes de projeto convencional.

[0040] Desta maneira, a presente invenção fornece adicionalmente uma montagem de gaiola para uso em uma montagem restringidora de fluido, a montagem de gaiola compreendendo:

uma gaiola tendo uma parede de gaiola, a parede de gaiola tendo uma pluralidade de partes, cada parte tendo uma ou mais aberturas através dela para fluxo de fluido, em que partes adjacentes da gaiola são separadas por uma região não tendo abertura através dela.

[0041] Tal como descrito anteriormente, uma modalidade da montagem restringidora compreende uma gaiola tendo aberturas, preferivelmente aberturas retangulares, se estendendo através da parede da gaiola em um ângulo em relação à direção radial, mais particularmente tangencialmente à superfície interna da gaiola. Enquanto aplicável às montagens restringidoras da presente invenção, uma gaiola tendo aberturas com este arranjo fornece diversas vantagens para montagens restringidoras do tipo tampão e gaiola em geral.

[0042] Desta maneira, em um aspecto adicional, a presente invenção fornece uma montagem restringidora compreendendo:

uma gaiola compreendendo uma parede de gaiola tendo uma pluralidade de aberturas através dela para o fluxo de fluido, as aberturas se estendendo através da parede de gaiola tangencialmente à superfície interna da parede de gaiola.

[0043] As aberturas através da parede de gaiola são

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18/38 muito mais preferíveis retangulares em seção transversal. Neste aspecto, as aberturas retangulares são preferidas para formar uma faixa anular ou toroidal de fluido escoando dentro da gaiola, tal como descrito em seguida. Formas alternativas de abertura podem ser empregadas, embora a formação de faixas anulares bem definidas de fluido possa ser menor. As aberturas retangulares podem ter qualquer relação de aspectos adequada, na faixa de 1:1 a 1:10, mais preferivelmente a 1:5.

[0044] As aberturas são muito mais preferíveis arranjadas em uma ou mais faixas ou fileiras se estendendo circunferencialmente em volta da gaiola. Mais preferivelmente, a gaiola compreende uma pluralidade de tais faixas ou fileiras. As aberturas em faixas ou fileiras adjacentes podem ser alinhadas umas com as outras, mas são mais preferíveis deslocadas. Faixas ou fileiras adjacentes preferivelmente são separadas por uma região, tal como descrito anteriormente.

[0045] A gaiola compreende pelo menos uma faixa ou fileira de aberturas, com a faixa ou fileira tendo pelo menos uma abertura na mesma. Mais preferivelmente, a faixa ou fileira compreende duas ou mais aberturas e, por exemplo, pode compreender de duas a dez, mais preferivelmente de duas a oito aberturas. As aberturas podem ser de diferentes tamanhos, isto é, de diferentes áreas de seção transversal. Entretanto, é preferido que as aberturas dentro da faixa ou fileira tenham a mesma área de seção transversal. Em uma modalidade preferida, a gaiola compreende uma pluralidade de tais faixas ou fileiras de aberturas, com o número de faixas ou fileiras variando de 2 a 20, mais preferivelmente de 2 a 12.

[0046] Em uma modalidade, é preferido que a área de seção transversal total das aberturas na gaiola disponível para o fluxo de fluido seja maior que a área de seção transversal do furo da gaiola. Alternativamente, a área total das aberturas na gaiola disponível para o fluxo de fluido pode ser a mesma ou

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19/38 menor que a área de seção transversal da passagem interna dentro da gaiola.

[0047] A fim de impedir que a gaiola restrinja desnecessariamente o fluxo de fluido através do restringidor quando a montagem restringidora está inteiramente aberta, é preferido que a área total das aberturas disponíveis para o fluxo de fluido seja maior que a área de seção transversal da entrada de fluido da montagem restringidora.

[0048] Em uso, o restringidor deste aspecto da invenção opera sob um regime combinado de restrição ou estrangulamento físico do fluido escoando através das aberturas na gaiola e restrição ou estrangulamento hidráulico. Montagens restringidoras convencionais reduzem a pressão e controlam o fluxo de fluido em virtude de a gaiola fornecer uma barreira física para o fluxo de fluido, aumentando assim a queda de pressão do fluido forçado a fluir através da gaiola. Variar a área de seção transversal total das aberturas através da gaiola disponível para o fluxo de fluido varia por sua vez a queda de pressão e permite que o fluxo seja controlado. Para dissipar a energia do fluxo de fluido a gaiola tendo uma pluralidade de aberturas é usada para direcionar uma pluralidade de jatos de fluido para o centro da gaiola, induzindo os jatos de fluido a colidirem, cisalhando o fluido e dissipando a energia do fluxo de fluido.

[0049] Além do mais, a montagem restringidora do último aspecto da presente invenção fornece um estrangulamento hidráulico do fluxo de fluido, tal como se segue. Quando a montagem restringidora está em uma posição aberta, fluido é induzido a fluir através das aberturas na gaiola na direção do interior da montagem de gaiola. Como resultado da forma das aberturas, o fluxo de fluido atravessando uma dada abertura é induzido a fluir circunferencialmente ao longo da parede interna da gaiola em um padrão circular. Deste modo, o fluido

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20/38 escoando ao longo da parede interna de uma abertura é induzido a fluir através da abertura adjacente na direção de fluxo de fluido. Com as aberturas arranjadas em faixas ou fileiras tais como descrito anteriormente, o fluido entrando através de uma abertura é forçado a fluir através da abertura interna da abertura adjacente na fileira. Este fluxo cruzado de fluido apresenta uma barreira para o fluido entrando na gaiola através da abertura adjacente. Para entrar na gaiola, fluido entrando na abertura adjacente deve se desviar do fluido de fluxo cruzando pelo seu caminho circular. Esta mudança em direção e mudança de momento do fluido gera uma contrapressão ou queda de pressão no fluido. Fluido entrando na gaiola tal como descrito pode deixar a gaiola através do centro da faixa ou anular de fluido circulando, e passar para a saída da montagem restringidora.

[0050] A ação do fluido escoando dentro da gaiola do restringidor para fornecer uma resistência ao fluxo de fluido entrando na gaiola é referida como 'restrição hidráulica' neste documento e é caracterizada por um padrão de faixa ou anular tal como toroide de fluido escoando em um padrão circular em volta da superfície interna da gaiola. A resistência ao fluxo de fluido através de uma abertura pela formação de uma faixa anular de fluido circulando dentro da gaiola através da saída interna da abertura é uma primeira forma de restrição hidráulica.

[0051] Tal como discutido anteriormente, a gaiola da montagem restringidora pode compreender uma única faixa ou fileira de aberturas. Em um caso como este, operação do restringidor é caracterizada por uma única faixa anular de fluido circulando dentro da gaiola do restringidor, com fluido entrando na gaiola através das aberturas tangenciais e saindo através da passagem central definida pelo padrão de fluxo de fluido anular. Tal como também discutido anteriormente, a

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21/38 montagem restringidora pode compreender uma gaiola tendo uma pluralidade de faixas de aberturas. Cada tal faixa preferivelmente é arranjada com aberturas tangenciais e, em operação, estabelecerá uma faixa anular giratória de fluido dentro da gaiola se estendendo através das aberturas internas das aberturas dentro da dita faixa. A operação de uma montagem restringidora como esta é caracterizada por uma pluralidade de faixas de fluido anulares dentro da gaiola, cada uma sendo suprida com fluido proveniente das aberturas da respectiva fileira de aberturas na gaiola. As faixas são estabelecidas em um padrão 'empilhado' se estendendo na direção a jusante dentro da gaiola. Neste padrão, o fluido proveniente de uma faixa anular a montante é induzido a fluir através da abertura dentro da faixa a jusante adjacente e das faixas em seguida. Neste aspecto, as aberturas dentro de cada faixa anular de fluido agem como um orifício hidráulico para o fluxo de fluido das faixas anulares a montante. Como o diâmetro do orifício hidráulico é menor que o diâmetro interno da gaiola, o orifício hidráulico fornece uma maior resistência ao fluxo de fluido das faixas anulares a montante do que a gaiola propriamente dita. A área de seção transversal do caminho de fluxo a jusante de uma dada faixa de fluido anular dependerá do número das faixas de fluido anulares a jusante. À medida que o número das faixas a jusante aumenta, a área de seção transversal disponível para o fluido deixar a gaiola é reduzida. Assim, as faixas de fluido anulares à jusante agem para fornecer uma resistência, ou seja, restrição, ao fluxo de fluido das faixas a montante, fornecendo uma segunda forma de restrição hidráulica dentro da montagem restringidora.

[0052] O número de faixas anulares estabelecidas dentro da gaiola durante operação pode ser determinado pela posição de um tampão deslocado com relação à gaiola. O tampão e a gaiola podem ser de projeto amplamente convencional em outros

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22/38 aspectos. Em um arranjo preferido, a montagem de tampão e gaiola é tal como descrita anteriormente em conexão com os aspectos indicados anteriormente da presente invenção.

[0053] O tamanho, e assim a resistência para fluxo dentro da gaiola, fornecido por uma dada faixa anular é governado pelo tamanho, número e forma das aberturas dentro da faixa ou fileira relevante da gaiola. Os recursos das aberturas podem ser assim selecionados desta maneira. Em geral, é preferido que a área de seção transversal total das aberturas em uma fileira ou faixa na gaiola aumente na direção a montante dentro da gaiola. Este aumento na área de seção transversal pode ser fornecido por um maior número de aberturas e/ou aberturas de uma maior área de seção transversal dentro da faixa ou fileira.

[0054] Em um aspecto adicional, a presente invenção fornece um método de controlar o fluxo de um fluido, o método compreendendo:

fornecer uma zona de controle de fluido tendo uma entrada de fluido com uma abertura de entrada e uma saída de fluido;

fornecer um fluido através da abertura de entrada para a zona de controle de fluido;

estabelecer um padrão de fluxo de fluido anular dentro da zona de controle de fluido, em cujo padrão fluido é induzido a circular em uma região anular, de tal maneira que fluido dentro do padrão de fluxo anular é induzido a fluir através da abertura da abertura de entrada e fornece uma resistência ao fluxo de fluido através da abertura de entrada;

em que o padrão de fluxo de fluido anular define um orifício hidráulico dentro da zona de controle de fluido através do qual fluido é induzido a fluir para deixar a zona de controle de fluido através da saída de fluido.

[0055] O padrão de fluxo de fluido anular pode ser estabelecido ao fornecer uma abertura de entrada de fluido que

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23/38 fica em um ângulo em relação à direção geral de fluxo de fluido dentro da zona de controle de fluido da entrada de fluido para a saída de fluido. Isto é, a abertura se estende em ângulo em relação à direção radial da gaiola em um plano perpendicular ao eixo longitudinal da gaiola, tal como descrito anteriormente. A abertura preferivelmente é arranjada em uma tangente à zona de controle de fluido. 0 padrão de fluxo de fluido anular pode ser estabelecido usando uma única abertura, muito mais preferível uma abertura se estendendo tangencialmente à zona de controle de fluido. Tal como mencionado anteriormente, o padrão de fluxo de fluido anular preferivelmente é estabelecido usando uma pluralidade de aberturas dispostas em uma faixa em volta da zona de controle de fluido. Deste modo, fluido entrando na zona de controle de fluido através de uma abertura é induzido a fluir em um padrão giratório dentro da região anular da zona de controle de fluido e a fluir através da entrada das aberturas dispostas na direção de fluxo.

[0056] Tal como descrito anteriormente, o método pode compreender estabelecer um único padrão de fluxo de fluido anular dentro da zona de controle de fluido. Mais preferivelmente, o método compreende estabelecer uma pluralidade de padrões de fluxos de fluido anulares dentro da zona de controle de fluido e arranjados ao longo do caminho de fluxo na zona de controle de fluido entre a entrada de fluido e a saída de fluido. Para alcançar isto, o método preferivelmente emprega uma pluralidade de faixas de aberturas de entrada de fluido, com cada faixa compreendendo uma ou mais aberturas, tal como descrito anteriormente. O número de padrões de fluxos de fluido anulares pode ser controlado usando um elemento de controle móvel com relação à zona de controle de fluido para abrir e fechar seletivamente as aberturas de uma dada faixa.

[0057] Em um arranjo preferido, a zona de controle de fluido fica dentro da gaiola de uma montagem restringidora, a

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24/38 uma ou mais aberturas de entrada se estendendo através da parede da gaiola. 0 elemento de controle preferivelmente é fornecido por meio de um tampão móvel com relação à gaiola para abrir e fechar seletivamente as aberturas se estendendo através da parede da gaiola.

[0058] A montagem restringidora e método da presente invenção em seus vários aspectos podem ser usados para controlar o fluxo de fluidos em geral, em particular o fluxo de liquido. Tal como mencionado anteriormente, a presente invenção é particularmente adequada para o processamento de fluxos de fluido, se líquidos, gases ou uma combinação dos mesmos, com sólidos arrastados. A presente invenção é particularmente vantajosa quando aplicada ao processamento de fluxos de fluido produzidos a partir de poços subterrâneos de petróleo e gás. O aparelho da presente invenção é suficientemente compacto e eficiente, o qual é particularmente adequado para uso em instalações submarinas, tais como instalações de cabeça de poço e outras mais, para o controle de fluxos de fluido produzidos por um poço submarino durante operação. Em operação, o método e aparelho da presente invenção submetem o fluxo de fluido a menores forças de cisalhamento do que montagens restringidoras convencionais ou conhecidas. Isto é particularmente vantajoso no processamento de fluxos de líquidos de múltiplas fases, se ou não com sólidos arrastados e gás. O cisalhamento reduzido no fluxo de líquido por sua vez age para manter a separação das fases no líquido de múltiplas fases. Em particular, no caso de fluxos compreendendo petróleo e água, tal como produzido por poços subterrâneos, o alto cisalhamento aplicado ao fluxo de líquido pelo aparelho conhecido resulta nas fases de petróleo e água se tornando altamente dispersadas, mesmo para a extensão de formar uma emulsão estável ou quase estável. A separação de um fluxo de líquido como este em suas fases individuais é então muito difícil, tal como é

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25/38 frequentemente exigido, por exemplo, quando considerando produzir petróleo a partir de um poço e retornar água para debaixo da terra por meio de reinjeção.

[0059] Desta maneira, em um aspecto adicional, a presente invenção fornece uma instalação para o processamento de fluxos de fluido produzidos por um poço subterrâneo, em particular uma instalação submarina, compreendendo uma montagem restringidora tal como descrita anteriormente. A instalação pode ser uma montagem de cabeça de poço.

Breve Descrição dos Desenhos [0060] Modalidades específicas do método e do aparelho da presente invenção serão agora descritas adicionalmente, somente a título de exemplo, tendo referência aos desenhos anexos, nos quais:

A figura 1 é uma vista de seção transversal de uma montagem restringidora;

A figura 2 é uma vista detalhada de seção transversal de uma Montagem restringidora, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 3 é uma vista de seção transversal de uma parte da gaiola de restringidor da montagem de gaiola da figura 2 mostrando um detalhe da abertura através da mesma;

As figuras 4a a 4f são vistas de seção transversal através da gaiola de restringidor da montagem restringidora da figura 2 ao longo das linhas de Seção A, Seção B, Seção C, Seção D, Seção E e Seção F, respectivamente;

As figuras 5 e 6 são representações diagramáticas de padrões de fluxos de fluido dentro da gaiola de restringidor da montagem restringidora da figura 2, com o tampão em uma primeira posição e segunda posição, respectivamente;

As figuras 7a e 7b são vistas em perspectiva de uma montagem de gaiola para uso com as montagens restringidoras da figura 2;

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A figura 8 é uma vista lateral da montagem de gaiola da figura 7a;

A figura 9 é uma vista seccional plana da montagem de gaiola da figura 8 ao longo da linha IX-IX;

A figura 10 é uma vista de seção transversal da montagem de gaiola da figura 8 ao longo da linha X-X; e

A figura 11 é uma série de vistas de seção transversal das faixas de aberturas da gaiola da figura 8, tal como usadas para construir os dados na tabela.

Descrição Detalhada das Modalidades [0061] Referindo-se à figura 1, está mostrada uma montagem restringidora, indicada de uma maneira geral por 2. A montagem restringidora 2 é em grande parte de um projeto convencional e compreende um corpo de restringidor 4 tendo uma cavidade de restringidor de uma maneira geral cilíndrica 6 formada no mesmo. Uma entrada de fluido 8 é fornecida no lado do corpo de restringidor 4, terminando em um acoplamento de flange 10 de projeto convencional e fornecendo uma passagem para fluido entrar na cavidade de restringidor 6 a partir de uma direção lateral, tal como indicado pela seta A na figura 1. Uma saída de fluido 12 é fornecida no corpo de restringidor 4, se estendendo longitudinalmente da cavidade de restringidor 6 e terminando em um acoplamento de flange 14, de novo de projeto convencional. A saída de fluido 12 fornece uma passagem para fluido deixando a cavidade de restringidor 6, tal como indicado pela seta B na figura 1. A montagem restringidora compreende adicionalmente um elemento restringidor, indicado de uma maneira geral por 20, do tipo tampão e gaiola, disposto coaxialmente dentro da cavidade de restringidor 6, tal como será descrito com mais detalhes daqui por diante. Uma montagem de atuador 22 é instalada no corpo de restringidor 2 e compreende um atuador 24, conectado ao elemento restringidor 20 por meio de um eixo de atuador 26 se estendendo coaxialmente

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27/38 dentro do corpo de restringidor 4 para a cavidade de restringidor 6 e operável para manejar o elemento restringidor 20 no corpo de restringidor. Montagens de atuador adequadas são conhecidas e comercialmente disponíveis na técnica. O lado esquerdo da figura 1 mostra a montagem restringidora na posição inteiramente fechada, enquanto que o lado direito da figura mostra a montagem restringidora na posição inteiramente aberta.

[0062] Referindo-se à figura 2, está mostrada uma vista detalhada de um elemento restringidor de acordo com a presente invenção, indicado de uma maneira geral por 100. Será entendido que o elemento restringidor 100 não está limitado ao seu uso na montagem restringidora da figura 1 e igualmente pode ser bem aplicada nas montagens restringidoras de outras modalidades da presente invenção, assim como em montagens restringidoras estando fora do escopo da invenção. O lado esquerdo da figura 2 mostra o elemento restringidor na posição inteiramente fechada, enquanto que o lado direito da figura mostra o elemento restringidor na posição inteiramente aberta.

[0063] O elemento restringidor 100 é da variedade de tampão e gaiola e compreende uma gaiola de uma maneira geral cilíndrica 102 tendo uma parte de gaiola interna 104 e uma parte de gaiola externa 106 arranjadas concentricamente. A parte de gaiola externa 106 é suportada entre um mandril superior 108 e um mandril inferior 110 se estendendo dentro da cavidade de restringidor 6. O elemento restringidor 100 compreende adicionalmente um tampão de uma maneira geral cilíndrico 120 disposto dentro da gaiola 102. O tampão 120 é conectado em modo convencional à extremidade do eixo de atuador 26 se estendendo do atuador 24. Desta maneira, o tampão 120 pode ser deslocado longitudinalmente dentro da gaiola por um movimento de vaivém do eixo de atuador 26 sob a ação do atuador.

[0064] O tampão 120 tem uma superfície de extremidade

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130 com um rebaixo externo na mesma, o qual contacta uma sede 132 formada na montagem restringidora, quando o restringidor está na posição inteiramente fechada. 0 assentamento da superfície de extremidade 130 do tampão contra a sede 132 fornece uma vedação estanque a fluido, impedindo que fluido flua através da montagem restringidora.

[0065] Tal como mostrado na figura 2, o elemento restringidor 100 tem o tampão 120 disposto dentro da gaiola 102. Será entendido que a presente invenção inclui um elemento restringidor similar, mas no qual o tampão é disposto no lado de fora da gaiola, a qual é uma luva externa e gaiola interna.

[0066] A gaiola 102 é provida com uma pluralidade das aberturas 122 através das quais fluido pode fluir da região da cavidade de restringidor 6 para dentro da gaiola 102. As aberturas 122 são formadas para se estenderem tangencialmente através da gaiola 102.

[0067] Referindo-se à figura 3, está mostrada uma vista de seção transversal através de uma parte da gaiola de restringidor 102 mostrando a forma de um orifício ou abertura 122. Cada abertura 122 se estende tanto através da parte de gaiola externa 104 quanto da parte de gaiola interna 102. As aberturas são de uma maneira geral retangulares em seção transversal. A parte de cada abertura se estendendo através da parte de gaiola interna 102 tem uma área de seção transversal constante por todo o seu comprimento. A parte de cada abertura se estendendo através da parte de gaiola externa 104 é afunilada, com a área de seção transversal da abertura na superfície externa da parte de gaiola externa sendo maior, a abertura afunilando em uma direção radialmente para dentro de tal maneira que a área de seção transversal diminui para aquela da parte de abertura na parte de gaiola interna. Em uso, fluido flui em volta da superfície externa da gaiola 102 em um padrão rotacional, indicado pelas setas A na figura 3. Tal como

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29/38 mostrado na figura 3, o afunilamento da parte de abertura na parte de gaiola externa 104 não é simétrico, mas em vez disto é deslocado na direção contrária ou a montante de fluxo de fluido em volta da gaiola, tal como indicado pelas setas A na figura

3.

[0068] Os padrões de fluxos de fluido na gaiola e em volta dela estão mostrados detalhadamente na figura 3. Fluido na cavidade de restringidor 6 está fluindo em volta da gaiola, tal como indicado pelas setas A. O padrão de fluxo de fluido em volta do restringidor será determinado pelo modelo e forma da cavidade de restringidor e da entrada de fluido. Por exemplo, orientar a entrada de fluido 8 da montagem restringidora 2 de maneira que fluido entre na cavidade de restringidor tangencialmente ou em um ângulo resultará no fluido escoando em um padrão rotacional ou giratório em volta da gaiola de restringidor. À medida que o fluido passa pela extremidade externa de uma abertura 122, uma parte do fluido é direcionada para dentro da abertura, tal como indicado pela seta B na figura 3. O deslocamento no afunilamento na parte externa da abertura reduz o cisalhamento experimentado pelo fluido à medida que o mesmo entra na abertura 122. À medida que o fluido atravessa a abertura, a redução na área de seção transversal acelera a velocidade de fluido, de tal maneira que ao entrar na cavidade interna do elemento restringidor o fluido está se deslocando em uma alta velocidade. O ângulo da abertura 122 introduz o fluido em alta velocidade na cavidade interna tangencialmente, tal como indicado pela seta C na figura 3. Como resultado da entrada tangencial, o fluido dentro da cavidade interna é induzido a girar, tal como mostrado pelas setas D e fluir em volta da parede interna do elemento de restringidor interno 102. Assim, o fluido de entrada indicado pela seta C é induzido a impactar o fluido circulando dentro da gaiola e a mudar de direção, tal como mostrado na figura 3, e

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30/38 seguir um caminho de fluxo próximo à superfície interna da parte de gaiola interna 102. O fluido circulando dentro da gaiola é por sua vez induzido a se desviar da parede interna do elemento de restringidor interno 102 e a se deslocar para dentro na direção do centro da gaiola. As mudanças na direção de fluxo, e as mudanças associadas de momento de fluido, induzem uma contrapressão ou resistência ao fluxo para fluido tanto entrando quanto dentro da gaiola. Deste modo, o fluido propriamente dito está agindo para aumentar a queda de pressão total através da montagem restringidora, e fornecer uma ação de restrição hidráulica.

[0069] A ação do fluido entrando na gaiola de restringidor através das aberturas 122 e combinando com o fluido já circulando dentro da gaiola de restringidor adjacente à parede interna do elemento de restringidor interno 102 cria uma faixa de fluido dentro da gaiola, de tal maneira que o fluido seja forçado a fluir em um padrão anular na região radialmente externa da gaiola através das aberturas internas das aberturas 122.

[0070] Além de tudo, este padrão de fluxo reduz o grau de cisalhamento ao qual o fluido é submetido, o que por sua vez tem o efeito de manter separação de fases que existe no fluido antes de entrar na gaiola. Além disso, tal como será percebido, quaisquer partículas sólidas arrastadas no fluido são induzidas a tomar um caminho circular dentro da gaiola de restringidor, em vez de impactar a parede interna da gaiola. Isto reduz significativamente o desgaste e taxas de falhas do elemento restringidor.

[0071] Tal como mostrado na figura 2, as aberturas na gaiola de restringidor são arranjadas em faixas. O arranjo de aberturas em uma modalidade da gaiola de restringidor está ilustrado nas vistas de seção transversal através de seis faixas a jusante da gaiola de restringidor e mostradas nas

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31/38 figuras 4a a 4f. A faixa mais a jusante está mostrada na figura 4a e tem duas aberturas tangenciais 122 arranjadas em 180° uma com a outra em lados opostos da gaiola. A faixa a montante adjacente, mostrada na figura 4b, tem quatro aberturas tangenciais arranjadas em 90° uma com a outra em lados opostos da gaiola, mas deslocadas por 45° em relação às aberturas na faixa mostrada na figura 4a. A faixa a montante adjacente está mostrada na figura 4c e de forma similar tem quatro aberturas arranjadas em 90° uma com a outra em volta da gaiola, deslocadas de 45° das aberturas mostradas na figura 4b. A faixa imediatamente a montante está mostrada na figura 4d, a qual também compreende oito aberturas com um espaçamento de 45°, de novo deslocadas das quatro aberturas da faixa a jusante adjacente por 22,5°. O par de faixas a montante está mostrado nas figuras 4e, 4f, 4g e 4h, cada faixa tendo oito aberturas, de novo deslocadas uma da outra.

[0072] Movimento do tampão 120 longitudinalmente dentro da gaiola permite que as faixas de aberturas sejam cobertas e descobertas, dependendo da posição do tampão, permitindo assim que o fluxo de fluido através do elemento restringidor seja controlado. Com o tampão na posição mostrada no lado esquerdo da figura 2, todas as faixas de aberturas estão cobertas e o elemento restringidor está fechado para fluxo de fluido. Movimento do tampão 120 a partir da posição fechada primeiro descobre a faixa mostrada na figura 4a e então, sucessivamente, as faixas das figuras 4b a 4f, até que a posição inteiramente aberta mostrada no lado direito da figura 2 seja alcançada. Será percebido que movimento do tampão da posição fechada para a posição aberta abre faixas tendo sucessivamente um maior número de aberturas e, consequentemente, fornecendo uma área de seção transversal crescente sucessivamente disponível para fluxo de fluido.

[0073] Constatou-se que o arranjo das aberturas

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32/38 tangenciais 122 em faixas, tal como descrito anteriormente, induz o regime de fluxo de fluido anular mencionado anteriormente representado nas figuras 5 e 6. Tal como descrito anteriormente e mostrado na figura 3, o fluido entrando na cavidade dentro do elemento de gaiola é induzido a fluir em um caminho circular adjacente à superfície interna da parte de gaiola interna 102, isto é, forma uma faixa giratória de fluido pressurizado na região radialmente externa do interior de gaiola. A faixa de fluido pressurizado 300 gerada pela faixa de aberturas a jusante está mostrada nas figuras 5 e 6. A direção geral de fluxo de fluido dentro do elemento restringidor é a jusante na direção da saída de fluido 12 (isto é, para baixo, tal como mostrado nas figuras 5 e 6) . Entretanto, o efeito da faixa de pressão 300 é reduzir a área de seção transversal efetiva disponível para o fluxo de fluido entrando na gaiola a montante da faixa 300. Em outras palavras, a faixa de fluido pressurizado age como um restringidor hidráulico para o fluxo de fluido a jusante. Uma faixa de fluido giratório pressurizado similar 302 será formada pela faixa de aberturas a montante adjacente, a qual age para reduzir adicionalmente a área de seção transversal efetiva disponível para o fluxo de fluido a jusante.

[0074] Tal como mostrado na figura 5, o elemento restringidor está na posição parcialmente aberta, com o tampão 120 em uma posição intermediária entre as posições inteiramente aberta e inteiramente fechada e duas faixas de aberturas descobertas para o fluxo de fluido. O efeito da ação de restringidor hidráulico dentro da cavidade de restringidor está representado. Na figura 6, o tampão 120 está na posição inteiramente aberta, com todas as faixas de aberturas descobertas. A ação de restringidor hidráulico de faixas de fluido sucessivas está mostrada. O fluido entrando na cavidade por uma dada faixa de aberturas deve fluir na direção a jusante

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33/38 geral. Para fazer isto, o fluido é induzido a fluir para dentro, adiante da faixa de fluido pressurizado estabelecida pelo fluido entrando pela faixa de aberturas a jusante adjacente. Tal como mostrado na figura 6, o efeito acumulativo das faixas de fluido pressurizado resulta no fluido entrando na cavidade de restringidor através das faixas de aberturas mais a montante tendo uma área de seção transversal muito limitada disponível para o fluxo adiante das faixas de fluidos a jusante.

[0075] Esta ação de restringidor hidráulico das faixas de fluido pressurizado age além da ação de restrição física fornecida pelo fluxo de fluido através das aberturas na gaiola de restringidor, assim como a restrição hidráulica tal como descrita anteriormente e mostrada na figura 3 à medida que o fluido é forçado a entrar na gaiola através das aberturas tangenciais. A ação de restringidor hidráulico pode ser empregada para controlar o fluxo de fluido a jusante do elemento restringidor, mas tem a vantagem de submeter o fluido a cisalhamento significativamente menor que o dos componentes do elemento restringidor, tal como seria experimentado em uma montagem restringidora de gaiola e tampão convencional.

[0076] Referindo-se às figuras 7a e 7b, está mostrada uma montagem de gaiola, indicada de uma maneira geral por 402, que pode ser usada em uma montagem restringidora do tipo tampão e gaiola, tal como aquela mostrada nas figuras 1 e 2. Tal como mostrado nas figuras 7a e 7b, a montagem de gaiola compreende um elemento de gaiola de uma maneira geral cilíndrico externo 404 e um elemento de gaiola de uma maneira geral cilíndrico interno 406, disposto concentricamente dentro do elemento de gaiola externo 404. Os elementos de gaiola externo e interno 404, 406 são formados de qualquer material adequado, resistente às condições prevalecentes durante a operação do restringidor. Para uso no processamento de fluxos de fluido produzidos a

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34/38 partir de um poço de petróleo ou gás, o elemento de gaiola interno 406 preferivelmente é formado de um metal resistente, em particular carboneto de tungstênio. O elemento de gaiola externo 404 é preparado de um material adequadamente duro, por exemplo, aço inoxidável, e age em uso para proteger o elemento de gaiola interno 106 contra impacto direto por grandes partículas sólidas arrastadas no fluxo de fluido.

[0077] Tal como mostrado nas figuras 7 a 10, as aberturas 410 se estendem através de ambos os elementos de gaiola externo e interno 404 e 406, fornecendo passagens para o fluxo de fluido da entrada da montagem restringidora, através da gaiola e para a saída da montagem restringidora. As aberturas 410 são arranjadas em 12 fileiras ou faixas, indicadas na figura 8 pelas letras A a L. As aberturas 410 têm a mesma forma geral, tal como mostrado em seção transversal na figura 9. Tal como mostrado na figura 9, cada abertura se estende através de ambos os elementos de gaiola interno e externo em um ângulo em relação à direção radial, de tal maneira que a abertura interna de cada abertura se estenda em uma tangente à parede interna do elemento de gaiola interno 406. Como resultado da configuração das aberturas, fluido entrando em cada abertura é induzido a fluir em um caminho circular em volta da parede interna do elemento de gaiola interno 406, tal como descrito anteriormente.

[0078] As aberturas 410 dentro de uma dada faixa A a L têm a mesma forma e dimensões, em particular área de seção transversal. Entretanto, o número, arranjo e tamanho das aberturas 410 diferem entre as faixas A a L. O arranjo das aberturas 410 na montagem de gaiola 402 está resumido na tabela abaixo.

[0079] Na tabela, os números para diâmetro de furo equivalente para uma dada faixa se referem ao diâmetro nominal (polegada (25,4 milímetros)) do tubo tendo a mesma área de

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35/38 seção transversal para fluxo de fluido tal como as aberturas na faixa.

[0080] A largura das regiões entre fileiras adjacentes de aberturas é a mesma por todo o comprimento da gaiola e é de 3,17 milímetros (0,125 polegada).

[0081] A gaiola usada para a tabela tem um diâmetro interno nominal de 152,4 milímetros (6,0 polegadas). A montagem restringidora para a gaiola da tabela tem uma entrada de fluido tendo um diâmetro interno nominal de 130,17 milímetros (5,125 polegadas).

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Diâmetro de furo equivalente								3,0625	4,0625		5,125
Curso (polegada (25,4 mm) )	0,375	LO o	1,375	2,0	2,625	3,25	4,125	LO Cs] LO	6,375	LO	8,625	LO <Ti
Área total para fluxo de fluido (polegada quadrada (645,16 mm²) )	0,125	0,375	0,875	1,875	3,375	4,875	7,125	10,125	14,125	18,125	22,125	26,125
Área das Aberturas (polegada quadrada (645,16 mm²) )	0,125	0,25	LO O	O γ—1	O γ—1	O γ—1	2,25	3,0	O	O	O	O
Altura das Aberturas (polegada (25,4 mm))	0,25	0,25	LO o	LO o	LO o	LO o	LO o	O γ—1	o γ—1	o γ—1	o γ—1	o γ—1
Largura das Aberturas (polegada (25,4 mm))	0,25	0,25	0,25	0,25	0,375	0,375	0,375	0,375	LO o	LO o	LO o	LO o
Número de Aberturas	Cs]			CO	CO	CO	CO	CO	co	co	co	co
Faixa Número	γ—1	Cs]	cn		LO	LD		co	cn	10	11	12

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37/38 [0082] Da tabela pode ser visto que a gaiola tem um total de 12 fileiras de aberturas fornecendo uma área de seção transversal de abertura total de 16.854,81 mm² (26,125 polegadas quadradas). Tal como observado anteriormente, a montagem restringidora tem uma entrada para fluido tendo um diâmetro interno de 130,17 mm (5,125 polegadas), isto é, uma área de seção transversal de 13.309,65 mm² (20,63 polegadas quadradas). Pode ser visto assim que a área total das aberturas disponíveis para o fluxo de fluido através da gaiola é maior que a área de seção transversal da entrada de fluido.

[0083] Tal como mostrado nas figuras 7 a 10, as faixas A a L são arranjadas na montagem de gaiola 402 a fim de serem espaçadas umas das outras pelas regiões 420, isto é, regiões se estendendo circunferencialmente em volta da montagem de gaiola 102 que não têm aberturas se estendendo através delas, tal como mostrado mais claramente na figura 8. Em operação, o tampão 120 é deslocado longitudinalmente dentro da montagem de gaiola 402 para cobrir ou descobrir progressivamente as aberturas 410 nas faixas A a L. O movimento do tampão é controlado de tal maneira que a superfície de extremidade do tampão é levada para ficar parada sobre uma região 420 entre duas faixas adjacentes A a L. Isto assegura que uma dada faixa A a L tem suas aberturas inteiramente abertas ou inteiramente fechadas. Além disso, a superfície de extremidade 130 do tampão 120 não fica exposta diretamente à ação erosiva dos fluxos de fluido entrando na gaiola através das aberturas 410, tal como seria se a superfície de extremidade do tampão fosse levada para ficar parada sobre uma faixa de aberturas.

[0084] Na tabela, os números para o curso se referem à distância longitudinal que o tampão da montagem restringidora se desloca a partir da posição inteiramente fechada, a fim de descobrir completamente uma dada faixa e ter a superfície de extremidade do tampão se estendendo através da região entre a

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38/38 dada faixa e a faixa adjacente.

[0085] A figura 11 contém uma representação de seção transversal de cada uma das faixas de aberturas 1 a 12 da gaiola da figura 8. Tal como pode ser visto nas vistas na figura 11, as aberturas em uma dada faixa são deslocadas circunferencialmente das aberturas na faixa ou em cada faixa adjacente. Deste modo, a integridade da gaiola é aumentada, provendo por sua vez a gaiola com uma maior resistência ao impacto de grandes objetos sólidos arrastados, tal como pode ser produzido ocasionalmente a partir de um poço subterrâneo.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Montagem restringidora (2) para uma instalação de cabeça de poço compreendendo:

um elemento restringidor (20, 100) tendo uma passagem de fluxo de fluido através do mesmo, o elemento restringidor (20, 100) compreendendo:

uma gaiola (102, 104) tendo uma pluralidade de aberturas (122) através dela para a passagem de fluido, em que as aberturas (122) se estendem em um ângulo a fim de abrirem tangencialmente à parede interna da gaiola (102); e um tampão (120) móvel com relação à gaiola (102, 104) , o tampão (120) tendo uma superfície de extremidade (130) que em uso define um limite da passagem de fluxo de fluido através do restringidor (20, 100) e sendo móvel para abrir ou fechar cada uma das aberturas (122) através da gaiola (102, 104) , para assim controlar o fluxo de fluido através da gaiola (102, 104);

a montagem caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) na gaiola (102, 104) são dispostas em uma primeira e em uma segunda parte da gaiola (102, 104) , cada uma das primeira e segunda partes tendo pelo menos uma abertura (122) na mesma, as primeira e segunda partes sendo separadas por uma região;

pelo que o tampão (120) pode ser posicionado com sua superfície de extremidade (130) disposta para cruzar a região entre as primeira e segunda partes, de tal maneira que cada abertura (122) fique inteiramente aberta ou inteiramente fechada para o fluxo de fluido; e em que as aberturas (122) são retangulares em seção transversal.
2. Montagem restringidora (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tampão (120) é disposto dentro da gaiola (102, 104).

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3. Montagem restringidora (2), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) são arranjadas em fileiras se estendendo circunferencialmente em volta da gaiola (102, 104).
4. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) são formadas com orifícios tendo os lados paralelos à superfície de extremidade (130) do tampão (120) .
5. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que os lados das aberturas retangulares (122) são dispostos paralelos e ortogonais à superfície de extremidade (130) do tampão (120) .
6. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que uma ou ambas as primeira e segunda partes compreendem uma pluralidade de aberturas (122) nas mesmas.
7. Montagem restringidora (2), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de aberturas (122) é arranjada uniformemente em volta da periferia da gaiola (102, 104) .
8. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que a região é suficientemente grande de tal maneira que a superfície de extremidade (130) do tampão (120) possa ser posicionada a uma distância suficiente das aberturas (122) descobertas adjacentes para reduzir o impacto de fluido escoando através das aberturas (122) descobertas sobre a superfície de extremidade (130) do tampão (120) .
9. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a gaiola (102, 104) compreende três ou mais partes tendo pelo menos uma abertura (122) na mesma.
10. Montagem restringidora (2), de acordo com a

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3/5 reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que uma região separa todas as partes adjacentes da gaiola (102,104).
11. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) em uma parte da gaiola (102, 104) são deslocadas circunferencialmente das aberturas (122) na parte adjacente da gaiola (102, 104) .
12. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a primeira e segunda partes compreendem números diferentes de aberturas (122).
13. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) na primeira parte têm uma área de seção transversal diferente daquela das aberturas (122) na segunda parte.
14. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que a área de seção transversal das aberturas (122) em cada parte da gaiola (102, 104) aumenta na direção longitudinal da gaiola (102, 104).
15. Montagem restringidora (2), de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que as aberturas (122) descobertas primeiro à medida que o tampão (120) se desloca a partir de uma posição inteiramente fechada têm a menor área de seção transversal e as aberturas (122) descobertas por último à medida que o tampão (120) se desloca para uma posição inteiramente aberta têm a maior área de seção transversal.
16. Montagem restringidora (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um atuador (24) para deslocar o tampão (120) com relação à gaiola (102, 104).
17. Montagem restringidora (2), de acordo com a

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4/5 reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o atuador (24) é programável para operar em diferentes velocidades de abertura e fechamento das aberturas (122) na gaiola (102, 104) .
18. Método de controlar o fluxo de um fluido em uma instalação de cabeça de poço, o método caracterizado pelo fato de que compreende:

passar o fluido através de uma ou mais aberturas (122) em uma gaiola (102, 104) , a gaiola (102, 104) tendo uma pluralidade de partes tendo aberturas (122) através da mesma para fluxo de fluido, e partes adjacentes da gaiola (102, 104) sendo separadas por uma região não tendo abertura (122) para fluxo de fluido através da mesma;

posicionar um tampão (120) com relação à gaiola (102, 104) para fechar seletivamente algumas das aberturas (122), mas não todas as aberturas, na gaiola (102, 104);

em que o tampão (120) tem uma face de extremidade definindo um limite da passagem de fluxo de fluido através da gaiola (102, 104) , o tampão (120) sendo posicionado com a face de extremidade do tampão (120) se estendendo sobre uma região entre partes adjacentes da gaiola (102, 104);

em que as aberturas (122) são retangulares em seção transversal e se estendem em um ângulo a fim de abrirem tangencialmente à parede interna da gaiola (102, 104) .
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o fluxo de fluido é produzido a partir de um poço subterrâneo.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o fluxo de fluido compreende petróleo, água, gás, sólidos arrastados ou uma combinação dos mesmos.
21. Montagem de gaiola (102, 104) para uso em uma montagem restringidora (2) de fluido para uso em uma instalação de cabeça de poço, a montagem de gaiola (102, 104)

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5/5 compreendendo:

uma gaiola (102, 104) tendo uma parede de gaiola (102, 104), a parede de gaiola (102, 104) tendo uma pluralidade de partes, cada parte tendo uma ou mais aberturas (122) através da mesma para fluxo de fluido, caracterizada pelo fato de que partes adjacentes da gaiola (102, 104) são separadas por uma região não tendo abertura através da mesma;

em que as aberturas (122) são retangulares em seção transversal e se estendem em um ângulo a fim de abrirem tangencialmente à parede interna da gaiola (102, 104) .

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1/8

Fig 1

2/8

3/8

Fig 3

4/Β

5/8

122

Fig 5

6/8

102

122

104

Fig 6

7/8

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