BRPI0903075A2

BRPI0903075A2 - método de aquecimento de sistemas de bombeamento esp submarino

Info

Publication number: BRPI0903075A2
Application number: BRPI0903075-1A
Authority: BR
Inventors: David H Neuroth; Peter F Lawson; Jim F Evenson
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2011-03-22
Also published as: BRPI0903075B1; US8037936B2; US20090178803A1

Abstract

METODO DE AQUECIMENTO DE SISTEMAS DE BOMBEAMENTO ESP SUBMARINO. São providos um sistema e um método para aquecer o fluido a ser bombeado por um sistema de bombeamento submergIvel elétrico, O calor para aquecer o fluido pode ser indutivamente gerado mediante ajuste da energia fornecida ao motor do sistema de bombeamento. Em um exemplo, o ajuste de energia inclui fornecer a voltagem aplicada ao motor da bomba até um valor inferior à voltagem aplicada durante operações normais. Enquanto diminuindo a voltagem a frequência elétrica pode ser variada assim como a forma de onda elétrica.

Description

MÉTODO DE AQUECIMENTO DE SISTEMAS DE BOMBEAMENTO ESPSUBMARINO

PEDIDOS RELACIONADOS

Esse pedido reivindica prioridade para, e obeneficio do Pedido Provisório Copendente dos EstadosUnidos 61/021.538 depositado era 16 de janeiro de 2008, cujarevelação integral é aqui incorporada mediante referência.

ANTECEDENTES

1. Campo da Invenção

A presente revelação se refere a um sistema deborabeamento submergível elétrico configurado para aquecer ofluido a ser bombeado pelo sistema.

2. Descrição da Técnica Anterior

Sistemas de bombeamento, submergíveisfreqüentemente são usados em poços de produção dehidrocarboneto para bombear fluidos a partir de dentro dopoço para a superfície. Esses fluidos geralmente sãolíquidos e incluem hidrocarboneto líquido produzido assim- como água. Um tipo de sistema usado nessa aplicação empregauma bomba submergível elétrica (ESP). Os sistemas debombeamento subraergíveis; tais como bombas submergíveiselétricas (ESP); freqüentemente são usados em poços deprodução de hidrocarboneto para bombear fluidos a partir dedentro do poço para a superfície. Os sistemas ESP tambémpodem ser usados em aplicações no fundo do mar paratransferir fluidos, por exemplo, em condutos horizontais oucaixões verticais arranjados ao longo do fundo do mar.Quando as bombas ESP são empregadas em aplicações no fundodo mar elas residem em um ambiente de água fria do mar comtemperaturas na faixa média de -1,1°C a 4,4°C. Contudo,quando a bomba ESP é energizada ela deve manipular fluidosde produção em temperaturas consideravelmente superiores,algumas vezes superiores a 148,9°C.

Um problema singular associado a essas amplasdigressões de temperatura é a dificuldade em dar partida nosistema após uma paralisação. Óleo cru que é facilmentebombeado em temperaturas de produção, freqüentemente émuito viscoso quando esfriado até a temperatura da água domar, desse modo efetivamente travando os estágios da bombado ESP de modo que a bomba é incapaz de ser girada. Umaforma de tornar a dar partida no sistema é a de aquecer oóleo cru na bomba para reduzir suficientemente aviscosidade do óleo para uma faixa onde a resistência aofluxo seja reduzida de tal modo que a bomba possa ser outravez reiniciada. Um problema similar relacionado àtemperatura é associado aos hidratos que se acumulam quandoos fluidos de produção são esfriados, também travando aspalhetas da bomba. Como com o óleo cru viscoso, isso podeser resolvido mediante aquecimento dos hidratos e liberandoa bomba para girar. Em outras situações, dependendo dascaracterísticas de fluido do óleo sendo bombeado, podehaver algumas vantagens associadas com a redução daviscosidade do fluido mediante aquecimento da bomba e motorantes de dar partida completamente no sistema para reduzira viscosidade do fluido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É revelado aqui um método de manipular fluido emum poço, o método pode incluir prover um sistema ESP nopoço. 0 sistema ESP pode incluir uma bomba, um motor debomba, e um fornecimento de energia elétrica em comunicaçãocom o motor da bomba. 0 método inclui ainda aquecerindutivamente o motor da bomba para gerar energia térmica,aquecendo o fluido no poço com calor gerado pelo motor dabomba e bombeando o fluido aquecido com a bomba. A energiatérmica gerada pode ser transferida para o fluido adjacenteao motor ou para a bomba. A transferência da energiatérmica gerada a partir do motor da bomba pode serrealizada utilizando-se o fluido de trabalho vedado em umsistema de transferência de calor. 0 método pode envolverainda detectar a temperatura do motor e/ou fluido. O métodopode incluir adicionalmente ajustar indutivamente oaquecimento do motor com base na detecção da temperatura domotor e/ou fluido. Voltagem provida ao motor da bomba podeser fornecida em um valor inferior à voltagem fornecidadurante operação normal, isso pode ser realizado enquantoproporcionando energia ao motor da bomba em uma freqüênciasuperior do que durante operação normal. 0 método podeincluir adicionalmente prover energia ao motor da bomba emuma forma de onda que varia a partir da forma de ondaprovida durante operação normal da bomba.

Um sistema de bombeamento submergivel elétricotambém é aqui descrito. Em uma modalidade o sistema debombeamento inclui uma bomba tendo uma entrada de fluido,um motor de bomba acoplado à bomba, e um sistema detransferência de calor em comunicação de energia térmicacom o motor de bomba e fluido a ser bombeado pela bomba. 0calor gerado pelo motor de bomba pode ser transferido paraaquecer o fluido a ser bombeado e reduzir sua resistênciaao fluxo. 0 sistema de transferência de calor pode incluiruma porção liquida inferior próxima ao motor em comunicaçãocom a energia térmica com o motor de bomba, uma porção devaporização/superior em comunicação de energia térmica como fluido a ser bombeado, tubo se estendendo entre a porçãolíquida inferior e a porção de vaporização/superior, e umfluido de trabalho que circula através da porção líquidainferior, os tubos, e a porção de vaporização/superior. Aporção líquida inferior pode ter um primeiro e um segundoreservatório e tubos se estendendo entre os reservatórios.

A porção de vaporização/superior pode incluir um primeiro eum segundo reservatório e tubos se estendendo entre osreservatórios. A porção de vaporização/superior pode serdisposta adjacente à bomba de modo que a energia térmicatransferida a partir da porção de vaporização/superior paraa bomba pode aquecer o fluido na bomba. A porção devaporização/superior é disposta opcionalmente de modo que aenergia transferida a partir da porção devaporização/superior flui para o fluido fora da bomba. 0sistema pode incluir um controlador de velocidade variávelem comunicação elétrica com o motor da bomba, de modo quemanipulação do controlador de velocidade variável ajusta aenergia elétrica fornecida ao motor de bomba para gerarindutivamente a energia térmica. Um sensor de temperaturaem comunicação com o controlador de velocidade variáveltambém pode ser incluído com o sistema.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Algumas das características e vantagens dapresente invenção tendo sido declaradas, outras se tornarãoevidentes à medida que a descrição prossegue quandoconsiderada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 a seguir é uma vista esquemáticalateral de um exemplo de um ESP disposto em um caixão nofundo do mar tendo um sistema de aquecimento associado.

A Figura 2 é uma vista esquemática lateral de umsistema de transferência de calor para transferir calorentre um motor de bomba e uma bomba.

Embora a invenção seja descrita em conexão com asmodalidades preferidas, será entendido que ela não pretendelimitar a invenção àquela modalidade. Ao contrário, sepretende abranger todas as alternativas, modificações eequivalentes que possam estar incluídos no espírito eescopo da invenção conforme definidos pelas reivindicaçõesanexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção será descrita agora maiscompletamente em seguida com referência aos desenhos anexosnos quais modalidades da invenção são mostradas. Essainvenção pode, contudo, ser incorporada em muitas formasdiferentes e não deve ser considerada como limitada àsmodalidades ilustradas aqui apresentadas; maispropriamente, essas modalidades são providas de modo queessa revelação será rigorosa e completa, e transmitirácompletamente o escopo da invenção para aqueles versados natécnica. Números semelhantes se referem a elementossemelhantes do princípio ao fim.

É aqui incluído um método de manejar fluido em umcaixão ou outro poço utilizando um sistema ESP. Em umamodalidade, o fluxo de fluido de poço ou caixão otimizadoatravés de um sistema ESP é descrito aqui o qual incluiindutivamente aquecer o motor de bomba de um sistema ESP. Aenergia térmica gerada pode ser transferida, sejaativamente ou passivamente, para aquecer o fluido bombeado.

0 calor pode ser transferido diretamente para a bomba oupara o fluido antes dele alcançar a bomba. 0 motor da bombapode ser indutivamente aquecido mediante alteração daenergia fornecida ao motor ESP. Tal alteração pode incluiralteração de voltagem, alteração de freqüência, alteraçãoda forma de onda da energia elétrica fornecida ao motor debomba, ou combinações dos mesmos.

Em um exemplo de uso, alteração inclui mudar ofornecimento elétrico ao motor da bomba a partir daquele deum cenário de operação normal ou esperado ou uma faixa deoperação normal ou esperada. Com o propósito aqui dediscussão, fornecimento elétrico inclui energia, corrente,voltagem, freqüência, e forma de onda. Reduzir a voltagemfornecida a um motor de bomba enquanto alterando afreqüência elétrica fornecida e/ou forma de onda fornecidaa partir de um valor ou faixa de valores de operaçãonormal/esperada pode gerar indutivamente calor na pilha deestatores do motor da bomba. Opcionalmente, um acionamentode velocidade variável pode ser empregado para realizar aalteração. Aqueles versados na técnica têm a capacidade dealterar o fornecimento elétrico de modo que a energiatérmica possa ser gerada utilizando um sistema ESP. Aofornecer eletricidade conforme descrito acima, o rotorcorrespondente pode não girar se a bomba estiver travadapela pressão do fluido viscoso ou ele pode girar em baixasvelocidades em que a eficiência do motor é muito baixadesse modo gerando calor.

Com referência agora à Figura 1, uma modalidadede um sistema ESP tendo um meio de aquecimento é mostradaem uma vista esquemática lateral. Nessa modalidade, umsistema ESP 20 é disposto em um caixão vertical 5,perfurado através do fundo do mar. Uma cabeça de poço 8 éprovida no caixão 5 tendo uma entrada de fluxo 10 e umasaída de fluxo 12. Contudo, o caixão 5 pode também ser umalinha de fluxo horizontal ou inclinada (tal como uma linhade ligação direta ou um cartucho de bomba horizontal) seestendendo ao longo do fundo do mar. O sistema 20compreende um motor ESP 22 (ou motor de bomba) , uma seçãode vedação/equalizadora 24, uma seção de separação opcional28 tendo orifícios de entrada 26 em seu alojamento externo,e uma bomba 30 na extremidade superior do sistema 20. Comoé conhecido, um sistema ESP 2 0 recebe fluido para asentradas 26 onde ele é direcionado para as palhetas dabomba (não mostradas) para a superfície por intermédio detubulação de produção 32.

Um acionamento de velocidade variável 34 que podeser disposto em uma plataforma acima do nível do mar estáem comunicação com o motor ESP 2 2 para controlar asoperações do motor ESP 22. 0 acionamento de velocidadevariável 34 também pode ser usado para alterar a voltagem efreqüência de fornecimento ao motor ESP 22. O acionamentode velocidade variável 34 é mostrado em comunicação com omotor ESP 22 por intermédio da linha 36. Como observadoacima, o acionamento de velocidade variável 34 pode ajustaros parâmetros de operação do motor ESP 22 fazendo com queele gere calor mediante regulação de sua voltagem, ajusteda freqüência de potência, ajuste da forma de onda deenergia fornecida, ou combinações dos mesmos. Esses ajustespodem fazer com que o motor ESP 22 gere mais energiatérmica do que sob operação típica. A energia térmicaproduzida pelo motor ESP 22 pode ser em adição ou em vez daenergia rotacional que é tipicamente fornecida à bomba 30.A energia térmica gerada pelo motor ESP 22 pode ser usadapara aquecer a bomba 30, aquecer o fluido na bomba 30, ouaquecer o fluido a ser bombeado pela bomba 30. O fluido aser bombeado pela bomba 30 pode estar em um espaço próximoàs entradas 26, ou opcionalmente ainda mais abaixo nosistema 20 dentro do caixão 5. O motor ESP 22 pode ou nãogirar quando gerando indutivamente calor.

A transferência do calor gerado pelo motor ESP 22para o fluido entrando na bomba 30 pode ser realizada emuma das formas descritas abaixo. Por exemplo, o fluido podeser aquecido pelo motor ESP 22 quando ele passa pelo motorESP 22 após fluir para dentro do caixão 5. O fluidoaquecido com viscosidade diminuída experimenta menosresistência ao fluxo quando se deslocando para a bomba 30 eatravés das entradas 26, desse modo otimizando obombeamento do fluxo. Opcionalmente, o fluido pode serredirecionado a partir da descarga da bomba 30 para amontante do motor de bomba 22. Similar ao fluido fluindopara dentro do caixão 5, o fluido recirculado absorve aenergia térmica a partir do motor ESP 22 e transporta amesma para as entradas 26 e bomba 30.

Uma linha de recirculação 58 é esquematicamenteilustrada se comunicando com a descarga da bomba 30 com umasaída 59 abaixo do motor ESP 22. Uma válvula 60 na linha derecirculação 58 pode regular o fluxo através da mesma. Aválvula 60 é mostrada em comunicação com o acionamento develocidade variável 34 por intermédio da linha 62 e linha36, e pode ser controlada pelo acionamento de velocidadevariável 34 ou controlada independentemente. Similarmente,se desejado, o óleo aquecido dessa maneira pode serredirecionado para outros locais para aquecer componentestais como válvulas, tubos, árvores submarinas, etc., antesde ser retornado para a saída 59.

Sensores de temperatura podem ser empregados paramonitorar a temperatura do motor ESP 22 e dos fluidosadjacentes ao motor ESP 22. Por exemplo, quando o motor ESP22 atinge uma temperatura designada, o fornecimento deenergia para o motor ESP 2 2 pode ser manipulado, tal comopelo controle de velocidade variável 34 para lentamentegirar o eixo de bomba desse modo puxando o fluido aquecidoa partir de adjacente ao motor ESP 22 para admissão debomba 26. Exemplos de tais ajustes incluem mudanças navoltagem, mudanças na freqüência, ou mudanças na forma deonda. Os perfis de temperatura específicos desejados por umperíodo de tempo específico podem determinar se ajuste defornecimento de energia com base nas leituras detemperatura é realizado intermitentemente ou em uma base decirculação contínua. Um algoritmo de controle pode serempregado para controlar o motor ESP 22; o algoritmo podeser armazenado dentro do controle de velocidade variável 34ou em um controlador separado 38, alojado dentro docontrole de velocidade variável 34. Opcionalmente, oalgoritmo pode estar fora do controle de velocidadevariável 34. Nessa modalidade alternativa os resultados doalgoritmo podem ser comunicados por intermédio de um linkde comunicação 4 0 ao controle de velocidade variável 34 eusado para operar o motor ESP 22.Conforme mostrado na Figura 1, sondas detemperatura 52, 54, 56 são dispostas no caixão 5 econfiguradas para monitorar a temperatura do fluido dentrodo caixão 5 e adjacente ao sistema ESP 20. As sondas detemperatura 52, 54, 56 estão em comunicação com a linha 36por intermédio de linhas respectivas 48, 46, 44.

Consequentemente, medições distintas de temperatura podemser feitas em pontos de fluido dentro do caixão 5 emcomunicação com o controle de velocidade variável 34.

Medições de temperatura adicionais ou alternativas tambémpodem ser gravadas em outros locais onde as leituras detemperatura podem ser relevantes ou de interesse.

Opcionalmente, a temperatura do motor ESP 22 pode serobtida por intermédio das linhas 36, 50 conectadasdiretamente ao motor ESP 22. Uma linha similar 42 provêcomunicação de temperatura entre a linha 36 e a bomba 30. Alinha 36, a qual pode prover energia trifásica ao motor ESP22, também pode ter sinais de dados sobrepostos à mesmapara transmissão para o controle de velocidade variável 34.

Os sinais de dados podem emanar dos sensores de temperaturano fluido, sensores no equipamento, ou da válvula 60. 0acionamento da válvula variável 34 pode ser utilizado demodo que as etapas programadas possam ser realizadas demodo que as operações do motor ESP 22 possam ser ajustadascom base em leituras de temperatura em tempo real.

Opcionalmente, quando o sistema ESP 2 0 não estáem uso, o controle de velocidade variável 34, ou outroesquema de controle de superfície, pode monitorar atemperatura do fluido e/ou a temperatura do motor paradeterminar se existe uma temperatura apropriada debombeamento. 0 controle de velocidade variável 34 pode serconfigurado adicionalmente para energizar o motor ESP 22para aquecimento do sistema ESP 20 para manter temperaturaadequada de bombeamento no sistema 20. Nesse exemplo deuso, a bomba 3 0 e o sistema de bombeamento 2 0 estãocontinuamente aquecendo mesmo em situações quando o sistemaESP 20 não está ao contrário operando.

Com referência à Figura 2, uma vista esquemáticaé mostrada ilustrando um sistema de transferência de calor64 para transferir calor a partir do motor ESP 22 para abomba 30. O sistema de transferência de calor 64 conformemostrado compreende a porção de líquido/inferior 66,arranjada próxima ao motor ESP 22. A porção delíquido/inferior 66 compreende um primeiro e um segundoreservatório 68, 69 disposto em locais diferentes ao longoda superfície do motor ESP 22. Tubos 70 são ilustrados seestendendo entre os reservatórios 68, 69. Nessarepresentação esquemática, o sistema de transferência decalor 64 é um sistema vedado com fluido de vaporização econdensação circulando dentro do sistema vedado.

A energia térmica a partir do motor ESP 22 érepresentada graficamente como por intermédio da seta e Qinmostrado entrando no tubo 70. Nesse estágio do processo, ocalor Qin entrando no tubo 7 0 vaporiza o fluido de trabalhonesse lugar quando ele está entrando no reservatório desaída 69. O fluido vaporizado aquecido flui então a partirdo reservatório 6 9 através da linha de fluxo 71 para umaporção de vaporização/superior 72. A porção devaporização/superior 72 inclui também reservatórioscorrespondentes 74, 75 com tubos 76 se estendendo entre osmesmos. Nessa etapa do ciclo, o fluido vaporizado fluiatravés dos tubos 76 transferindo calor para a bomba 30 econdensa o fluido de trabalho dentro dos tubos 76. Qout esua seta associada representam o calor transferido a partirdo fluido nos tubos 76 para a bomba 30. O fluido condensadoflui a partir dos tubos 76 para dentro do reservatório decoleta 75 e é direcionado através da linha de fluxo 65 parao reservatório 68.

Deve ser observado que a forma de transferircalor a partir do motor ESP 22 para a bomba 30, ou paraoutros componentes do sistema tal como válvulas, árvores,ou tubos, etc., não é limitada ao exemplo esquemáticoprovido na Figura 2. Em vez disso existem modalidades queincluem qualquer tipo de sistema vedado circulando umfluido de transferência térmica de trabalho entre a bomba22 e o motor ESP 30 (ou outros componentes a seremaquecidos). O escopo da presente revelação inclui o uso dequalquer tipo de tubo de calor assim como qualquer sistematermo-sifão é uma opção possível para aplicação com osistéma e aparelho aqui descritos. Adicionalmente, meiopara gerar calor não é limitado à forma indutiva deaquecimento do motor ESP 22 descrito, mas pode incluiroutros modos de aquecer o motor de bomba, tal como medianteaquecimento de resistência dos enrolamentos do motor.

Deve ser entendido que a invenção não é limitadaaos detalhes exatos de construção, operação, materiaisexatos, ou modalidades mostradas e descritas, uma vez quemodificações e equivalentes serão evidentes para aquelesversados na técnica. Nos desenhos e no relatóriodescritivo, foram reveladas modalidades ilustrativas dainvenção e, embora termos específicos sejam empregados,eles são usados apenas em um sentido genérico e descritivoe não têm o propósito de limitação. Consequentemente, ainvenção deve, portanto, ser limitada apenas pelo escopodas reivindicações anexas.

Claims

1. Método para manejo de fluido em um poçocaracterizado por compreender:prover um sistema ESP no poço, o sistema ESPtendo uma bomba, um motor de bomba, e um fornecimento deenergia elétrica em comunicação com o motor de bomba;aquecer indutivamente o motor de bomba para gerara energia térmica;aquecer o fluido no poço com o calor gerado pelomotor de bomba; ebombear o fluido aquecido com a bomba.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda transferir a energiatérmica gerada para o fluido adjacente ao motor.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda transferir a energiatérmica gerada para a bomba.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda transferir a energiatérmica gerada a partir do motor de bomba utilizando ofluido de trabalho vedado em um sistema de transferência decalor.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda detectar a temperaturado motor e/ou do fluido.

6. Método, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado por compreender ainda ajustar a etapa deaquecer indutivamente o motor com base na detecção datemperatura do motor e/ou do fluido.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda transferir calor apartir do motor para os componentes selecionados a partirda lista consistindo em válvulas, árvores, e tubos.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender ainda fornecer voltagem aomotor da bomba em um valor inferior à voltagem fornecidadurante operação normal enquanto fornecendo energia aomotor da bomba em uma freqüência superior do que durante aoperação normal.

9. Método, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado por compreender ainda prover energia ao motorda bomba em uma forma de onda que varia da forma de ondaprovida durante operação normal da bomba.

10. Sistema de bombeamento submergível elétricocaracterizado por compreender:uma bomba tendo uma entrada de fluido;um motor de bomba acoplado à bomba, eum sistema de transferência de calor emcomunicação de energia térmica com o motor da bomba efluido a ser bombeado pela bomba, de modo que o calorgerado pelo motor da bomba pode ser transferido paraaquecer o fluido a ser bombeado e reduzir sua resistênciaao fluxo.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que o sistema de transferênciade calor compreende uma porção de liquido inferior próximaao motor em comunicação de energia térmica com o motor dabomba, uma porção de vaporização/superior em comunicação deenergia térmica com o fluido a ser bombeado, tubo seestendendo entre a porção de líquido inferior e a porção devaporização/superior, e um fluido de trabalho que circulaatravés da porção de líquido inferior, dos tubos, e daporção de vaporização/superior.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que a porção de líquido inferiorcompreende um primeiro e um segundo reservatório e tubos seestendendo entre os reservatórios.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que a porção devaporização/superior compreende um primeiro e um segundoreservatório e tubos se estendendo entre os reservatórios.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que a porção devaporização/superior é disposta adjacente à bomba de modoque a energia térmica transferida a partir da porção devaporização/superior para a bomba pode aquecer o fluido nabomba.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que a porção devaporização/superior é disposta de modo que a energiatérmica transferida a partir da porção devaporização/superior flui para o fluido fora da bomba.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado por compreender ainda um controlador develocidade variável em comunicação elétrica com o motor dabomba, de modo que a manipulação do controlador develocidade variável ajusta a energia elétrica fornecida aomotor da bomba para indutivamente gerar energia térmica.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado por compreender ainda um sensor detemperatura em comunicação com o controlador de velocidadevariável.