BRPI0911212A2 - sistema de separação de misturas gás lìquido por helicóide tubular - Google Patents

Abstract

<B>SISTEMA DE SEPARAçãO DE MISTURAS GáS LìQUIDO POR HELICOIDE TUBULAR.<D> A invenção encontra aplicação na separação seguida de bombeamento de misturas de bifásicas de gás e líquido, na indústria em geral e em particular na indústria de petróleo, em terra ou no mar, através de um separador dotado de uma helicóide tubular (1) que pode ser combinado com bombas (3). Grande parte dos poços de petróleo produz conjuntamente líquido e frações de gás. Esta mistura bifásica de hidrocarbonetos prejudica o desempenho das bombas e escoamento nos dutos, algumas vezes inviabilizando um fluxo continuo com vazões adequadas. Para solucionar este problema é possível utilizar uma helicóide tubular para separar o fluído produzido em duas correntes, uma liquida que é bombeada por equipamentos convencionais, por exemplo: bomba centrifuga submersa (BCS) ou bomba de cavidades progressivas (BCP), e outra de gás livre separado, que pode escoar pela própria pressão de separação ou com acréscimo de energia através de um compressor ou bomba de jato. O fluido de acionamento da bomba de jato (10) poderá ser gás lift proveniente da Unidade de Produção. Após incremento de pressão, as duas correntes são escoadas individualmente em dois dutos distintos até uma UP, que pode estar localizada a grandes distâncias dos poços.

Description

SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS GÁS LÍQUIDO POR

HELICÓIDE TUBULAR

CAMPO DE INVENÇÃO

A presente invenção pertence ao campo dos equipamentos deseparação de misturas bifásicas de gás e líquido, seguido debombeamento; com diversas aplicações industriais, entre elas naprodução de petróleo, em terra ou no mar, onde a produção de um oumais poços de petróleo deve ser transportada por dutos até uma unidadede produção (UP) localizada a quilômetros de distância.ESTADO DA TÉCNICA

Na indústria em geral, diversos processos requerem a separação demisturas bifásicas de líquido e gás. Por exemplo: em sistemas demovimentação de gás natural em gasodutos há formação de condensado,líquido, que deve ser separado em estações de coleta. Também noprocesso de produção e refino de petróleo há necessidade de sistemas deseparação de misturas bifásicas.

A produção de petróleo requer a perfuração de poços de produção einjeção; e a instalação de equipamentos, tais como: árvore de Natal,coletores de produção (conhecidos como manifolds), separadores delíquido e gás, sistemas de elevação, linhas de produção entre a cabeçados poços e a unidade de produção (UP). A UP pode estar localizadasobre uma embarcação, numa plataforma fixa ou em terra.

Geralmente os poços produtores estão distantes, algunsquilômetros, da unidade de produção, sendo necessário o fornecimento deenergia na forma de pressão, de forma que os fluidos possam escoar nadireção da unidade de produção, geralmente com altas vazões paraaumentar a atratividade econômica do projeto.

Diversos métodos de elevação artificial são utilizados para aumentaressas vazões. Um desses métodos utiliza bombas, como, por exemplo:bombas centrífugas submersíveis (BCS) usualmente instaladas no fundodos poços produtores de petróleo e acionadas por motor elétrico, sendoconhecidas em inglês por electrical submersible pump (ESP).

Muitos dos poços produzem hidrocarbonetos na forma de fluxobifásico, mistura de líquido e gás; e quanto maior a fração de gás livremaior a dificuldade para bombeio, pois a presença de gás prejudica odesempenho das bombas e o próprio escoamento, que dependendo dageometria da linha de produção pode apresentar golfadas, fenômeno físicointermitente e indesejável, pois dificulta a estabilização da operação daplanta de separação e produção. Além disso, na produção de poçossubmarinos, o escoamento bifásico de líquidos e gases, em condições debaixas temperaturas e altas pressões, pode sofrer bloqueios por hidratos.

A partir da patente US 4.900.433 seguido dos pedidos de patentesUS 20090211764 e US 20090211763, já é conhecido que um sistema deseparação (liquido gás) e bombeio baseado num separador vertical deanular posicionado internamente a um vaso separador que é alojadodentro de um poço falso (dummy) no solo marinho, construído com afinalidade de acomodar o separador, onde o fluxo de petróleo sem gás ébombeado através de uma bomba do tipo BCS e o fluxo de gás fluinaturalmente devido a baixa contra pressão do riser de gás. Existe umsistema de controle de nível para controlar os fluxos de gás e líquido porduas linhas de produção independentes. Para aplicações em águasprofundas requer pressões de separação maiores e grande espessura deparede, o que encarece e dificulta a construção do corpo do separador quetem seu diâmetro aumentado devido à localização da helicóide, do tubocoletor de gás e da BCS internamente ao referido corpo do separador.Outra limitação é o diâmetro do separador que fica restrito ao maiordiâmetro de poço viável. Além disso, a pressão de separação deve sermaior do que a soma da pressão de entrada na UP e a contra pressão dalinha a jusante do separador, resultado da perda de carga e diferença deelevação entre o separador e a UP.O pedido Pl 0504586-0 descreve um sistema de módulo deaquecimento integrado com outros equipamentos submarinos. Igualmentea US 4900433, o diâmetro do separador fica limitado pela espessura deparede da cápsula e diâmetro de poço, viáveis tecnicamente.

Os sistemas descritos acima, Pl 0504586-0 e US 4900433, possuemuma pressão de separação, usualmente acima de 10 Kg/cm2, já que nãosão previstos dispositivos para fornecer pressão para a linha deescoamento de gás para compensar a contra pressão na linha deexportação de gás.

As patentes Pl 9601118-1, Pl 8506299-5 e Pl 8300396-7 descrevemdiversos sistemas de aquecimento elétrico indutivo onde uma helicóide éutilizada para aquecimento de um fluído, existindo em tais equipamentossomente uma entrada e uma saída de fluído, sem qualquer separação delíquido e gás.

As deficiências, acima descritas do estado da arte, são superadasde acordo com a presente invenção pelo uso de um sistema de separaçãobifásica, líquido e gás, seguido de bombeamento; concretizado por umahelicóide tubular, apoiada sobre o solo marinho ou terrestre, dotado degeometria e dispositivos que facilitem sua instalação e recuperação,podendo opcionalmente ser dotado de um elemento que fornece energiaao fluxo de gás da saída, por exemplo: uma bomba de jato movimentadapor gás lift, permitindo pressões de separação menores do que sistemassemelhantes ao da patente US 4900433.

Basicamente, o fluido é admitido e separado em duas correntes,uma de líquidos que é bombeada por equipamentos convencionais, e umacorrente de gás que escoa com ou sem auxilio de sistemas paraacréscimo de pressurização, que podem ser: compressores ou bombas dejato. Após o incremento de pressão, as duas correntes serão direcionadaspara uma UP que pode estar localizada a grandes distâncias dos poços.

Em aplicações submarinas tal sistema poderá ser integrado com outrossistemas submarinos, por exemplo: sistemas de separação de água/ óleoou sistemas de aquecimento.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção tem por objetivo principal, criar um sistema deseparação bifásica, líquido e gás, seguido de bombeamento baseadonuma helicóide tubular, que facilita a fabricação e instalação do sistema.Além disso, a configuração de helicóide tubular facilita a integração comoutros sistemas, por exemplo: bombas de jato, sistemas de aquecimentoelétrico indutivo e sistemas de separação água e óleo. Com dois fluxos desaída: um de líquido que é bombeado por equipamentos convencionais, eoutro de gás que escoa com ou sem auxilio de um sistema para acréscimode pressão, que pode ser, por exemplo: uma bomba de jato acionada porgás lift. A utilização de uma bomba de jato ou sistema de compressão nalinha de exportação de gás permite operar com pressões de separaçãomenores. A bomba de jato poderá ser acionada, por exemplo: por gás Iift.

Existem diversos tipos de bombas que podem ser utilizadas entreelas, as bombas centrífugas submersas conhecidas por BCS e bombas decavidades progressiva conhecidas como BCP, ambas muito utilizadas naindústria de petróleo.

Alguns óleos, principalmente pesados, formam emulsões quedificultam a separação líquido gás, requerendo um fornecimento de calor,pode ser operacionalizado pela integração do sistema objeto deste pedidocom um sistema de aquecimento elétrico indutivo ou através da instalaçãoda helicóide no interior de um vaso de pressão por onde escoa um fluídoaquecido, por exemplo: vapor d'água ou ar quente. Tal integração reduz onúmero de equipamentos da planta de separação, conseqüentementereduz seus peso e custos, tendo aplicações tanto em terra como no mar(onshore e offshoré).

Os principais parâmetros para projeto de um separador helicoidaltubular são:- espessura de parede do tubo base;

- diâmetro do tubo base da helicóide;

- diâmetro da helicóide;

- numero de voltas da helicóide;

- passo, que é a distância entre duas voltas consecutivas.

A presente invenção apresenta as seguintes vantagens:

- espessura de parede menor, já que seu dimensionamento dependesomente das pressões envolvidas e diâmetro do tubo base;

- é possível diversas combinações de número de voltas, diâmetro dahelicóide, e passo; sem influir na espessura de parede do tubo base quedepende basicamente do diâmetro do tubo base e das condições depressão e temperatura;

- é mais econômica e simples a compra de dezenas de metros de um tubocurvado do que a fabricação de um vaso de pressão de diâmetro eespessuras maiores;

- as espessura de parede do tubo ou vaso coletor de gás e a helicóide sãoindependentes, ou seja, uma não penaliza a espessura requerida da outra;

- a helicóide pode ser combinada com um sistema de aquecimento elétricoindutivo;

- o separador helicoidal tubular é mais compacto e não necessita daconstrução de poço para seu alojamento, admitido concretizações com ohelicóide na vertical ou na horizontal;

- a helicóide tubular pode ser alojada num vaso trocador de calor,viabilizando o aquecimento ou resfriamento simultaneamente com aseparação;

Em aplicações submarinas, o separador, a bomba de líquido e abomba de jato ou compressor podem ser alojados num único ou emmódulos independentes, de forma a ser possível sua fácil recuperação poruma embarcação, através de operação a cabo. Tais módulos podem serverticais ou horizontais, instalados e recuperados por Sonda com drill pipeou embarcação com cabo, alojados integralmente ou parcialmente emfuros revestidos ou externamente acima do solo marinho montados emestruturas do tipo base (skid) facilitando sua recuperação por cabo oucoluna tubular roscada (drill pipe). Tais sistemas poderão ser aindaintegrados a outros sistemas submarinos, tais como e não limitados a:sistema de separação água/ óleo, sistema de aquecimento, etc.

Embora algumas das modalidades se refiram à técnica para aconstrução de um sistema de separação e bombeio, localizado no solomarinho ou em terra, entre a cabeça do poço ANM e a UP; para um especialista é fácil a dedução de outras possibilidades de concepção eintegração, com outros sistemas submarinos e de superfície nãoexplicitados na presente, por exemplo, integração com sistemas deaquecimento do óleo.

O presente sistema compreende algumas modalidades, que serão mais bem detalhadas nas diversas Figuras que acompanham o presentepedido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 mostra uma helicóide tubular, elemento básico do objetoda invenção.

A Figura 2A mostra um fluxograma de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, dotada de uma helicóide vertical.

A Figura 2B mostra em detalhe uma helicóide.

A Figura 2C mostra detalhe de uma tomada de retirada de gás.

A Figura 3 mostra um fluxograma de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, dotada de uma helicóide horizontal.

A Figura 4 mostra uma concretização, de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, num arranjo vertical para aplicações nasuperfície, com a bomba (3) posicionada verticalmente.A Figura 5 mostra uma concretização, de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, num arranjo vertical para aplicações nasuperfície, com a bomba (3) posicionada horizontalmente.

A Figura 6 mostra uma concretização, de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, num arranjo vertical para aplicações emambiente submarino.

As Figuras 7A e 7B mostram uma concretização, de um sistema deseparação líquido gás, objeto da invenção, num arranjo horizontal.

A Figura 8 mostra uma concretização, de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, encapsulado num vaso de pressão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Para todas as Figuras serão utilizadas a seguinte lista de referênciade componentes:

1 - helicóide tubular ou simplesmente helicóide

2 - cápsula da bomba

3 - bomba

4 - protetor

5 - motor elétrico

6 - vaso de separação

7 - demister ou retentor de gotas

8 - coletor de gás

9 - placas dotadas de orifício ou simplesmente placas

10 - bomba de jato

11 - válvula de bloqueio

12 - linha de fluxo bifásico

13 - coletor de líquido

14 - linha de fluído motriz

15 - linha de exportação de gás

16 - linha de líquido separado

17 - tomada para retirada de gás ou simplesmente tomada18 - nível de líquido

19 - linha de gás separado

20 - pescoço para interface para ferramenta de instalação

21 - conector

22 - estrutura ou módulo

23 - vaso trocador de calor

24 - entrada de fluído quente

25 - saída de fluído resfriado

26 - base de apoio

27 - solo marinho

28 - flange

A Figura 1 mostra uma helicóide tubular, elemento básico do objetoda invenção, onde são indicados os parâmetros principais da mesma, ou seja:

e - espessura de parede do tubo base

d - diâmetro do tubo base

D - diâmetro da helicóide

L - Comprimento da helicóide

N - numero de espiras

P- passo, que é igual a relação L/N

A Figura 2A mostra um fluxograma de um sistema vertical deseparação bifásica, líquido e gás, objeto da invenção, composto por: umhelicóide tubular (1), cápsula da bomba (2), bomba (3), protetor/selo (4),motor elétrico (5), vaso de separação (6), retentor de gotas (7), coletor degás (8), orifício (9), bomba de jato (10), válvula de bloqueio (11), linha defluxo bifásico (12), coletor de líquido (13), linha de fluído motriz (14), linhade exportação de gás (15), linha de líquido separado (16), tomada (17),nível de líquido (18) e linha de gás separado (19).Os elementos, bomba de jato (10) e linha de fluído motriz (14), sãoopcionais e somente necessários quando se pretende efetuar a separaçãoem baixa pressão.

Nesta concretização, o petróleo é admitido na helicóide tubular (1),vertical, que submete o fluxo a uma expansão seguida de uma forçacentrifuga resultante da combinação da curva da helicóide (1) com agravidade nos trechos de descida. Tal expansão seguida da aplicação deuma força centrifuga promove a separação do gás livre do líquido, que éforcado para a periferia da helicóide (1), com o gás se acumulando naparte mais interna e no topo das curvas do helicóide (1). Tomadas (17)posicionadas em determinados pontos da helicóide (1) promovem aretirada do gás separado.

As tomadas (17) possuem placas removíveis dotadas de pequenosorifícios (9) ou rasgos, que permitem a passagem preferencial de gás;podendo ser testadas e calibradas para otimizar a separação. Tais placas(9) são fabricadas com materiais extremamente resistentes, tais como:monel, inconel (full clad) ou carbeto de tungstênio. Numa concretizaçãoalternativa, no lugar das placas (9) poderão ser utilizados elementos dotipo válvula (choke), não mostradas na Figura, que permitem furosreguláveis tanto manualmente como remotamente através de comandoselétricos ou hidráulicos.

Após a separação completa, a corrente líquida resultante ébombeada pela bomba (3). A corrente gasosa flui pela própria pressão deseparação ou pode ser ajudada através de um compressor ou bomba dejato (10), para vencer a contra pressão da linha e pressão do sistema deseparação da UP. O fluido motriz para acionamento da bomba de jato (10)pode ser um líquido ou gás proveniente da UP, por exemplo: gás lift.

Embora não faça parte da invenção diversos tipos de sistemas decontrole de nível poderão ser utilizados para manter o nível (18) do vasode separação (6).O sistema de separação mostrado é do tipo estático por helicóide(1). Outros tipos de separadores estáticos ou dinâmicos podem serutilizados com pequenas modificações no arranjo do sistema.

A Figura 2B mostra em detalhe uma helicóide tubular (1).

A Figura 2C mostra detalhe de uma tomada de retirada de gás (17),onde uma placa dotada de orifícios (9) é instalada entre um par de flanges(28). Tal placa pode ser substituída por outra com diferente diâmetro doorifício permitindo testes, calibração e otimização do sistema.

A Figura 3 mostra um fluxograma de um sistema horizontal deseparação, líquido gás, objeto da invenção. As diferenças entre estamodalidade e a modalidade descrita na Figura 1 são: a posição dahelicóide (1) que é horizontal ao invés de vertical e a localização dastomadas (17) tanto para gás como para líquido.

A Figura 4 mostra uma concretização da invenção, num arranjovertical de superfície, de um sistema de separação líquido gás, com abomba (3) posicionada verticalmente. Os elementos indicados na Figura jáforam descritos nas Figuras anteriores.

A Figura 5 mostra uma concretização da invenção, num arranjovertical de superfície, de um sistema de separação líquido gás, com abomba (3) posicionada horizontalmente. Os elementos são semelhantesaos indicados na Figura 4.

A Figura 6 mostra uma concretização da invenção, num arranjovertical submarino, de um sistema de separação líquido gás. Sãoindicados os elementos: pescoço para interface para ferramenta deinstalação (20), conector (21) e estrutura (22). Ainda são indicados,somente para referência, o fundo do mar (27) e uma base de apoio (26)onde são interligas os dutos de entrada e saída, não mostrados na Figurae que não fazem parte do presente pedido. Os demais elementos já foramdescritos nas Figuras anteriores.A Figura 7A mostra uma concretização, num arranjo horizontal, deum sistema de separação líquido gás, objeto da invenção. Os elementosindicados na Figura já foram descritos nas Figuras anteriores. Os coletoresde gás (8) e de líquido (13) apresentam pequena inclinação, por exemplo:5 graus, para facilitar o escoamento de líquido para o vaso de separação(6).

A Figura 7B mostra uma vista em corte da Figura 7A.

A Figura 8 mostra uma concretização, de um sistema de separaçãolíquido gás, objeto da invenção, onde uma helicóide tubular (1) éencapsulada num vaso trocador de calor (23), onde um fluído promove umaquecimento em sentido contra corrente da mistura bifásica. Ainda sãoindicados, bocal de entrada (24) e bocal de saída (25), do fluído quente.Em determinadas aplicações industriais, juntamente com a separaçãopretende-se promover um resfriamento das correntes. Neste caso, umfluído frio é utilizado para resfriar ao invés de aquecer como acimadescrito.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação às suasmodalidades preferidas, é óbvio a um especialista na arte que sãopossíveis várias alterações e modificações sem se afastar do escopo dapresente invenção, que está determinado pelas reivindicações anexas.

Claims (15)

1. Sistema de separação, líquido e gás, podendo ser seguido debombeamento, para correntes bifásicas em geral, caracterizado ecomposto por:- Um helicóide tubular (1);- Pelo menos uma bomba de líquido (3), por exemplo: uma BCS;- Um conjunto de tomadas (17) dispostas na helicóide tubular (1)em regiões de acumulo de gás- Um tubo coletor de gás (8);- Um tubo coletor de líquido (13);

2. Sistema de separação, líquido gás, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por:- a helicóide (1) é montada na posição vertical e o fluxo édescendente;- o gás é retirado por meio de tomadas (17), posicionadas naextremidade interna da helicóide (1);- o líquido é retirado no final da helicóide (1);

3. Sistema de separação, líquido gás, de acordo com areivindicação 1 , caracterizado por:- a helicóide (1) é montada na posição horizontal;- o gás é retirado através de tomadas (17), posicionadas naextremidade superior da helicóide (1);- parte do líquido é retirada através de tomadas (17), posicionadasna extremidade inferior da helicóide (1);

4. Sistema de separação e bombeio, de acordo com a reivindicação-1 a 3, com baixa pressão de separação, dotado de:- pelo menos uma bomba de jato (10), acionada por um fluidomotriz, que reduz a pressão de separação.

5. Sistema de separação, líquido gás, de acordo com asreivindicações 1 a 3, caracterizado por:- ao invés de placas (9) são instaladas válvulas do tipo choke, nastomadas (17) para retirada do gás;- tais válvulas podem ser manuais ou operadas remotamente.

6.Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 4, onde o fluidomotriz da bomba de jato (10) é gás Hft proveniente da UP.

7.Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 4, onde o fluxo deacionamento da bomba proveniente da UP1 é um líquido, por exemplo:óleo morto, ou diesel, ou água, etc.

8. Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, para aplicaçõessubmarinas, onde as bombas (3) e a helicóide (1) estão localizados nummesmo módulo (22), ou em módulos independentes, de fácil instalação erecuperação, por exemplo a cabo.

9. Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, concretizado poruma helicóide (1), vertical, caracterizado por:- a bomba (3) pode estar integrada num único módulo com ahelicóide (1), ou em módulo individual que poderá estar posicionadovertical ou horizontalmente.

10. Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, concretizadopor uma helicóide (1), caracterizado por:- o sistema estar localizado em terra, ou sobre uma plataforma ou nofundo do mar.

11. Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizadopor:- a helicóide (1) é também utilizada e integrada com um sistema deaquecimento elétrico indutivo

12. - Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizadopor;- a bomba (3) pode do tipo BCS, BCP ou outro tipo de bomba- o motor pode ser refrigerado pelo próprio óleo produzido ou pormeio externo, como o ar ou a água do mar.

13. Sistema de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizadopor:- a helicóide (1) é encapsulado num vaso trocador de calor (23),onde um fluído externo promove um aquecimento em sentido contracorrente ao fluxo da mistura bifásica;- o fluído de aquecimento pode ser: vapor, ar quente ou corrente dehidrocarboneto quente.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, concretizado poruma helicóide (1), caracterizado por:- ao invés de um fluído quente é circulado um fluído frio para resfriaras correntes separadas.

15. Sistema de separação e bombeio, para aplicações industriaisem geral, caracterizado por:- a linha de gás (19) é dotada de pelo menos uma bomba de jato(10), acionada por um fluido motriz, que reduz a pressão de separação.