BRPI1005205A2

BRPI1005205A2 - mÉtodo para fornecer energia elÉtrica auxiliar e instalaÇço de poÇo subaquÁtica

Info

Publication number: BRPI1005205A2
Application number: BRPI1005205-4A
Authority: BR
Inventors: Parag Vyas; Ashalatha Devarajan; Matthew Alexander Lehar; Nicholas Ellson; Peter John Davey
Original assignee: Vetco Gray Controls Ltd
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2013-04-02
Also published as: SG191667A1; US20110143175A1; MY156036A; CN102102534B; CN102102534A; AU2010253485A1; EP2336483A2; GB2476238B; US8657011B2; GB2476238A; GB0921858D0; SG172590A1

Abstract

MÉTODO PARA FORNECER ENERGIA ELÉTRICA AUXILIAR E INSTALAÇçO DE POÇO SUBAQUÁTICA. Um método para fornecer energia elétrica auxiliar para uma instalação de poço subaquática, em que a instalação está ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical, para suplementar energia elétrica recebida na instalação do cabo umbilical, que compreende as etapas de: fornecer meios de geração de energia na instalação; e fornecer uma linha de saída de energia elétrica para transferir energia elétrica gerada pelos meios de geração de energia para a instalação.

Description

"MÉTODO PARA FORNECER ENERGIA ELÉTRICA AUXILIAR E INSTALAÇÃO DE POÇO SUBAQUÁTICA"

Esta invenção refere-se a um método de fornecimento de energia elétrica em uma instalação subaquática, um método para fornecer energia elétrica auxiliar para uma instalação de poço subaquática, sendo que a instalação é ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação a partir do cabo umbilical, uma instalação de poço subaquática e uma dependência que inclui essa instalação. As instalações subaquáticas, por exemplo, poços de extração de

hidrocarboneto submarinos e campos de poço que têm inúmeros desses poços, são tipicamente supridas com energia elétrica de uma superfície ou fonte com base terrestre através de núcleos de cobre isolados dentro de um cabo umbilical. Tipicamente, esses cabos umbilicais também transportam linhas de energia hidráulica, permitindo determinada funcionalidade de controle no poço, e linhas de fluxo químico para prestam assistência ao poço.

À medida que um cabo umbilical atua, o isolamento ao redor dos núcleos de cobre pode reduzir, por exemplo, através do ingresso de água ou degradação química. Os núcleos por si mesmos também podem degradar. Essa degradação pode resultar em uma redução na capacidade de os núcleos transmitirem eletricidade de modo que o poço seja incapaz de funcionar adequadamente. Atualmente, a única solução para esse problema é substituir o cabo umbilical, o que é muito dispendioso.

Adicionalmente, é freqüente o caso em que os campos desenvolvidos no passado atingem o fim da vida útil da infraestrutura, mas ainda podem ser capazes de produzir de hidrocarbonetos. Os operadores podem, portanto, ter a necessidade de aprimorar a infraestrutura a fim de estender a vida útil do campo. A estrutura aprimorada usualmente tem um consumo de energia mais elevado do que o desenvolvimento original, por exemplo, devido à necessidade de mais sensores para monitorar o envelhecimento do equipamento, eletrônicos geralmente aumentados e mais medições de fluido produzido devido às alterações etc.

O umbilical original deverá ser projetado para atender às

solicitações de energia originais e, portanto, pode ser inadequado para o equipamento aprimorado. Os operadores se encontram, então, diante da escolha por substituir o umbilical, que conforme observado acima é muito dispendioso ou limitar a quantidade de equipamento instalado abaixo do nível do mar, que é comercialmente indesejado.

Os sistemas que têm formas de geração de energia subaquática são conhecidas.de US 2006/0006656,.US 2005/0179263, W02009/122174, GB 1595529, US 4112687, WO 97/23708, US 2006/016606, XP002532127 (OTC 15366, 5 de maio de 2003, pp 1 a 8), US 4781029 e US 3568140. Um objetivo da presente invenção consiste em abordar os

problemas descritos acima. Em particular, a invenção fornece uma alternativa muito mais barata para a solução drástica de substituir o umbilical, e permite aprimoramentos sem limitações. Esse objetivo é alcançado ao fornecer meios de geração de energia auxiliar na instalação para suplementar a energia recebida na instalação a partir do umbilical. Em uma modalidade particular, os meios de geração de energia auxiliar compreendem uma bateria de fluxo químico.

Com o uso da invenção, uma ou outra ou ambas dentre a voltagem e corrente transportadas pelo cabo umbilical podem ser aumentadas para atingir as demandas do equipamento de árvore de poço.

De acordo com o primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para prover energia elétrica auxiliar para uma instalação de poço subaquática, sendo que a instalação é ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação a partir do cabo umbilical, que compreende as etapas de: fornecer meios de geração de energia na instalação; e fornecer uma linha saída de energia elétrica para transferir a energia elétrica gerada pelos meios de geração de energia para a instalação.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um método para prover energia elétrica em uma instalação subaquática, que compreende as etapas de:

fornecer uma bateria de fluxo químico na instalação; fornecer um canal de suprimento químico para suprir a bateria de

fluxo com produtos químicos operacionais com a finalidade de gerar energia elétrica; e

fornecer uma linha de saída de energia elétrica para transferir a energia elétrica gerada pelo fluxo de bateria para a instalação. De acordo com o terceiro aspecto da presente invenção, é

fornecido um método para prover energia elétrica auxiliar para uma instalação de poço subaquática, sendo que a instalação é ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação a partir do cabo umbilical, que compreende as etapas de:

fornecer uma bateria de fluxo químico na instalação; fornecer um canal de suprimento químico para suprir a bateria de fluxo com produtos químicos operacionais com a finalidade de gerar energia elétrica, sendo que o canal de suprimento químico compreende uma linha de fluxo alojada no cabo umbilical; e

fornecer uma linha de saída de energia elétrica para transferir a energia elétrica gerada pela bateria de fluxo para a instalação.

De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecida uma instalação de poço subaquática que compreende uma bateria de fluxo químico.

De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é fornecida uma dependência que compreende uma instalação de poço subaquática de acordo com o quarto aspecto, uma localização de superfície e um cabo umbilical ligado à localização de superfície e instalação, sendo que o cabo umbilical é disposto para suprir energia elétrica para a instalação e fornecer produtos químicos operacionais para a bateria de fluxo a partir da localização de superfície.

A invenção é descrita com referência às figuras em anexo, dos

quais:

A-Figura- 1 mostra, esquematicamente uma primeira modalidade da invenção com uma disposição para aumentar a corrente e/ou voltagem suprida para um poço;

A Figura 2a mostra esquematicamente uma vista ampliada de parte do aparelho da Figura 1 configurado para aumentar a corrente suprida para um poço;

A Figura 2b mostra esquematicamente uma vista ampliada de parte do aparelho da Figura 1 configurado para aumentar a voltagem suprida para um poço; e

A Figura 3 mostra esquematicamente outra modalidade da invenção com uma disposição para fornecer energia elétrica diretamente a um equipamento de poço.

A Figura 1 mostra esquematicamente uma primeira modalidade da presente invenção, configurada para o uso em que a corrente elétrica e/ou voltagem suprida a partir de uma localização de superfície para instalação de poço abaixo do nível do mar através de um cabo umbilical 1 é limitada para menos do que a exigência de campo de poço, por exemplo, devido à degradação dos núcleos de cobre do umbilical 1 ou exigências elevadas de equipamento de poço aprimorado.

O cabo umbilical 1 é mostrado transportando três linhas diferentes: uma linha de energia elétrica 2 que geralmente transporta corrente CA para a instalação e duas linhas de fluxo químico 3, 4. Tipicamente, existirão várias outras linhas presentes, por exemplo, linhas de controle hidráulicas, outras linhas elétricas e químicas, que não são mostradas no presente documento por motivos de clareza. Em uma modalidade vantajosa, uma ou outra ou ambas as linhas de fluxo químico 3, 4 podem compreender linhas reserva, como linha de fluido hidráulico desusadas no umbilical, isto é, linhas que foram originalmente destinadas a transportar fluido hidráulico entre a superfície e a instalação. Essa disposição auxilia no melhoramento da presente invenção em relação aos sistemas existentes. Outras linhas reserva, por exemplo, linhas de suprimento químico reserva, também podem ser usadas. O umbilical 1 termina abaixo do nível do mar em uma montagem

de terminação umbilical (UTA) 5, a qual pode estar localizada em vários locais na instalação, por exemplo, em uma cabeça de poço se a manutenção for realizada manualmente, ou em uma localização central se for necessária a manutenção em um campo de poços. A linha de energia elétrica 2 fornece energia para uma árvore de

poço 20 através da UTA 5 e uma linha elétrica 12, assim como um transformador 14 conforme será descrito posteriormente. A linha de fluxo químico 3 atua como um canal de suprimento químico para suprir produtos químicos operacionais para uma bateria de fluxo químico 7, enquanto, nessa modalidade, a linha de fluxo 4 atua como um canal de retorno ou remoção de produto químico para retornar produtos químicos gastos da bateria de fluxo 7 para a superfície. As linhas de fluxo 6 e 8 são fornecidas para transportar produtos químicos operacionais e produtos químicos gastos da bateria de fluxo 7, respectivamente. Tanto a linha 6 quanto 8 se conectam entre UTA 5 e bateria 7.

Nesta modalidade, os produtos químicos gastos usados pela bateria de fluxo são retornados para a UTA 5 através da linha 8 e de volta para a localização de superfície através de um tubo reserva 4 no umbilical 1. Os produtos químicos gastos podem ser recarregados na localização de superfície e retornados para a bateria de fluxo subseqüentemente.

Os produtos químicos operacionais usados pela bateria de fluxo 7 compreendem tipicamente espécies eletroativas dissolvidas em um eletrólito, com a bateria 7 compreendendo uma célula eletromecânica (não mostrada) para converter energia química em energia elétrica.

Quando os produtos químicos operacionais são supridos para a bateria de fluxo 7, isto gera uma saída de CC que é passada para um inversor eletrônico 10 através da conexão 9. O inversor 10 converte a entrada de CC para CA. A saída de CA é automaticamente faseada no canal de suprimento químico com o suprimento de CA do umbilical, com o uso de informações de fase obtidas através da linha de sinal 13. Em mais detalhes, os eletrônicos de controle interno do inversor monitoram, através da linha 13, o suprimento de CA do umbilical, e ajustam a freqüência do inversor e a fase de saída para corresponder exatamente ao suprimento de CA do umbilical. A tensão de saída é maximizada, sendo que a tensão possível é dependente da tensão e corrente de suprimento disponíveis junto à bateria de fluxo 7. Somente quando isto é alcançado, a saída do inversor é comutada para a conexão de saída. A saída do inversor 10 é conectada ao transformador 14 através da conexão 11. A Figura 2a mostra as conexões do transformador 14 em vista

ampliada (isto é, mostra uma vista em zoom da área circulada na Figura 1). Na modalidade mostrada, as conexões são configuradas para fornecer corrente adicional para a árvore do poço 20. No presente, pode ser visto que as saídas do inversor 10 e do umbilical 1 são efetivamente conectadas em paralelo. Um conjunto de enrolamentos do transformador 14 está em série com a saída do inversor 10, enquanto o outro conjunto de enrolamentos está ao longo da saída do umbilical 1. Os dois conjuntos de enrolamentos são substancialmente equilibrados. Desta maneira, a corrente de saída do inversor 10 suplementa a corrente do umbilical 1, de tal modo que a corrente alimentada à árvore do poço 20 seja maior que estas correntes de entrada individuais.

A Figura 2b mostra uma configuração alternativa para a Figura 2a, onde as conexões são configuradas para fornecer tensão adicional à árvore do poço 20. No presente contexto, pode ser visto que as saídas do inversor 10 e do umbilical 1 são efetivamente conectadas em série, e em fase com o suprimento umbilical. Unxconjunto de enrolamentos do transformador 14' está em série com a saída do inversor 10, enquanto o outro conjunto de enrolamentos está em série com a saída do umbilical 1. O transformador 14' é desequilibrado, de modo que há um número maior de enrolamentos em série com a saída do inversor que a saída do umbilical. Com o uso desta configuração, a saída de tensão 16 para a árvore do poço 6 é elevada para se tornar maior que a tensão de entrada 15 recebida do umbilical.

Se tanto a tensão quanto a corrente requeridas pela árvore do poço 20 forem maiores que a saída através do umbilical 1, então, uma configuração pode ser empregada, a qual inclui tanto a configuração da Figura 2a quanto a configuração da Figura 2b, isto é, dois inversores e transformadores poderiam ser empregados.

A Figura 3 mostra esquematicamente uma outra modalidade da invenção com uma disposição para fornecer energia elétrica CC diretamente para o equipamento na árvore do poço 20.

A disposição mostrada tem, principalmente, componentes similares àqueles da Figura 1, e não precisa ser descrita adicionalmente. A principal diferença é que a saída de CC da bateria de fluxo 7 é enviada diretamente aos componentes (não mostrados) da árvore do poço 20, isto é, não é requerido inversor ou transformador. Obviamente, componentes elétricos padrão (não mostrados), por exemplo, redes de resistência, podem ser usados para assegurar que a corrente e a tensão supridas pela bateria de fluxo sejam adequadas para os componentes da árvore do poço em questão.

Além disso, a Figura 3 mostra também uma disposição através da qual os produtos químicos gastos usados pela bateria de fluxo 7 não são diretamente retornados para a superfície, mas em vez disso são alimentados e armazenados em um tanque de armazenamento 17 localizado abaixo do nível do mar. Este tanque 17 pode ser esvaziado periodicamente ou retornados para a superfície conforme exigido.

As modalidades descritas acima são apenas exemplificativas e várias alternativas são possíveis no escopo das reivindicações.

O faseamento automático da saída de CA do inversor 10 com suprimento de CA do umbilical pode ser alcançado de uma maneira diferente daquela descrita acima. Por exemplo, em vez de usar uma linha de monitoramento dedicado 13, os eletrônicos de controle interno do inversor 10, que são alimentados por uma fonte de CC, podem "observar" a conexão de CA da saída e ajustar a freqüência do inversor em conformidade para corresponder a do suprimento do umbilical. Quando isto é alcançado, a saída do inversor pode, então, ser comutada para a conexão de saída, de tal modo que saída do inversor de CA seja agora conectada ao suprimento de CA do umbilical. Os eletrônicos de controle interno ajustam agora a tensão de saída e a fase do inversor para maximizar a corrente de saída em fase do inversor, que é dependente da tensão e da corrente de suprimento disponíveis junto à fonte de CC.

As linhas no cabo umbilical usadas para os produtos químicos gastos ou operacionais podem ser linhas dedicadas ou, alternativamente, podem ser linhas reservas (por exemplo, linhas de fluido hidráulico ou químico não usadas).

Embora as modalidades especificamente descritas mostrem disposições através das quais os produtos químicos gastos usados pela bateria de fluxo são retornados para a superfície ou armazenados abaixo do nível do mar, pode ser possível ventilar isto para a água circundante, se isto for ambientalmente aceitável. Uma alternativa adicional consiste em dispor os produtos químicos gastos embaixo de um poço de injeção de água local.

O sistema subaquático pode usar uma combinação de configurações de bateria, por exemplo, aquelas mostradas nas Figuras 2a, 2b e 3. Estas podem ser dispostas com o uso de uma única bateria que é eletricamente comutada entre rotas, ou baterias separadas com rotas dedicadas ou uma combinação destes. A bateria poderia ser usada em conjunto com outras fontes de geração de energia, por exemplo, turbinas acionadas por corrente oceânica.

A bateria e/ou UTA pode estar localizada em várias posições em uma instalação subaquática, por exemplo, em uma árvore do poço, tubulação, módulo dedicado etc.

Embora as modalidades descritas acima foquem em instâncias onde um umbilical envelhecido é inadequado para o propósito, o uso de baterias de fluxo não está limitado a estas situações e podem ser empregados como de costume em instalações subaquáticas, por exemplo, para fornecer energia emergencial ou de reserva no caso de uma falha. Do mesmo modo, a bateria poderia ser usada para alimentar uma variedade de diferentes componentes subaquáticos, se localizados em uma cabeça de poço ou não.

Em uma modalidade alternativa, uma linha de injeção química existente pode ser usada como canal de suprimento químico para a bateria de fluxo. Neste caso, os produtos químicos operacionais para a bateria de fluxo podem ser combinados, por exemplo, na localização de superfície, com um produto químico adicional necessário para a operação da instalação, de modo que estes produtos químicos sejam supridos à instalação juntos na mesma linha. O exemplo de tais produtos químicos adicionais são monoetileno glicol (MEG) e metanol, que são amplamente usados para poços de manutenção. Nesse caso, o fluido químico combinado pode fluir através da bateria de fluxo e, então, ser injetado no fluido de produção (isto é, óleo ou gás) produzido pelo poço. Isto é enviado para a superfície ao longo de uma linha de retorno de fluido de produção padrão, com os componentes separados na superfície conforme apropriado.

Todas as modalidades descritas acima se referem ao uso de baterias de fluxo. No entanto, meios de geração de energia alternativa podem ser empregados na instalação subaquática a fim de suplementar a energia recebida do umbilical. Tais meios de geração de energia incluem:

- Geração de energia termoelétrica

O fluido de produção de um poço de hidrocarboneto está tipicamente a uma temperatura superior que a água próxima à instalação, devido ao aquecimento geotérmico. Este temperatura elevada pode ser usada para obter energia elétrica. Tal geração pode envolver um processo de ciclo Rankine, por exemplo. Neste instante, o dióxido de carbono supercrítico (CO2) pode ser usado como um fluido de trabalho, com a água do mar como um dissipador de calor. O dióxido de carbono pode ser aquecido através do contato com a parede de tubulação do fluido de produção (por exemplo, óleo ou gás) e atravessar através de uma expansão- ciclo de condensação, conforme conhecido na técnica. Os dilatadores adequados incluem dilatadores do tipo parafuso ou turbinas de fluxo interno radial, por exemplo. Alternativamente, um processo de ciclo Rankine orgânico poderia ser empregado, com o uso de um fluido de trabalho orgânico no lugar do dióxido de carbono. Os fluidos adequados incluem, por exemplo, R-134a, R-245fa, propano, butano e pentano. Em uma alternativa, múltiplos ciclos Rankine poderiam ser instalados. Isto permitiria uma reposição a ser ativada no caso de uma falha do sistema principal, isto é, fornecendo deste modo um sistema reserva.

Alternativamente, um gerador termoelétrico de estado sólido poderia ser usado como meios de geração de energia, gerando energia com o uso do conhecido efeito Seebeck dependente dos diferenciais de temperatura de estado sólido. Novamente, neste instante, o fluido de produção poderia ser usado para fornecer aquecimento elevado de uma porção do material de estado sólido, enquanto a água do mar pode ser usada como um dissipador térmico. - Geração de energia cinética

Uma fonte de energia auxiliar ou alternativa pode compreender energia derivada de turbinas localizadas na instalação. Estas poderiam ser utilizadas para converter energia hidrocinética de fluxos de corrente de água para energia elétrica de maneira conhecida, novamente para suplementar energia elétrica fornecida do cabo umbilical. A energia também pode ser obtida de movimentos de maré ou de ondas de superfície, por exemplo. Todos estes métodos toleram retirada potencial na qual a energia produzida pode ser submetida à flutuação. Uma alternativa adicional, que produziria um fornecimento mais constante de energia, seria posicionar uma turbina dentro do fluxo de fluido produzido.

Em uma modalidade adicional, a energia elétrica produzida na instalação pode ser armazenada localmente na instalação, por exemplo, com o uso de uma célula de combustível, bateria, capacitor ou similares. Desta forma, os problemas associados à produção inconstante de energia podem ser mitigados. Em adição, a energia pode ser armazenada até que a mesma seja necessária, o que pode ser um benefício particular no qual a demanda de energia da instalação é variável.

O uso de outros meios de geração de energia também é previsto.

Claims

1. MÉTODO PARA FORNECER ENERGIA ELÉTRICA AUXILIAR para uma instalação de poço subaquática, em que a instalação está ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical, para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação do cabo umbilical, que compreende as etapas de: fornecer meios de geração de energia na instalação; e fornecer linha de saída de energia elétrica para transferir energia elétrica gerada pelos meios de geração de energia para a instalação.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que os meios de geração de energia são selecionados a partir do grupo que compreende um gerador termoelétrico, uma turbina e uma bateria de fluxo químico.

3. MÉTODO PARA FORNECER ENERGIA ELÉTRICA AUXILIAR para uma instalação de poço subaquática, em que a instalação é ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical, para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação do cabo umbilical, que compreende as etapas de: fornecer uma bateria de fluxo químico na instalação; fornecer um canal de fornecimento químico para fornecer a bateria de fluxo com produtos químicos operacionais para o propósito de geração de energia elétrica, em que o canal de fornecimento químico compreende uma linha de fluxo alojada dentro do cabo umbilical; fornecer os produtos químicos operacionais para a bateria de fluxo através do canal de fornecimento químico; e fornecer uma linha de saída de energia elétrica para transferir energia elétrica gerada pela bateria de fluxo para a instalação.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, sendo que o canal de fornecimento químico compreende uma linha de fluxo de fluido hidráulico ou químico reserva.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, sendo que o canal de fornecimento químico compreende uma linha de injeção química no umbilical para transportar um produto químico adicional para a instalação, e que o método compreende a etapa de misturar os produtos químicos operacionais de bateria de fluxo com o dito produto químico adicional na localização de superfície.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, que compreende um recurso químico em locais remotos da instalação.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, sendo que o recurso químico é fornecido na localização de superfície.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 7, que compreende adicionalmente a etapa de fornecer um canal de remoção química para remover produtos químicos gastos da bateria de fluxo subsequente à geração de energia elétrica.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, sendo que o canal de remoção química compreende uma linha de fluxo que transporta os produtos químicos gastos para uma localização de superfície.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, sendo que a linha de fluxo está localizada dentro do cabo umbilical.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, sendo que a instalação serve para produzir um fluido de produção, e a linha de fluxo transporta o fluido de produção para a superfície em uso.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 11, que compreende as etapas de converter a saída de CC da bateria de fluxo para CA, e fasear esta corrente com energia elétrica recebida na instalação do cabo umbilical.

13. INSTALAÇÃO DE POÇO SUBAQUÁTICA, sendo que a instalação está ligada a uma localização de superfície através de um cabo umbilical, em que a instalação é dotada de meios para suplementar qualquer energia elétrica recebida na instalação do cabo umbilical, em que os ditos meios compreendem: uma bateria de fluxo químico na instalação; um canal de fornecimento químico para fornecer a bateria de fluxo com produtos químicos operacionais para o propósito de geração de energia elétrica, em que o canal de fornecimento químico compreende uma linha de fluxo alojada dentro do cabo umbilical; meios para fornecer produtos químicos operacionais para a bateria de fluxo através do canal de fornecimento químico; e uma linha de saída de energia elétrica para transferir energia elétrica gerada pela bateria de fluxo para a instalação.

14. INSTALAÇÃO, de acordo com a reivindicação 13, sendo que o canal de fornecimento químico compreende uma linha de fluxo de fluido hidráulico ou químico reserva.

15. INSTALAÇÃO, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, sendo que o umbilical está conectado a uma montagem de terminação umbilical, em que a montagem de terminação umbilical está ligada à bateria de fluxo através de uma linha de fluxo químico para o fornecimento de produtos químicos operacionais.