BRPI1010410B1

BRPI1010410B1 - método para resfriar um motor para uso em um sistema de bombeamento intensificador de bomba submersível elétrica e sistemas de bombeamento intensificadores submersos

Info

Publication number: BRPI1010410B1
Application number: BRPI1010410-0A
Authority: BR
Inventors: Ignacio Martinez; Daniel A. Merrill
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2020-11-10
Also published as: US8740586B2; BRPI1010410A2; US20100329908A1

Abstract

TROCADOR DE CALOR PARA MOTOR DE BOMBA ELÉTRICA SUBMERSÍVEL. Um trocador de calor para servir a um equipamento de ESP instalado no leito do mar localizado em um caixão flutuante ou um carrinho. Uma linha de óleo quente conecta a base do motor de ESP com o trocador de calor localizado externamente permitindo que o óleo do motor quente seja circulado através de bobinas expostas externamente à água do mar. O calor do óleo é rejeitado para a água do mar e o óleo resfriado é reintroduzido no motor através de uma linha de óleo frio que se comunica com a seção de selo. O arranjo de trocador de calor reduz a temperatura de um motor de ESP, desse modo permitindo que o motor opere por mais tempo e de forma mais confiável.

Description

Referência Cruzada a Pedido Relacionado

Este pedido reivindica prioridade para o pedido provisório 61/221.451, depositado em 29 de junho de 2009, e é incorporada aqui como referência em sua totalidade.

Campo da Invenção

Esta invenção se refere em geral a motores elétricos com intensificador e, em particular à redução da temperatura de um motor de bomba elétrica submersível de fundo de mar com um trocador de calor.

Antecedentes da Invenção

As bombas submersíveis elétricas ("ESP") são usadas para bombeamento de volumes altos de fluido de poço, particularmente em poços requerendo uma elevação artificial. A ESP tipicamente tem pelo menos um motor elétrico que normalmente é um motor AC trifásico. 0 motor aciona uma bomba centrífuga que pode conter uma pluralidade de estágios, cada estágio compreendendo um propulsor e um difusor que aumenta a pressão do fluido de poço. 0 motor é preenchido com um lubrificante dielétrico ou óleo que provê lubrificação e ajuda na remoção de calor do motor durante uma operação da ESP. Uma seção de selo tipicamente está localizada entre a bomba e o motor para a equalização da pressão do lubrificante contido no motor com a pressão hidráulica do fluido de poço no exterior. A seção de selo é preenchida com óleo que se comunica com o óleo no motor.

A ESP tipicamente é manobrada no poço com uma sonda de intervenção. A ESP é manobrada na extremidade inferior de uma coluna de produção. Uma vez no lugar, a ESP pode ser energizada para se começar a produção de fluido de poço que é descarregado para a coluna de produção para bombeamento até a superfície.

Durante uma operação, a temperatura do óleo no motor da ESP aumenta, devido a atrito mecânico e à eficiência elétrica no motor. A temperatura interna do motor é dissipada através do alojamento do motor para o fluido produzido (bombeado) . Conforme mais alta for a velocidade do fluido em torno do motor ou mais baixa for sua temperatura, mais calor é removido do motor. 0 óleo interno tem propriedades lubrificantes e, de alguma forma, ajuda na transferência de calor dissipando o calor a partir das partes internas do motor, mas seu efeito é muito limitado. A propriedade mais importante do óleo é lubrificar os mancais do motor. Também, o óleo é vital para a manutenção da dissipação de calor dos mancais e dos mancais de escora de carga. O motor em sua temperatura nominal mantém a confiabilidade. Contudo, uma rejeição de calor do óleo para o fluido de poço circundante usualmente é limitada, devido à alta temperatura do fluido do poço, e, também, devido à alta influência da viscosidade sobre as características de transferência de calor. A temperatura aumentada do motor pode levar a uma baixa performance ou a uma falha prematura do motor.

Uma transferência de calor é através do estator para o alojamento. Uma técnica é desejada, para melhoria do resfriamento do motor pela circulação do óleo do motor para fora do motor para resfriamento, para se permitir que o motor opere a uma temperatura mais baixa que pode se traduzir em vida estendida e confiabilidade aumentada do motor.

Sumário da Invenção

Na presente exposição, uma ESP é descrita, que faz parte de um sistema de intensificação localizado no leito do mar. A ESP pode ser montada horizontalmente, inclinada 5 ou montada verticalmente em um carrinho ou em caixões flutuantes no fundo do mar. A ESP tem pelo menos um motor e pelo menos uma bomba, com uma seção de selo localizada entre eles.

Um trocador de calor está localizado externamente ao 10 sistema de intensificação de ESP, e tem uma janela de entrada e uma janela de saída. Uma linha de óleo se conecta à janela de entrada do trocador de calor e se comunica com o motor. Uma outra linha de óleo se conecta à janela de saída do trocador de calor e se comunica com a ESP. Para 15 circulação do óleo de motor quente a partir do motor para o trocador de calor, uma bomba está localizada no sistema de ESP. O óleo de motor quente é circulado através da linha de óleo de entrada para o trocador de calor, onde o calor é rejeitado para a água do mar circundante. O óleo resfriado 2 0 então é retornado para a ESP através da linha de óleo conectada à janela de saída do trocador de calor. O óleo resfriado então é reintroduzido no motor. O sistema de intensificação de ESP pode estar localizado em uma cápsula, e o arranjo da ESP pode ser convencional ou invertido.

O arranjo de trocador de calor reduz a temperatura doóleo do motor para, desse modo, resfriar o motor mais efetivamente. Assim, a vida do motor é vantajosamente estendida, e sua confiabilidade é vantajosamente aumentada.

Breve Descrição dos Desenhos

A FIG. 1 é uma vista em corte de uma bomba submersível elétrica com um trocador de calor, de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 2 é uma modalidade alternativa da modalidade da FIG. 1.

A FIG. 3 é uma modalidade alternativa da modalidade da FIG. 1.

As FIG. 4 e 5 mostram um conector de motor elétrico típico e um arranjo de conector de linha de óleo, de acordo com uma modalidade da invenção.

As FIG. 6 e 7 mostram um penetrador elétrico típico e um arranjo de conector de linha de óleo, de acordo com uma modalidade da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Com referência à FIG. 1, uma bomba submersível elétrica ("ESP") 20 é ilustrada em uma vista em corte. A ESP 20 pode fazer parte de um sistema de intensificação localizado no leito do mar. Pode ser montada horizontalmente, inclinada, ou montada verticalmente com um caixão flutuante no fundo do mar. Um motor 22 e uma bomba 24 são mostrados com uma seção de selo 26 localizada entre eles. A seção de selo 26 contém um mancai de escora e um equalizador de pressão para a equalização da pressão de lubrificante no motor 22 com a pressão hidráulica.

Uma cápsula 30 aloja a ESP 20 e tem um tampão ou uma barreira 32 em uma extremidade e uma janela de descarga 36 na outra extremidade. A cápsula 30 neste exemplo está localizada no fundo do mar e é horizontal ou inclinada em um carrinho. O tampão 32 pode ter vários tipos de janelas e conexões, dependendo da configuração da ESP na cápsula 30. Neste exemplo, o motor 22 e a bomba 24 estão na posição invertida, de modo que a base do motor 22 se volte para a extremidade da cápsula 30 com o tampão 32. Um conector submarino padronizado 31 que passa através do tampão 32 assim pode ser usado para conexão com a base do motor 22, conforme mostrado nas FIG. 4 e 5. Um umbilical de potência (não mostrado) pode então prover potência elétrica para o motor 22 através do conector submarino 31.

Neste exemplo, uma janela 33 passa através do tampão 32, para se permitir que um fluido de produção flua para a cápsula 30. A janela 33 pode se conectar a uma linha de fluxo vindo diretamente do poço ou de um outro equipamento submarino. 0 fluido é descarregado pela bomba 24 através da janela 36. A extremidade de descarga da bomba 24 tem um conjunto de selo que sela a extremidade de descarga a partir da cápsula 30. Neste exemplo, a janela 36 pode se conectar a uma linha de fluxo de produção ou a um condutor submarino de produção que pode mover um fluido de produção para, por exemplo, uma unidade de armazenamento e descarregamento de produção flutuante, uma plataforma de perna de tração, uma plataforma fixa ou uma instalação em terra. Alternativamente, a seção de selo 26 poderia ser substituída por uma bateria de selos mecânicos.

Continuando com referência à FIG. 1, durante uma operação da ESP 20, a temperatura do óleo do motor dentro do motor 22 e circulando através da seção de selo 26 sobe. A redução da temperatura do óleo do motor para, desse modo, resfriar o motor 22 vantajosamente estende a vida e aumenta a confiabilidade do motor 22. Um trocador de calor 40 pode estar localizado no leito do mar externamente à cápsula 30 ou em um carrinho que suporta uma cápsula 3 0 pararesfriamento do óleo do motor. Uma linha de óleo quente 42 passa através de um conector 43 que passa através do tampão 32, para se permitir que a linha de óleo quente 42 se comunique com a base do motor 22. A linha de óleo quente 42 5 permite que o óleo de motor quente da base do motor 22 seja circulado para o trocador de calor 40. Uma vez no interior do trocador de calor 40, o óleo quente é circulado através das serpentinas 46 externamente expostas à água do mar 50. 0 calor do óleo é reintroduzido no motor 22 através de uma 10 linha de óleo frio 48. A linha de óleo frio 48 passa através de um conector 45 e se comunica com a seção de selo 26. Neste exemplo, uma bomba de óleo 44 está localizada dentro e na base do motor 22. A bomba de óleo 44 é acionada por um eixo no motor 22 e circula o óleo no laço formado 15 pelo motor 22 e pelo trocador de calor 40. O motor 22 assim opera a uma temperatura de resfriador e pode operar por mais tempo e de forma mais confiável.

Com referência à FIG. 2, uma modalidade alternativa é ilustrada, que é similar à modalidade mostrada na FIG. 1.20 Contudo, nesta modalidade, a ESP 20 usa um arranjo de ESP padronizado, ao invés de um arranjo invertido. Assim, o motor 62 está localizado abaixo da bomba 64 e uma seção de selo 66 está localizada entre eles. Ainda, o fluido de produção fluirá para a cápsula 30 através de uma janela 7025 em uma extremidade da cápsula 30. A janela 70 se conecta a uma linha de fluxo que porta um fluido de produção a partir de um poço. A bomba 64 descarrega o fluido de produção através de um trecho de tubulação 72 que passa através do tampão 32. A tubulação de produção 72 pode se conectar a 3 0 uma linha de fluxo ou a um condutor submarino, como na modalidade da FIG. 1. A base do motor 62 neste exemplo está na extremidade da cápsula 30 oposta ao tampão 32. Um cabo de potência 74 passa através de um penetrador elétrico 75 no tampão 32 (FIG. 6 e 7) e se conecta ao motor 62 para energizá-lo. A linha de óleo quente 42 se estende para baixo para a cápsula para comunicação com a base do motor 62 e a linha de óleo frio 4 8 retorna o óleo resfriado a partir do trocador de calor 40 para a seção de selo 66. Como na modalidade na fIG. 1, a bomba de óleo 44 circula o óleo no laço formado pelo motor 62 e pelo trocador de calor 40.

Em uma outra modalidade, a cápsula 30 e a ESP 20 nela podem ser alojadas em um caixão flutuante 80, conforme mostrado na FIG. 3. 0 caixão flutuante 80 pode ser parcial ou completamente submerso no leito do mar e pode ter várias centenas de metros de profundidade. As conexões e o arranj o de ESP 20 são idênticos nesta modalidade àqueles mostrados na modalidade da FIG. 1. Contudo, a bomba 24 descarrega o fluido de produção a partir da cápsula 30 através da saída 36 e para o caixão flutuante 80, ao invés de uma linha de fluxo de produção. Uma janela de saída 80 no caixão flutuante 80 se conecta a um condutor submarino de fluido de produção ou linha de fluxo. O caixão flutuante 80 pode ser usado para a separação de gás no fluido de produção, desse modo se aumentando a eficiência de bombeamento. Caso assim seja, o fluido de poço fluiria para o topo do caixão flutuante, então, para baixo para uma extremidade de travamento aberta da cápsula. O fluido de poço fluirá para cima pela cápsula e será descarregado pela bomba a partirda extremidade superior da cápsula. O trocador de calor 40estaria localizado próximo e externo ao caixão flutuante 80 para resfriamento do óleo do motor.

Durante uma operação de uma ESP 20, o calor gerado no motor eleva a temperatura do óleo do motor. O óleo de motor 5 quente se torna menos efetivo no resfriamento do motor. O motor assim pode se tornar menos confiável e deve ser substituído, se falhar prematuramente. Pela circulação do óleo de motor através de um trocador de calor para resfriamento do óleo, o óleo resfriado então pode ser 10 reintroduzido no motor. O óleo de motor resfriado permite que o motor vantajosamente opere a uma temperatura mais baixa, assim estendendo a vida e aumentando a confiabilidade do motor.

Embora a invenção tenha sido mostrada em apenas uma de 15 suas formas, deve ser evidente para aqueles versados na técnica que ela não é limitada assim, mas é suscetível a várias mudanças, sem que se desvie do escopo da invenção.

Claims

1. Método para resfriar um motor para uso em um sistema de bombeamento intensificador de bomba submersível elétrica caracterizadopor compreender:posicionar um conduto com primeira e segunda extremidades submersas;montar um conjunto de bomba submersível no conduto, o conjunto de bomba possuindo uma bomba centrífuga, um motor elétrico e uma seção de selo conectada entre a bomba e o motor, sendo o motor preenchido com um lubrificante dielétrico;conectar uma cápsula a uma das extremidades do conduto;fornecer um trocador de calor submerso externo ao conduto em uma visualização do fundo do mar, o trocador de calor possuindo uma janela de entrada e uma janela de saída;conectar uma linha de entrada de lubrificante dielétrico à janela de entrada do trocador de calor, estendendo a linha de entrada de forma vedante através da cápsula ao conjunto da bomba submersível em comunicação fluida com o lubrificante dielétrico no motor;conectar uma linha de saída de lubrificante dielétrico à janela de saída do trocador de calor, estendendo a linha de saída de forma vedante através da cápsula ao conjunto da bomba submersível em comunicação fluida com o lubrificante dielétrico no motor;escoar fluido de produção para uma das extremidades do conduto e operar o motor, fazendo com que a bomba bombeie o fluido de produção para fora das outras extremidades do conduto que estão conectadas ao fluido de produção ou linha de fluxo;circular um lubrificante dielétrico a partir do interior do motor através da linha de entrada para a janela de entrada do trocador de calor;remover calor do lubrificante dielétrico no trocador de calor pela troca do calor com a água do mar para, desse modo, reduzir a temperatura do lubrificante dielétrico;circular o lubrificante dielétrico a partir da saida do trocador de calor através da linha de saida para o motor; ecom a seção de selo, reduzir um diferencial de pressão entre o lubrificante dielétrico no motor e a pressão hidrostática do fluido de produção no conduto fora do motor.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor a circulação do lubrificante dielétrico compreender o bombeamento do lubrificante dielétrico a partir do motor para a janela de entrada do trocador de calor.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopor o bombeamento do lubrificante dielétrico compreender a localização da bomba de lubrificante dielétrico no interior do motor e o acoplamento da bomba de lubrificante dielétrico a um eixo acionado pelo motor.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopor o bombeamento do lubrificante dielétrico compreender adicionalmente o acionamento da bomba de lubrificante dielétrico com o motor.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizadopor:conectar a linha de saída do lubrificante dielétrico ao conjunto da bomba submersível compreendendo conectar a linha de saída do lubrificante dielétrico à seção de selo; econectar a linha de entrada do lubrificante dielétrico ao conjunto da bomba submersível compreendendo conectar a linha de entrada do lubrificante dielétrico ao motor.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor a etapa de remoção do calor do lubrificante dielétrico compreender circular o lubrificante dielétrico através de uma bobina em um alojamento do trocador de calor, sendo a bobina imersa na água do mar.

7. Sistema de bombeamento intensificador submerso de bomba submersível elétrica caracterizadopor compreender:um conduto adaptado para ser posicionado submerso e com primeira e segunda extremidades, o conduto possuindo um interior selado da água do mar;uma entrada na primeira extremidade para a admissão de fluido de produção no interior do conduto;um conjunto de bomba submersível montado no conduto para imersão no fluido de produção, o conjunto de bomba submersível incluindo uma bomba centrífuga possuindo uma admissão em comunicação fluida com o fluido de produção no interior do conduto, a bomba centrífuga possuindo uma saída na segunda extremidade que está conectada ao fluido de produção ou linha de fluxo para descarregar o fluido de produção;o conjunto de bomba submersível incluir um motor elétrico submarino montado no conduto para imersão no fluido de produção, sendo o motor preenchido com um lubrificante dielétrico;uma seção de selo conectada entre a bomba centrifuga e o motor para reduzir um diferencial de pressão entre o lubrificante dielétrico no motor e o fluido de produção em torno da seção de selo;um trocador de calor externo e adjacente ao conduto, com uma janela de entrada e uma janela de saída e imersos em água do mar;uma cápsula firmemente presa a uma das extremidades do conduto;uma linha de lubrificante dielétrico de entrada que se estende de forma vedante através da cápsula para o conduto em comunicação com o lubrificante dielétrico no motor e conectado à janela de entrada do trocador de calor;uma linha de lubrificante dielétrico de saída que se estende de forma vedante através da cápsula para o conduto em comunicação com o lubrificante dielétrico no motor e conectado à janela de saída do trocador de calor; euma bomba de lubrificante dielétrico dentro do motor para circular o lubrificante dielétrico através das linhas de lubrificante e do trocador de calor.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor as linhas de lubrificante se estenderem ao longo de pelo menos parte do conjunto da bomba submersível.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor o trocador de calor, as linhas de lubrificante e um interior do motor compreenderem um circuito vedado fechado para o lubrificante dielétrico.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopor o motor estar localizado entre a entrada na primeira extremidade do conduto e a admissão da bomba centrífuga, de modo que o fluido de produção flua da entrada para os fluxos de admissão em torno do motor.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor uma das linhas de lubrificante dielétrico estar conectada à seção de selo e a outra das linhas de lubrificante dielétrico ser conectada ao motor em uma extremidade do motor oposta à seção de selo.

12. Sistema de bombeamento intensificador submerso caracterizadopor compreender:um conduto submarino com um interior vedado com água do mar e primeira e segunda extremidades;uma entrada de fluido de produção de uma das extremidades fluindo do fluido de produção para o interior do conduto;uma bomba centrífuga e motor elétrico localizados no conduto para imersão no fluido de produção no interior do conduto, a bomba possuindo uma admissão em comunicação fluida com o fluido de produção no interior do conduto, a bomba possuindo uma descarga na outra extremidade do conduto que é conectada ao fluido ou linha de fluxo para descarregar o fluido de produção na linha de fluxo ou fluido;uma seção de selo montada entre a bomba e o motor que reduzem um diferencial de pressão entre um fluido dielétrico dentro do motor e uma pressão do fluido de produção dentro do interior do conduto em torno da seção de selo;um trocador de calor localizado externo submarino e adjacente em relação ao conduto para imersão na água do mar;uma cápsula em uma das extremidades do conduto;uma linha de fluido dielétrico de entrada conectada entre o motor e o trocador de calor, a linha de fluido dielétrico de entrada se estendendo de forma vedante através da cápsula para dentro do conduto;uma linha de fluido dielétrico de saída conectada entre o motor e o trocador de calor, a linha de fluido dielétrico de saída se estendendo de forma vedante através da cápsula para dentro do conduto;uma bomba de fluido dielétrico dentro do motor para circulação de fluido dielétrico através das linhas de fluido dielétrico de entrada e saída entre o motor e o trocador de calor; eo trocador de calor possuindo um tubo conectado entre as linhas de fluido dielétrico de entrada e saída, sendo o tubo imerso em água do mar para resfriar o fluido dielétrico que flui através deles.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopor o tubo do trocador de calor ser bobinado e ser localizado dentro de um alojamento de trocador de calor com uma abertura para admitir água do mar.