ES2885072T3 - Un dispositivo y método de control de flujo - Google Patents

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Bjørnar Werswick
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Abstract

Un dispositivo (100) de control de flujo de fluido para establecer una comunicación de fluido controlable de un flujo de fluido (F) entre un depósito (120-122) de fluido externo y un tubo (102) de base de una cadena (101) de producción, que comprende - una ruta (2) de flujo primario dispuesta dentro de una carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, comprendiendo la ruta (2) de flujo primario una entrada (1) de la ruta de flujo primario configurada para guiar un flujo de fluido (F0) primario axialmente en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a partir del depósito (120-122) de fluido externo durante la operación, en donde se definen las direcciones axial y radial como la dirección perpendicular y paralela a la dirección longitudinal del tubo (102) de base, respectivamente, y una salida (5) de la ruta de flujo primario configurada para guiar el flujo de fluido (F0) primario al interior del tubo (102) de base durante la operación, - una ruta (7) de flujo secundario que comprende un primer limitador (3) de flujo de fluido configurado para generar una disminución de presión a partir de una presión p1 contra la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido a una presión p2 con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido, un segundo limitador (4) de flujo de fluido dispuesto con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido y configurado para generar una disminución de presión a partir de la presión p2 contra la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido a una presión p3 con la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido y una cámara (B) dispuesta con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido y contra la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido y - un elemento (9) de válvula móvil dispuesto dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido y configurado para cerrar la ruta (2) de flujo primario para el flujo de fluido cuando se expone a una fuerza de presión a partir del interior de la cámara (B) que excede una fuerza de presión umbral, caracterizado por que la ruta (7) de flujo secundario comprende una entrada (11) de la ruta de flujo secundario dispuesta dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido que tiene un desplazamiento radial con respecto a la ruta (2) de flujo primario en su entrada a la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido y en donde la entrada (11) de la ruta de flujo secundario está configurada además para guiar un flujo de fluido (f) secundario a partir del depósito (120-122) de fluido hacia la ruta (7) de flujo secundario de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido de tal manera que, durante la operación, el flujo de fluido (F) se divide en el flujo de fluido (F0) primario que entra a la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la primera ruta (2) de fluido y el flujo de fluido (f) secundario que entra en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la ruta (7) de fluido secundario.

Description

DESCRIPCIÓN
Un dispositivo y método de control de flujo
Campo de la invención
La invención se refiere al control del fluido que fluye hacia un conducto. Más específicamente, la invención se refiere a un dispositivo de control de flujo de fluido, así como a una cadena de producción submarina y a un método que utiliza dicho dispositivo de control de flujo de fluido. La invención es útil para controlar el flujo de fluidos a partir de un depósito de hidrocarburos subterráneo y hacia las cadenas de producción.
Antecedentes de la invención
Un pozo para producir hidrocarburos a partir de un depósito subterráneo puede extenderse a través del depósito en diversas orientaciones. Tradicionalmente, se accede a los depósitos mediante la perforación vertical de pozos. Esta es una técnica simple y directa, pero la cual proporciona un contacto limitado con el depósito por pozo. Por lo tanto, con el fin de acceder a más de un depósito por pozo, se desarrollaron técnicas y dispositivos para perforar pozos horizontales, es decir, girar el pozo de vertical a horizontal a una profundidad predeterminada debajo de la superficie. Los denominados pozos multilaterales proporcionan un acceso aún mayor y un contacto con el depósito.
Un desafío importante en la producción de hidrocarburos a partir de depósitos subterráneos es aumentar la capacidad de recuperar el petróleo que está presente en el depósito. Hoy en día, solo una parte del petróleo en un depósito dado se recupera y se produce realmente antes de que se cierre el campo. Por lo tanto, existen fuertes incentivos para desarrollar nuevas tecnologías para aumentar la producción y la recuperación de petróleo.
Dos factores son de particular importancia con el fin de aumentar la producción y la tasa de recuperación de un depósito:
obtener el máximo contacto con el depósito e
impedir los efectos negativos de la penetración/avance de gas y/o agua (comúnmente denominada “conicidad”).
El contacto con el depósito se logra comúnmente perforando diversos pozos horizontales y/o multilaterales. Los efectos negativos de la conicidad se mitigan comúnmente mediante los llamados Dispositivos de Control de Flujo (ICD) colocados en la pared de la cadena de producción. Normalmente, una cadena de producción en un pozo horizontal comprende una gran cantidad de ICDs dispuestos a intervalos regulares a lo largo de toda su longitud. Los ICDs sirven como puertos de entrada para el petróleo que fluye a partir del depósito (normalmente a través del anillo entre la cadena de producción y la formación del pozo) y hacia la cadena de producción, y son puertos que tienen un área de flujo fija.
Los llamados ICDs autónomos (AICDs) comprenden uno o más elementos de válvula y normalmente están abiertos cuando el petróleo fluye a través del dispositivo, pero estrangula el flujo cuando y donde el agua y/o el gas entran en el dispositivo. El espacio anular entre la cadena de producción y la carcasa se divide típicamente en zonas mediante empaquetadores anulares, lo cual es conocido en la técnica. Luego, se colocan uno o más ICDs o AICDs en cada zona.
Se conocen en la técnica diversos ICDs. Se encuentran ejemplos relevantes de ICDs o AICDs en las publicaciones de patente US 5435 393 (Brekke, et al.), US 7857 050 B2 (Zazovsky, et al.), US 7823645 B2 (Henriksen, et al.), US 2008/0041580 A1 (Freyer, et al.), WO 2008/004875 A1 (Aakre, et al.), US 2011/0067878 A1 (Aadnoy), US 2008/0041582 A1 (Saetre, et al.), US 2011/0198097 A1 (Moen), US 2011/0308806 A9 (Dykstra, et al.), US 7918275 B2 (Baker Hughes Inc), US 2009/0283275 A1 (Baker Hughes Inc), US 7819 196 B2 (Norsk Hydro ASA) y US 9556 706 B1 (Floway Inc).
Las publicaciones de patente mencionadas anteriormente sufren de una o más de las siguientes desventajas:
- La producción se estrangula también para el petróleo, lo cual puede resultar en una pérdida significativa de producción (barril/día) durante la fase inicial de la vida útil del pozo.
- Las fases no deseadas (gas/agua) no se estrangulan ni cierran en el momento de su avance.
- Las fases no deseadas (gas/agua) son hasta cierto punto estranguladas, aunque no hasta el punto de llegar a una parada completa, o casi completa, en el flujo de entrada.
- No se exhibe propiedad reversible, es decir, la capacidad de reabrir de manera autónoma una válvula que ha sido cerrada por entrada de fases no deseadas en el momento en que el petróleo vuelve a fluir al pozo.
- Desafiante para controlar la apertura/cierre.
- Alta resistencia al flujo dentro del flujo primario durante el rendimiento de las fases deseadas.
- No poder manejar condiciones de pozo duras (alta presión y temperatura, contaminación, etc.) de manera satisfactoria.
Un AICD de la técnica anterior que supera todas las desventajas mencionadas anteriormente se divulga en la publicación de patente WO 2013/139601 A2, cuyo contenido se incorpora en el presente documento como referencia. El AICD de la técnica anterior comprende una ruta de flujo primario y una ruta de flujo secundario dispuesta en comunicación de fluido con la ruta de flujo primario. La ruta de flujo secundario comprende además dos limitadores de flujo de fluido que sirven como un puerto de entrada y un puerto de salida de una cámara, respectivamente. Los dos limitadores de flujo están configurados para generar diferentes características de flujo de fluido.
Sin embargo, existen algunas desventajas con el AICD divulgado en el documento WO 2013/139601 A2. La ruta de flujo secundario está en comunicación de fluido con la ruta de flujo primario. Dicha configuración requiere la asignación de espacio adicional dentro de la carcasa, lo que da como resultado una longitud axial más larga del AICD. La configuración también dificulta la colocación de filtros en la entrada de fluido para impedir que se obstruyan durante la operación. Dicha obstrucción es un problema bien conocido en el campo. Para generar flujo laminar insertando un limitador de flujo de fluido, tal como un material poroso, también se necesita un diseño complejo con pocas o ninguna posibilidad de adaptaciones a las viscosidades variables de los fluidos. Además, los materiales porosos tienen típicamente pequeñas aberturas, lo que crea un alto riesgo de obstrucción debido a partículas finas (partículas pequeñas).
El propósito de la presente invención es superar las deficiencias de la técnica anterior mencionada anteriormente y obtener ventajas adicionales.
Resumen de la invención
La invención se expone y caracteriza en las reivindicaciones principales, a la vez que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la invención.
Por lo tanto, se proporciona un dispositivo de control de flujo de fluido adecuado para establecer una comunicación de fluido controlable de un flujo de fluido (F) entre un depósito de fluido externo y un tubo de base que forma parte de una cadena de producción.
El dispositivo de control de flujo de fluido comprende una ruta de flujo primario dispuesta dentro de una carcasa del dispositivo de control de fluido. La ruta de flujo primario comprende una entrada de la ruta de flujo primario configurada para guiar un flujo de fluido (Fo) primario al menos parcialmente axial hacia la carcasa del dispositivo de control de fluido a partir del depósito de fluido externo durante la operación y una salida de la ruta de flujo primario configurada para guiar el flujo de fluido (Fo) primario en el tubo de base durante la operación.
El dispositivo de control de flujo de fluido incluye además una ruta de flujo secundario y un elemento de válvula móvil dispuesto dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido, en y/o dentro de la ruta de flujo primario.
La ruta de flujo secundario comprende al menos un primer limitador de flujo de fluido configurado para generar una disminución de presión a partir de una presión p i contra la corriente del primer limitador de flujo de fluido a una presión p2 con la corriente del primer limitador de flujo de fluido, al menos un segundo limitador de flujo de fluido dispuesto con la corriente del primer limitador de flujo de fluido y configurado para generar una disminución de presión a partir de la presión p2 contra la corriente del segundo limitador de flujo de fluido hasta una presión p3 con la corriente del segundo limitador de flujo de fluido y una cámara (B) dispuesta con la corriente del primer limitador de flujo de fluido y contra la corriente del segundo limitador de flujo de fluido.
El elemento de válvula móvil está configurado para cerrar, total o parcialmente, la ruta de flujo primario para el flujo de fluido (Fo) primario cuando se expone a una fuerza de presión a partir del interior de la cámara (B) que excede una fuerza de presión umbral.
La ruta de flujo secundario comprende además una entrada de la ruta de flujo secundario dispuesta dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido y con un desplazamiento radial con respecto a la ruta de flujo primario en su entrada en la carcasa del dispositivo de control de fluido. La entrada de la ruta de flujo secundario está configurada para guiar un flujo de fluido (f) secundario a partir del depósito de fluido hacia la ruta de flujo secundario de la carcasa del dispositivo de control de fluido de tal modo que, durante la operación, el flujo de fluido (F) se divide en el flujo de fluido (Fo) primario que entra en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la primera ruta (2) de fluido y el flujo de fluido (f) secundario que entra en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la ruta (7) de fluido secundaria.
La dirección axial y radial se definen en el presente documento como la dirección perpendicular y paralela a la dirección longitudinal del tubo de base, respectivamente, es decir, la dirección principal del flujo de fluido dentro del tubo de base.
En un ejemplo ventajoso, la entrada de la ruta de flujo secundario está orientada de tal manera que el flujo de fluido (f) secundario fluye axialmente o casi axialmente dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido durante la operación. Casi axialmente significa que puede haber una desviación del eje, por ejemplo, una desviación de un máximo de 20 grados del eje axial.
En otro ejemplo ventajoso, el primer limitador de flujo de fluido está configurado para generar una característica de flujo de fluido laminar, o casi laminar, una característica de flujo de fluido turbulento, o casi turbulento, a la vez que el segundo limitador de flujo de fluido está configurado para generar una característica de flujo de fluido turbulento o una característica de flujo de fluido laminar que es diferente de la característica de flujo de fluido generada por el primer limitador de flujo de fluido. El flujo laminar se define en el presente documento como un fluido que fluye en capas paralelas, con una interrupción insignificante o nula entre las capas. Además, el flujo turbulento se define en el presente documento como un fluido que sufre fluctuaciones irregulares, o mezcla, es decir, donde la velocidad del fluido en un punto está experimentando continuamente cambios tanto en magnitud como en dirección.
En aún otro ejemplo ventajoso, el dispositivo de control de flujo comprende además un casquillo de entrada dispuesto axialmente dentro de la carcasa del dispositivo de control de flujo para guiar el flujo de fluido (Fo) primario a través del mismo durante la operación y un primer disco en forma de anillo dispuesto axialmente debajo de la entrada de la ruta de flujo secundario con su abertura centrada alrededor del casquillo de entrada. El casquillo de entrada y el primer disco en forma de anillo pueden estar separados o formar una parte integrada.
El primer disco en forma de anillo puede comprender un primer borde de bloqueo axial, o casi axial, que se extiende a lo largo de la circunferencia de la abertura central interior del primer disco en forma de anillo.
El disco también puede comprender preferiblemente un segundo borde de bloqueo dirigido axial, o casi axial, a lo largo de la circunferencia exterior del primer disco en forma de anillo que tiene al menos una abertura configurada para guiar el flujo de fluido (f) secundario que fluye a través de la entrada de la ruta de flujo secundario en el limitador de flujo de fluido durante la operación.
Con el fin de asegurar una fuga nula o insignificante entre la ruta de flujo primario y la ruta de flujo secundario, se disponen uno o más sellos de casquillo entre el casquillo de entrada y el primer disco en forma de anillo.
El término “debajo” significa aquí una posición axial con respecto a los componentes del dispositivo de control de flujo de fluido ubicado en o cerca de la entrada de los flujos de fluido (Fo, f) primario y secundario, por ejemplo, un casquillo de entrada y/o un filtro de entrada.
En aún otro ejemplo ventajoso, el dispositivo de control de flujo de fluido comprende además un filtro dispuesto a través de la entrada de la ruta de flujo secundario para impedir, o al menos reducir significativamente, las partículas de estado sólido dentro del flujo de fluido (F) que ingresen a la ruta de flujo secundario, a la vez que al mismo tiempo permite que el flujo de fluido (Fo) primario fluya sin filtrar a través de la entrada de la ruta de flujo primario durante la operación. Esta configuración particular tiene la ventaja adicional de que el filtro se vuelve autolimpiante debido al hecho de que el flujo primario fluye transversalmente al filtro antes de entrar en la carcasa. El filtro puede comprender al menos una protuberancia exterior que sobresale radialmente hacia afuera de la circunferencia exterior del filtro y al menos una protuberancia interior que sobresale radialmente hacia adentro de la circunferencia interior del filtro. Estas protuberancias de filtro aseguran un efecto de bloqueo a la carcasa y al primer disco en forma de anillo, respectivamente.
En aún otro ejemplo ventajoso, el primer o el segundo limitador de flujo de fluido comprende un tubo de longitud L y un diámetro hidráulico medio <Dl> promediado a lo largo de la longitud L, en donde la longitud (L) y el diámetro hidráulico medio (<Dl>) se eligen para lograr una característica de flujo laminar que sale del primer y segundo limitadores de flujo de fluido. Por ejemplo, la longitud (L) y el diámetro hidráulico medio (<Dl>) se eligen para lograr una relación entre la longitud L y el diámetro hidráulico medio <Dl>, es decir, L/<Dl>, que da como resultado un número de Reynold siendo el flujo de fluido (RE) igual o menor que 4000, preferiblemente menor que 3500, más preferiblemente menor que 3000 e incluso más preferiblemente menor que 2500.
El número de Reynold se define como
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donde
Q es como el caudal volumétrico Q (m3/s),
< ^l> es el área húmeda de la sección transversal media a lo largo de la longitud L (m/s),
<Dl> es el diámetro hidráulico medio a lo largo de la longitud L (m)
p es la densidad del caudal de fluido (kg/m3) y
p es la viscosidad dinámica del fluido (kg/ms).
En aún otro ejemplo ventajoso, el primer limitador de flujo de fluido comprende un canal de salida interior ubicado dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido que está en comunicación de fluido con la entrada de la ruta de flujo secundario, un tubo exterior de longitud L* ubicado afuera de la carcasa del dispositivo de control de fluido que está en comunicación de fluido con el canal de salida interior y un canal de retorno interior ubicado dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido que está en comunicación de fluido con el tubo exterior. Una sección del tubo exterior puede ser en espiral, por ejemplo, múltiples veces alrededor del tubo de base de la cadena de producción.
En aún otro ejemplo ventajoso, la ruta de flujo secundario comprende una salida de la ruta de flujo secundario. Además, más del 70% de la longitud de la ruta de flujo secundario a partir de la entrada de la ruta de flujo secundario y la salida de la ruta de flujo secundario puede ubicarse afuera de la carcasa del dispositivo de control de fluido, más preferiblemente más del 80% de la longitud e incluso más preferiblemente más del 90% de la longitud. En una configuración alternativa o adicional, tanto la(s) salida(s) de la ruta de flujo secundario como el o los segundo(s) limitador(es) de flujo está(n) dispuesto(s) afuera de la carcasa, a la vez que está(n) en comunicación de fluido con la presión P2 dentro de la cámara B de la carcasa. En esta configuración alternativa o adicional, el flujo que sale del o de los segundo(s) limitador(es) de flujo entraría entonces en el tubo de base a la presión P3.
En aún otro ejemplo ventajoso, el elemento de válvula móvil comprende un disco inferior que tiene una superficie de disco orientada hacia la cámara B y un disco superior dispuesto con una superficie de disco orientada hacia el disco inferior y la otra superficie de disco orientada hacia la entrada de la ruta de flujo primario. El diámetro del disco del disco superior puede ser menor que el diámetro del disco del disco inferior. Además, la transición axial entre el disco inferior y el disco superior puede ser suave para impedir una resistencia excesiva al flujo de fluido del flujo de fluido (Fo) primario debido al flujo a través de bordes afilados, protuberancias puntiagudas, etc. El diámetro de disco del disco superior puede preferiblemente ser al menos igual al tamaño mínimo de la abertura radial de la entrada de la ruta de flujo primario. Además, la sección del disco inferior entre el disco superior y la circunferencia exterior del disco inferior puede ser plana con respecto a la dirección radial de la carcasa del dispositivo de control de fluido. Además de asegurar aún más un flujo de fluido primario no interrumpido, la configuración plana también contribuye a minimizar la extensión axial (tAicü) de la carcasa del dispositivo de control de fluido.
En aún otro ejemplo ventajoso, el dispositivo de control del flujo de fluido comprende además un segundo disco en forma de anillo dispuesto con su abertura centrada alrededor de la circunferencia exterior del elemento de válvula móvil.
El segundo disco en forma de anillo puede comprender un borde dirigido axialmente que se extiende a lo largo de la circunferencia exterior del segundo disco en forma de anillo y configurado para crear una distancia axial fija entre la superficie que se extiende radialmente de la segunda cara en forma de anillo hacia la entrada de la ruta de flujo primario y una pared interior de la carcasa del dispositivo de control de fluido. El borde dirigido axialmente muestra al menos una abertura configurada para guiar el flujo de fluido (Fo) primario que fluye a través de la entrada de la ruta de flujo primario a partir del elemento de válvula móvil hacia la salida de la ruta de flujo primario.
En aún otro ejemplo ventajoso, el dispositivo de control de flujo de fluido comprende además un miembro elástico dispuesto axialmente debajo de la superficie del elemento de válvula móvil orientado en dirección opuesta a la entrada de la ruta de flujo primario. Una parte del miembro elástico se fija preferiblemente a las paredes interiores de la carcasa del dispositivo de control de fluido de tal modo que el elemento de válvula móvil esté en una posición axial cuando no está expuesto a una fuerza de presión dentro de la cámara B que asegure el flujo de fluido entre la entrada de la ruta de flujo primario y la salida de la ruta de flujo primario.
En aún otro ejemplo ventajoso, el primer limitador de flujo de fluido comprende un tubo de entrada múltiple dispuesto en comunicación de fluido con la corriente de la entrada de la ruta de flujo secundario, en donde el tubo de entrada múltiple presenta al menos dos entradas separadas radialmente, por ejemplo, que tiene una primera y una segunda entrada dispuestas diagonalmente entre sí a través de la entrada de la ruta de flujo primario. La forma del tubo de entrada múltiple puede ser, por ejemplo, un arco que rodea parcialmente la entrada de la ruta de flujo primario.
En aún otro ejemplo ventajoso, el primer limitador de flujo de fluido comprende un tubo de entrada múltiple dispuesto con la carcasa del dispositivo de control de fluido y en comunicación de fluido con la entrada de la ruta de flujo secundario, un canal de salida interior dispuesto dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido y en comunicación de fluido con el tubo de entrada múltiple, un tubo exterior de longitud L* dispuesto al menos parcialmente afuera de la carcasa del dispositivo de control de fluido y en comunicación de fluido con el canal de salida interior y un canal de retorno interior ubicado dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido y en comunicación de fluido con el tubo exterior. El tubo de entrada múltiple muestra al menos dos entradas separadas radialmente, por ejemplo dispuestas en diagonal, o casi en diagonal, alrededor de la entrada de la ruta de flujo primario. Una sección del tubo exterior puede ser en espiral con el fin de lograr un primer limitador de flujo de fluido largo que ocupa una cantidad mínima de espacio.
La invención también se refiere a una cadena de producción adecuada para el transporte de hidrocarburos. La cadena de producción comprende un tubo de base, un recinto dispuesto en la pared exterior del tubo de base que tiene al menos una abertura de entrada del recinto y un dispositivo de control de flujo de fluido de acuerdo con cualquiera de las características mencionadas anteriormente.
El dispositivo de control de flujo de fluido está dispuesto en un orificio pasante de la pared del tubo de base, y dentro del recinto, de tal modo que se obtiene una comunicación de fluido controlable entre el recinto y el interior del tubo de base. En una configuración preferida, la comunicación de fluido tiene lugar a través de una entrada de la ruta de flujo primario y dentro del tubo de base a través de una pluralidad de salidas de la ruta de flujo primario.
Además, el recinto está configurado para proporcionar una cámara de entrada que cubre al menos una abertura de entrada de recinto del recinto así como la entrada de la ruta de flujo primario y la entrada de la ruta de flujo secundario del dispositivo de control de flujo de fluido.
En una realización ventajosa, el primer o el segundo limitadores de flujo de fluido incluyen un tubo de longitud L y un diámetro hidráulico medio <Dl> promediado a lo largo de la longitud L, por ejemplo un tubo con un diámetro D constante. Preferiblemente, al menos una parte del tubo está en espiral al menos un 50% alrededor de la circunferencia exterior del tubo de base, más preferiblemente al menos un 80% alrededor de la circunferencia exterior, incluso más preferiblemente al menos una vez alrededor de toda la circunferencia, e incluso más preferiblemente al menos dos veces alrededor de toda la circunferencia.
Finalmente, la invención se refiere a un método para controlar el flujo de fluido (F) con base en cambios en las propiedades del fluido. El método usa un dispositivo de control de flujo de fluido de acuerdo con cualquiera de las características mencionadas anteriormente y comprende las etapas:
- guiar el flujo de fluido (Fo) primario que constituye una porción principal del flujo de fluido (F) a través de la ruta de flujo primario dentro de la carcasa del dispositivo de control de fluido; y
- guiar el flujo de fluido (f) secundario a través de la ruta de flujo secundario, en donde el flujo de fluido (f) secundario constituye una porción menor del flujo de fluido (F) cuando el dispositivo de control de flujo de fluido está en una posición abierta, es decir, una posición del elemento de válvula con relación a la carcasa que permite la comunicación de flujo entre la(s) entrada(s) de la ruta de flujo primario y la(s) salida(s) de la ruta de flujo primario. Una pequeña porción puede ser típicamente menos del 5% del flujo de fluido (Fo) primario cuando el dispositivo está en una posición completamente abierta.
Una porción principal de la longitud de la ruta de flujo secundario puede extenderse preferiblemente afuera de la carcasa del dispositivo de control de fluido.
El dispositivo de control de flujo de la invención impide que fluidos no deseados (por ejemplo, agua, gas, vapor y CO2) entren en el flujo de producción de un fluido deseado (por ejemplo, petróleo) a la vez que es robusto, compacto y completamente autónomo. Es reversible en el sentido de que el dispositivo de válvula cambia de posición a medida que cambian las propiedades (por ejemplo, la viscosidad) del fluido. Es decir, cuando, por ejemplo, el dispositivo de control de flujo se cierra cuando la viscosidad disminuye (es decir, se expone al agua o al gas), se abre de nuevo cuando aumenta la viscosidad (es decir, se expone al petróleo).
Existe una ganancia económica significativa al impedir el estrangulamiento de la producción de petróleo inicial (valor presente) y aumentar el grado de producción debido al cierre eficiente de fases fluidas no deseadas tales como agua y/o gas. El aumento estimado en la producción y recuperación de un pozo, el cual estará en función de las propiedades del depósito y del fluido, será de al menos el 10%. El coste de producción de la válvula inventiva es casi insignificante en comparación con la ganancia potencial debido al aumento de la producción de petróleo.
Además, el diseño delgado/compacto del dispositivo de control de flujo de la invención impide una protuberancia excesiva dentro o afuera del tubo de base de la cadena de producción. Esta es una ventaja significativa sobre todos los AICDs conocidos descritos anteriormente.
Un dispositivo de control de flujo que sobresale del tubo de base dificultaría que las empresas de petróleo y gas utilicen tubos de base y perforaciones estándar que se utilizan en la actualidad. Y debido tanto a los costes como a los desafíos técnicos, cualquier cambio en un diseño bien probado normalmente no es deseable. Por ejemplo, un orificio más grande daría lugar a un mayor coste y un orificio con un diámetro más pequeño daría como resultado una mayor pérdida de presión en el tubo de base (pozo).
Así mismo, debe impedirse o reducirse la protuberancia hacia el interior del tubo de base. Un problema con las protuberancias en el tubo de base está relacionado con el hecho de que las mediciones o la intervención del pozo deben realizarse donde los tubos/equipos más pequeños se guían hacia los tubos/revestimientos de base. Cualquier protuberancia, tal como los dispositivos de control de flujo que sobresalen, hace que dichas operaciones sean difíciles o incluso imposibles.
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características de la invención quedarán claras a partir de la siguiente descripción de realizaciones, dadas como ejemplos no restrictivos, con referencia a los bocetos seccionales y dibujos adjuntos en donde:
La Figura 1 muestra un principio detrás de la divulgación;
La Figura 2 muestra la correlación entre el cambio de presión dentro de la cámara (es decir, entre los limitadores de flujo de fluido), y el cambio de viscosidad del fluido;
Las Figuras 3 A y B muestran esquemáticamente dos ejemplos diferentes de la divulgación, donde
La Figura 3 A tiene una sola salida de flujo de fluido y la Figura 3 B tiene dos salidas de flujo de fluido;
Las Figuras 4 A y B muestran un dispositivo de control de flujo de acuerdo con la divulgación, instalado en una cadena de producción, donde la Figura 4 A ilustra la interacción entre la cadena de producción y el dispositivo de control de flujo y la Figura 4 B ilustra el dispositivo de control de flujo instalado con mayor detalle;
La Figura 5 muestra un dispositivo de control de flujo de acuerdo con la divulgación que ilustra la longitud del tubo en espiral que actúa como un limitador de flujo de fluido en relación con el tamaño de la carcasa del dispositivo de control de flujo;
La Figura 6 muestra con mayor detalle la carcasa del dispositivo de control de flujo de la Figura 5;
La Figura 7 muestra un dispositivo de control de flujo de la divulgación en una vista en despiece;
Las Figuras 8 A y B muestran una sección recortada del dispositivo de control de flujo de la divulgación en dos vistas en perspectiva diferentes;
La Figura 9 muestra un dispositivo de control de flujo de la divulgación en una disposición inclinada dentro de un tubo de base en relación con una interfaz de fluido de baja viscosidad - alta viscosidad dentro de un depósito;
La Figura 10 muestra una vista en despiece de un dispositivo de control de flujo que tiene un canal de entrada múltiple dispuesto dentro de una ruta de flujo secundario; y
La Figura 11 A-C muestra los resultados de las mediciones indicativas de la eficiencia de las propiedades de cierre y apertura durante el flujo de fluidos de alta viscosidad tal como petróleo y fluidos de baja viscosidad tales como gas y/o agua, donde la Figura 11 A muestra una vista en sección transversal del dispositivo de control de fluido con fuerzas y presiones predominantes durante la operación, la Figura 11 B muestra un gráfico de las fuerzas netas de cierre y apertura como una función de la diferencia de presión a través del pistón del dispositivo de control de flujo y la Figura 11 C muestra un gráfico de la relación entre la diferencia de presión a través del primer limitador de flujo de fluido y a través del segundo limitador de flujo de fluido dentro de la ruta de flujo secundario.
Descripción detallada de realizaciones
La Figura 1 ilustra cómo un fluido F, f que fluye a través de una entrada 1 de flujo de fluido hacia un conducto 2 a una primera presión pi, además a través de un primer limitador 3 de flujo de fluido y hacia una cámara B donde alcanza una segunda presión p2, y luego fluye a través de un segundo limitador 4 de flujo de fluido antes de salir del conducto 2 a través de una salida 5 de flujo de fluido a una tercera presión p3. Cuando el caudal de fluido y las propiedades del fluido (por ejemplo, viscosidad, densidad) se mantienen constantes, las presiones (pi, p2, p3) también son constantes y pi, > p2, > p3.
En la Figura 1, el primer limitador 3 de flujo de fluido es un tubo en espiral y el segundo limitador 4 de flujo de fluido es un orificio. El tubo en espiral puede tener cualquier forma de sección transversal, tal como forma circular, forma rectangular, forma triangular, etc.
En general, la pérdida de carga por efecto viscoso en un tubo cilindrico de longitud L y diámetro D uniforme es proporcional a la longitud L y se puede caracterizar por la ecuación de Darcy-Weisbach expresada como:
AP = fD'p 2'(v)2 • — Dl (Ecuación 1)
donde: p = la densidad del caudal de fluido (kg/m3)
Dl = el diámetro hidráulico del tubo (para un tubo de sección circular, esto es igual al diámetro interno del tubo (m); <v> = la velocidad media del flujo, medida experimentalmente como el caudal Q volumétrico por unidad de área de sección transversal húmeda (m/s)
fü = el factor de fricción de Darcy (también llamado coeficiente de flujo A);
L = la longitud del tubo cilindrico (m).
Por lo tanto, de acuerdo con la ecuación de Darcy-Weisbach (Ecuación 1), una gran relación L/ü corresponde a una gran caída de presión AP (de p i a p2 en la Figura 1A) cuando un fluido F, f fluye a través del conducto 2.
En el régimen laminar, la Ecuación 1 puede reescribirse como
. „ 128 0 L / r - A P = — ^-± -p- — (Ecuación 2)
Por lo tanto, bajo condiciones de flujo laminar o casi en condiciones de flujo laminar, el cambio de presión (AP) a través del tubo en espiral se considera proporcional a la viscosidad (p) del fluido, así como a la relación L/D4.
El flujo laminar se logra con un número de Reynolds (RE) inferior a 4000. Dado que RE = < v> D p /p para el flujo de fluido en un tubo de diámetro D, dicho flujo laminar puede garantizarse ajustando por ejemplo, el diámetro D y/o la velocidad <v> de flujo. De la ecuación 2 está claro que si AP es constante, Q (caudal volumétrico) disminuiría al aumentar la longitud (L) del tubo y, como resultado, también disminuiría la velocidad <v>. Por lo tanto, un tubo en espiral con una longitud (L) de tubo suficiente habría formado un flujo laminar o casi un flujo laminar.
Las características de flujo en un fluido que fluye a través de un orificio se pueden expresar como:
AP = Korificio
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(Ecuación 3)
donde: AP = presión diferencial de fluido a través del orificio (unidad típica: Pa)
Korificio = coeficiente específico del orificio (adimensional)
p = densidad del fluido (unidad de masa por unidad de volumen)
v = velocidad del fluido (unidades de longitud por unidad de tiempo)
Por lo tanto, cuando fluye a través del orificio 4, el fluido experimenta una caída de presión (AP) (de p2 a p3) descrita por la ecuación 3. El cambio en la presión del fluido a través del orificio 4 es casi independiente de la viscosidad, pero proporcional a la densidad y el coeficiente de orificio, así como la velocidad del fluido al cuadrado.
Por lo tanto, con referencia a la Figura 1, la presión p2 del fluido en la cámara B, es decir, entre el tubo 3 en espiral y el orificio 4, cambiará si cambian las propiedades (viscosidad o densidad) del fluido. Esto se ilustra gráficamente en la Figura 2. Un primer valor (bajo) para p2 se forma con un flujo de fluido que tiene una viscosidad de fluido alta (paito) y un segundo valor (alto) para p2 se forma con un flujo de fluido que tiene una viscosidad del fluido baja (pbajo). La diferencia entre los valores de p2 (AP2) que se producen cuando cambian las propiedades del fluido (por ejemplo, una disminución de la viscosidad) se puede utilizar para realizar un trabajo, por ejemplo, accionar un actuador 6, el cual a su vez puede mover un pistón 9 que actúa como un elemento 9 de válvula, posiblemente a través de medios 10 de transmisión hidráulicos y/o eléctricos y/o mecánicos (véase la Figura 3).
En general, la presente invención utiliza el cambio de presión (AP2) que se produce entre dos limitadores de flujo diferentes cuando se someten a fluidos de propiedades diferentes, por ejemplo, petróleo y agua. Estas propiedades pueden ser, por ejemplo, viscosidad, densidad o ambas.
Las Figuras 3A y 3B son esquemas que ilustran dos realizaciones del principio descrito anteriormente. La Figura 3A ilustra una primera realización del dispositivo 100 de control de flujo de la invención en su forma básica (es decir, donde se omiten los sellos, juntas y otras piezas auxiliares requeridas o recomendadas conocidas en la técnica). Un flujo de fluido (F) entra en una carcasa 8 de dispositivo de control de fluido a través de dos rutas 2, 7 de fluido; una ruta 2 de flujo primario (conducto primario) que tiene una entrada 1 de la ruta de flujo primario y una ruta 7 de flujo secundario (conducto secundario) que tiene una entrada 11 de la ruta de flujo secundario. La porción principal (Fo) del flujo de fluido (F), en lo sucesivo como flujo de fluido primario, fluye a través del conducto 2 primario y un elemento 9 de válvula inicialmente abierta. Una porción más pequeña (f) del flujo de fluido (F), por ejemplo, el 5% del flujo de fluido (F0) primario, también denominado como flujo de fluido (f) secundario, fluye a través del conducto 7 secundario el cual incluye un primer limitador 3 de flujo de fluido en forma de un tubo delgado en espiral de longitud L y diámetro D y un segundo limitador 4 de flujo de fluido en forma de un orificio, antes de que entre en el conducto 2 primario y salga de este conducto 2 a través de una salida 5 de flujo de fluido.
Cuando cambia la viscosidad (p) del flujo de fluido (F), también cambia la segunda presión p2 en una cámara B ubicada en el conducto 7 secundario entre los dos reductores 3, 4 de fluido. Por ejemplo, si un flujo de petróleo es reemplazado por agua o gas, la viscosidad disminuye y la segunda presión p2 aumenta como se explicó anteriormente con referencia a las Figuras 1 y 2.
La Figura 3A muestra además (esquemáticamente) un actuador 6 dispuesto dentro, o acoplado a, la cámara B. El actuador 6 está conectado a través de medios 10 de transmisión (por ejemplo, a través de un enlace hidráulico, un enlace mecánico y/o un cable de señal) al elemento 9 de pistón/válvula. El actuador 10 puede ser de cualquier forma que permita el accionamiento del elemento 9 de pistón/válvula, por ejemplo, la superficie de un pistón de válvula está expuesta a la fuerza generada por la presión inducida AP2, tal como la superficie orientada hacia la cámara B.
Cuando la viscosidad (p) del fluido cambia como se describió anteriormente, la diferencia en los valores de p2 (AP2, véase la Figura 1) imparte una fuerza de actuación en el actuador 6, el cual a su vez opera (por ejemplo, cierra) el elemento 9 de pistón/válvula. Por lo tanto, los conductos 2, 7 y los limitadores 3, 4 de flujo de fluido pueden configurarse y dimensionarse de tal manera que (cuando se deba impedir el avance) el elemento 9 de pistón/válvula se cierra automáticamente cuando la viscosidad (p) del fluido (F) cae por debajo de un nivel predeterminado. Como un ejemplo, en una aplicación en un campo petrolífero, este dispositivo 100 impide la entrada de agua y/o gas no deseados en una cadena 101 de producción (véase la Figura 4).
La Figura 3B muestra esquemáticamente una segunda realización del dispositivo 100 de control de flujo inventado. La segunda realización es idéntica a la primera realización con la excepción de que la ruta 7 de flujo secundario no está en comunicación de fluido con la ruta 2 de flujo primario. En cambio, entra como sale de la carcasa 8 a través de rutas de flujo separados. El flujo de fluido (Fo) primario entra a la ruta 2 de flujo primario a partir de la entrada 1 y sale por la salida 5 de la ruta de flujo primario, a la vez que el flujo de fluido (f) secundario entra a la ruta 7 de flujo secundario a partir de la entrada 11 y sale a través de una salida 12 de la ruta de flujo secundario separada. Sin embargo, el principio operativo es el mismo que para la primera realización, es decir, crear una diferencia de presión AP2 entre dos limitadores 3, 4 de flujo de fluido dispuestos al menos parcialmente dentro de la ruta 7 de flujo secundario y utilizar la fuerza creada por esta diferencia de presión para cerrar el flujo de fluido Fo primario que fluye a través de la ruta 2 de flujo primario con la ayuda de un elemento 9 de pistón/válvula.
Las Figuras 4A y 4B muestran dibujos en sección transversal de un dispositivo 100 de control de flujo completo de acuerdo con la invención. La Figura 4A muestra el dispositivo 100 de control de flujo montado en una cadena 101 de producción y la Figura 4B muestra con más detalle el área de la cadena 101 de producción enmarcada en un rectángulo discontinuo (detalle A).
Además del dispositivo 100 de control de flujo, la cadena 101 de producción comprende además un tubo 102 de base en el cual se instala el dispositivo 100 de control de flujo, una pantalla 103 de arena que rodea el tubo 102 de base con el fin de impedir partículas sólidas grandes tales como granos de arena o escombros para entrar en el tubo 102 de base, un manguito 110 exterior que fija un extremo axial de la pantalla 103 de arena al tubo 102 de base, un primer manguito 104 interior configurado para fijar el otro extremo axial de la pantalla 103 de arena sobre el tubo 102 de base y para establecer un canal 105 de fluido de manguito interior a partir de un canal 106 de fluido de pantalla de arena orientado a través o debajo de la pantalla 103 de arena y hacia las entradas 1, 11 de la ruta de fluido del dispositivo 100 de control de flujo.
La cadena 101 de producción comprende además un segundo manguito 107 interior dispuesto en el tubo 102 de base en el lado radial opuesto del dispositivo 100 de control de flujo con respecto al primer manguito 104 interior y una tapa 108 de extremo que sella, o casi sella, el dispositivo 100 de control de flujo instalado a partir del exterior de la cadena 101 de producción, creando así una cámara 109 de entrada cerrada establecida por el primer y segundo manguitos 104, 107 interiores, la tapa 108 de extremo y el tubo 102 de base.
En operación, el fluido (F) fluye a través de la pantalla 103 de arena hacia el canal 106 de fluido de la pantalla de arena, más a lo largo del canal 105 de fluido del manguito interior, hacia la cámara 109 de entrada cerrada a través de una abertura 111 del manguito interior y finalmente a través del dispositivo 100 de control de flujo en el tubo 102 de base.
Como es evidente en la Figura 4, el espacio disponible para el dispositivo 100 de control de flujo en una cadena 101 de producción típica es pequeño. Se considera ventajoso que la carcasa 8 del dispositivo 100 de control de flujo tenga un grosor axial (es decir, el grosor perpendicular a la dirección axial/longitudinal del tubo 102 de base cuando está instalado) que sea tan pequeño como sea técnicamente factible con el fin de impedir o minimizar protuberancia a partir de las paredes externas del tubo 102 de base y/o hacia el interior del tubo 102 de base.
En particular, debe impedirse la protuberancia en el tubo 102 de base, ya que esto podría interferir con las mediciones y/o el trabajo de mantenimiento y/o reparación dentro del tubo 102 de base que pueden ser necesarios/recomendados durante la vida útil operativa de la cadena 101 de producción. Dichas operaciones a menudo implican la inserción de diversos equipos en el tubo 102 de base.
Como se explicó anteriormente, para asegurar una gran diferencia de presión a través del primer limitador 3 de flujo de fluido, la relación L/D4 debería ser grande. Además, el flujo laminar se puede obtener generando un flujo que tenga un número de Reynold menor de 4000, preferiblemente menor de 2500. Esto se puede lograr haciendo que la longitud (L) del tubo que constituye el primer limitador 3 de flujo de fluido sea suficientemente grande.
La Figura 5 muestra una configuración en donde el dispositivo 100 de control de flujo comprende un tubo en espiral que actúa como un flujo laminar que genera un primer limitador 3 de flujo de fluido dispuesto dentro del conducto 7 secundario. Para asegurar el flujo laminar del flujo de fluido (f) secundario que fluye a través del conducto 7 secundario (fiam), y con una gran diferencia de presión (P1-P2), el tubo 3 en espiral está hecho significativamente más largo que el grosor axial (tAicü) de la carcasa 8 del dispositivo de control de flujo.
El primer limitador 3 de flujo de fluido se puede dividir en una parte 3b interior ubicada dentro de la carcasa 8, una parte 3c recta exterior ubicada afuera de la carcasa 8 y en comunicación de fluido con la parte 3b interior y una parte 3d exterior en espiral ubicada afuera la carcasa 8 y en comunicación de fluido con la parte 3c recta exterior. La parte 3d en espiral exterior puede estar en espiral preferiblemente alrededor del tubo 102 de base diversas veces para minimizar el uso espacial requerido en dirección radial al tubo 102 de base (es decir, perpendicular a su dirección longitudinal), minimizando así la interferencia de tamaño del dispositivo 100 de control de flujo de la invención con líneas 101 de producción existentes. Al mismo tiempo, se pueden lograr grandes diferencias de presión y flujo laminar deseados.
La relación entre la longitud del tubo (L) y el grosor axial (tAicD) de la carcasa 8 del dispositivo de control de flujo es preferiblemente superior a 500, más preferiblemente superior a 1000, incluso más preferiblemente superior a 2000, incluso más preferiblemente superior de 3000. En una instalación típica, la longitud del tubo es de 5 metros y el grosor axial es de 14 milímetros.
La Figura 6 muestra una sección del dispositivo 100 de control de flujo que incluye solo las partes situadas dentro o cerca de la carcasa 8 del dispositivo de control de flujo. La carcasa 8, la cual en operación está dispuesta dentro de la pared del tubo 102 de base como se ejemplifica en la Figura 4, muestra las entradas 1, 11 en comunicación de fluido con la cámara 109 cerrada y las salidas 5, 12 en comunicación de fluido con el interior del tubo 102 de base de la cadena 101 de producción.
Un elemento 9 de válvula en la forma de un pistón/disco 9 móvil axialmente está dispuesto dentro de la carcasa 8. El elemento 9 de válvula está en la Figura 6 colocado dentro de un casquillo 18 de flujo de fluido primario dentado, proporcionando este último soporte lateral para el pistón 9 (véase la Figura 7) a la vez que permite los movimientos del pistón axial. El soporte lateral significa poco o ningún movimiento del pistón 9 en la dirección radial, es decir, paralelo al eje longitudinal del tubo 102 de base en el punto de instalación.
Además, la superficie del pistón/elemento de válvula/disco móvil 9 orientada en dirección opuesta a las entradas 1,11 está en la realización que se muestra en la Figura 6 contactando un miembro 10 elástico fijado en su circunferencia exterior a la(s) pared(es) interior(es) adyacente(s) de la carcasa 8. El miembro 10 elástico transmite la fuerza de presión inducida al pistón 9 y asegura que el dispositivo 100 de control de flujo esté en una posición inicial abierta antes de cualquier flujo (F). El miembro 10 elástico puede ser, por ejemplo, un material semiflexible tal como un diafragma.
Con referencia particular a la Figura 7, y junto con la Figura 6, se ve que los dientes 18a dispuestos en la circunferencia exterior del casquillo 18 de flujo de fluido primario actúan como espaciadores axiales entre el pistón 9/el miembro 10 elástico y la pared interior de la carcasa 8, y como aberturas 18b de canal para permitir que el flujo de fluido (Fo) primario fluya radialmente a través de las aberturas 18b entre los dientes 18a.
Como se ve mejor en la Figura 7, el pistón 9 comprende un disco 9a inferior que hace contacto con el miembro 10 elástico y un disco 9b superior dispuesto centralmente en el disco 9a inferior. El diámetro radial exterior del disco 9a inferior, es igual o casi igual, al diámetro interior del casquillo 18 de flujo de fluido primario dentado. El disco 9b superior está dispuesto centralmente en el disco 9a inferior y tiene un diámetro radial el cual es menor que el diámetro radial del disco 9a inferior, por ejemplo igual o ligeramente mayor que el diámetro interior más pequeño de la entrada 1 de la ruta de flujo primario y/o igual o menor que la mitad del diámetro del disco 9a inferior.
Un ejemplo de un diámetro ligeramente mayor de la parte superior del pistón 9 puede ser un diámetro inferior al 10% mayor que el diámetro interior más pequeño de la entrada 1 de la ruta de flujo primario.
Nuevamente, con referencia a la Figura 6, la entrada 11 de la ruta de flujo secundario (que guía el flujo (f) secundario hacia el conducto 7 secundario) y la entrada 1 de la ruta de flujo primario (que guía el flujo de fluido (Fo) primario hacia el conducto 2 primario) se muestran físicamente separadas. Esta configuración particular de las dos entradas 1, 11 se considera que ahorra espacio ya que el grosor axial (tAicD) de la carcasa 8 no necesita adaptarse también al diámetro de entrada de la entrada 11 de la ruta de flujo secundario.
La entrada 1 de la ruta de flujo primario se muestra en la Figura 6 como un casquillo 16 de entrada separado que crea una abertura de entrada en forma de embudo con pared(es) interna(s) suavizada(s) que garantiza(n) un mínimo de turbulencia durante la operación. Una vez más, una pared interior suavizada significa una pared sin bordes afilados y/o protuberancias puntiagudas.
Para impedir la obstrucción del conducto 7 secundario, un filtro 14 en forma de anillo que comprende una malla enmascarada fina cubre la entrada 11 de la ruta de flujo secundario, impidiendo así que cualquier partícula que tenga un diámetro mayor que el tamaño de la malla, ingrese al conducto 7 secundario. El tamaño de la malla debe ser significativamente menor que el área de sección transversal más pequeña del conducto 7 secundario. Se tiene en cuenta que la malla enmascarada fina puede ser cualquier objeto que permita el filtrado de partículas, por ejemplo, una malla compuesta de alambres, una placa perforada, o una combinación de las mismas.
Con referencia a las Figuras 4 - 8, la parte 3b interior del primer limitador 3 de flujo de fluido está configurada por un casquillo 19 de flujo de fluido secundario que tiene una abertura central interior para el flujo de fluido (Fo) primario. El casquillo 19 de flujo de fluido secundario comprende uno o más primeros bordes 19a de bloqueo que se extienden a lo largo de la circunferencia de la abertura central interior, y un segundo borde 19b de bloqueo o una pluralidad de dientes 19b de bloqueo que corren a lo largo de la circunferencia exterior del casquillo 19 de flujo de fluido secundario creando al menos una abertura 19c de casquillo a través de la cual el flujo (f) secundario puede fluir después de haber entrado en la entrada 11 de la ruta de flujo secundario.
En esta configuración de ejemplo, el segundo borde de bloqueo externo o los dientes 19b de bloqueo dispuestos radialmente se insertan en recesos dedicados en la carcasa 8 y, a continuación, se giran de tal manera que el borde/dientes 19b se guíen en pistas y bloqueen el casquillo 19, impidiendo así los desplazamientos axiales.
Además, para asegurar que el casquillo 19 no alcance ninguna posición de rotación no deseada durante y/o después del posicionamiento, el filtro 14 mencionado anteriormente tiene en esta configuración un propósito adicional además de filtrar partículas sólidas del flujo secundario. Como es más evidente en las Figuras 7 y 8, el filtro 14 comprende una o más protuberancias 14a exteriores que sobresalen radialmente hacia afuera de la circunferencia exterior del filtro 14 y una o más protuberancias 14b interiores que sobresalen radialmente hacia adentro de la circunferencia interior del filtro 14.
Al encajar la protuberancia(s) 14b interior(es) dentro del o los borde(s) 19a de bloqueo internos del casquillo 19, se logra un efecto de bloqueo rotacional. Además, la(s) protuberancia(s) 14a exterior(es) se puede(n) insertar en el o los receso(s) anteriormente mencionado(s), fijando así el filtro 14 a la carcasa 8.
El dispositivo 100 de control de flujo de fluido también puede comprender un sello 26 de casquillo, por ejemplo una junta tórica, dispuesta de manera estanca entre el casquillo 19 y el casquillo 16 de entrada (véase la Figura 8A), impidiendo así cualquier fuga no deseada entre la ruta 2 de flujo primario y la ruta 8 de flujo secundario durante la operación.
El casquillo 19 de flujo de fluido secundario está sellado de la carcasa 8 por una junta tórica 15 que corre a lo largo de la circunferencia exterior del casquillo 19 de flujo de fluido secundario, debajo o parcialmente debajo, del borde 19b de bloqueo o la pluralidad de dientes 19b de bloqueo.
La abertura 19c de casquillo, o al menos una de la pluralidad de aberturas 19b de casquillo, está alineada con el o los canal(es) de salida que constituye(n) la parte 3b interior del primer limitador 3 de flujo de fluido. Por lo tanto, el flujo de fluido (f) secundario pasa a través de una o más de las aberturas 19b de casquillo alineadas, y más hacia la parte 3b interior. El flujo (f) secundario fluye posteriormente hacia la parte 3c recta exterior situada afuera de la carcasa 8, a través de la parte 3d en espiral exterior, y de regreso a la carcasa 8 a través de uno o más canales 21 de retorno dentro de la carcasa 8. El canal 21 de retorno guía el flujo de fluido (fiam) secundario a través de la cámara B situada debajo del pistón 9 y el miembro 10 elástico, a través de un segundo limitador 4 de flujo de fluido en forma de un orificio y hacia afuera a través de la salida 12 de la ruta de flujo secundario. El orificio 4 está dispuesto en un casquillo 17 de salida que está fijado en comunicación de fluido con la salida 12 de la ruta de flujo secundario. El orificio 4 puede ser ajustable, permitiendo así el ajuste del grado de turbulencia del flujo de fluido (ftur) secundario.
Con el fin de fijar el dispositivo 100 de control de flujo sobre el tubo 102 de base, la carcasa 8 presenta una pluralidad de aberturas 23 pasantes configuradas como medios de fijación de recepción tales como tornillos roscados o pernos (no se muestran).
En uso, un flujo de fluido F (por ejemplo, petróleo de un depósito subterráneo) se divide en un flujo de fluido Fo primario que entra en la carcasa 8 a través de la entrada 1 de la ruta de flujo primario y un flujo de fluido f secundario menor que entra en la carcasa 8 a través del entrada 11 de la ruta de flujo secundario. Dentro de la carcasa 8, el flujo de fluido Fo primario sigue el conducto 2 primario antes de salir de la carcasa 8 a través de la(s) salida(s) 5 de la ruta de flujo primario y dentro del tubo 102 de base.
La porción restante del flujo de fluido F, el flujo de fluido f secundario, fluye a través del conducto 7 secundario, es decir, a través del filtro 14, el casquillo 19 de flujo de fluido secundario, el tubo 3 en espiral, el canal 21 de retorno, la cámara B, el orificio 4 y finalmente en el tubo 102 de base a través de la(s) salida(s) 12 de la ruta del flujo secundario. Si agua y/o gas entran al flujo F, lo que hace que la viscosidad p general disminuya, la diferencia resultante en los valores de p2 (AP2 , véase la Figura 2) sirve para ejercer una fuerza de presión contra una superficie 6 de accionamiento del pistón 9 y el diafragma 7 orientado en dirección opuesta a las entradas 1, 11 (véase la línea gruesa en la Figura 6). Este cambio de presión que actúa sobre la superficie 6 de accionamiento genera una fuerza motriz la cual sirve para forzar la parte 9b superior del pistón 9 hacia la entrada 1 de la ruta de flujo primario, impidiendo así que el flujo de fluido Fo primario adicional entre en la carcasa 8. El diafragma 10 asegura una fuerza elástica predominante o fuerza de desviación en el pistón 9 la cual se dirige lejos de la entrada 1 de la ruta de flujo primario. Como resultado, el pistón 9 permanece en una posición abierta con respecto a la entrada 1 de la ruta de flujo primario cuando el flujo de fluido Fo primario está ausente o es lo suficientemente pequeño como para no contrarrestar la fuerza elástica.
Las Figuras 9-10 ilustran una configuración particular con el objetivo de lograr un cierre/apertura eficaz y rápido de la válvula 100 de control de flujo en caso de penetración de fluido multifásico, tal como durante la transición de fluido 122 de alta viscosidad (por ejemplo, petróleo) a fluido 120 de baja viscosidad (por ejemplo, gas o agua). En la Figura 9, se muestra una cadena 101 de producción dentro de una formación 123, por ejemplo la formación de un lecho marino. Un depósito de fluido que incluye, por ejemplo, gas 120 y petróleo 122, está ubicado entre la formación 123 circundante y el exterior de la cadena 101 de producción. La interfaz 121 de fluido de baja viscosidad - alta viscosidad, tal como la interfaz gas-agua, se indica en la Figura 9 como una línea horizontal. Además, la cadena 101 de producción comprende un tubo 102 de base y una válvula 100 de control de flujo que establece una abertura que se puede cerrar entre el depósito y el interior del tubo 102 de base. El dispositivo 100 de control de flujo se muestra en la Figura 9 en una posición inclinada con respecto a la interfaz 121 de fluido, y en una posición en el tubo 102 de base que corresponde a una altura que está a nivel con la interfaz 121 de fluido. En esta configuración particular, la interfaz 121 de fluido está ubicada aproximadamente en el medio de la entrada 1 de la ruta de flujo primario. La posición de cada dispositivo 100 de control de fluido en un tubo 102 de base es aleatoria.
Con particular referencia a la Figura 10, con el fin de asegurar un cierre/apertura eficaz y rápido del compartimento que forma parte de la ruta 7 de flujo secundario, y que está configurado por el casquillo 19 de flujo de fluido secundario y el filtro 14 de entrada, contiene un canal 3a de entrada múltiple interior que tiene al menos dos entradas 22 que son diagonales, o dos casi diagonales entre sí con respecto a la entrada 1 de flujo de fluido. Con la disposición inclinada que se muestra en la Figura 9, y la parte 3b interior del tubo 3 en espiral dirigida perpendicular al papel de la Figura 9, el dispositivo 100 de control de flujo, como resultado de la disposición mutuamente diagonal de las dos entradas 22 espaciadas, produciría principalmente fluido de baja viscosidad, tal como gas o agua 120, en la entrada 22 superior. La razón es que la resistencia (fricción) es menor que la del fluido de alta viscosidad tal como el petróleo 122. Por lo tanto, la velocidad de flujo del fluido de baja viscosidad es mayor, provocando un cierre más rápido del dispositivo 100 de control de flujo en caso de flujo multifásico.
Nótese que para todas las realizaciones anteriores, la divulgación no se limita a un material específico o una geometría específica. De hecho, cualquier elección de material y/o geometría es posible siempre que uno de los limitadores cree un flujo principalmente laminar y el otro limitador cree un flujo principalmente turbulento durante la operación. Además, incluso si se usan palabras direccionales como debajo, radial y axial con referencia a los dibujos, debe entenderse que estas palabras se usan solo para mayor claridad y no deben interpretarse como una limitación de la posición direccional del dispositivo de control inventivo.
Todas las realizaciones del dispositivo de control de flujo inventivo descritas anteriormente son autónomas en el sentido de que se mueven (para cerrar o abrir una entrada de fluido) con base en una propiedad cambiante (por ejemplo, viscosidad p) del fluido F. El tubo 3 en espiral, el orificio 4, las dimensiones internas de la carcasa 8 y los casquillos 18, 19 dispuestos internamente pueden diseñarse para adaptarse a diversas aplicaciones.
Como un ejemplo de resultados de medición que utilizan el dispositivo 100 de control de flujo de la invención, se hace referencia a las Figuras 11A, 11B y 11C.
La Figura 11A es un dibujo principal del dispositivo 100 de control de flujo autónomo de la invención configurado para impedir que los fluidos de baja viscosidad, tales como el gas y el agua, entren en la fase de flujo deseada de fluidos de alta viscosidad, tales como el petróleo, y donde las diversas fuerzas Fi, F2 , F3, establecidas por los flujos de fluido se indican, junto con las presiones Pi, P2 , P3 correspondientes y las áreas Ai, A2, A3 transversales.
La Figura 11B muestra la fuerza neta medida IF1-3 que actúa sobre el pistón 9 móvil (eje vertical) como una función de la caída de presión (p3 -pi) a través del dispositivo 100 de control de flujo (eje horizontal). Los valores de la fuerza neta y la caída de presión se dan en Newtons y bares, respectivamente.
La fuerza neta representa la suma de las fuerzas IF1-3 sobre el pistón 9 que abre el dispositivo 100 de control de flujo cuando IF1-3 es positiva, y cierra el dispositivo 100 de control de flujo cuando I f-i-3 es negativa. La Figura 11B muestra que, a la vez que el dispositivo 100 de control de fluido está abierto cuando se somete a petróleo (fluido de alta viscosidad), se cierra casi instantáneamente cuando se somete a gas y agua (fluido de baja viscosidad).
IF1-3 se basa en las mediciones de la caída de presión (ps-pi) en el elemento 3 de flujo laminar y el elemento 4 de flujo turbulento respectivamente, ambos dispuestos dentro de la ruta 7 de flujo secundario. La Figura 11C muestra la relación de caída de presión de flujo laminar y turbulento APiaminarlAPturbuiento para un fluido dado (eje vertical) como una función de las caídas de presión indicadas en la Figura 11B (eje horizontal). Con base en IF1-3 se puede calcular que el dispositivo 100 de control de flujo se abre cuando:
Pí • A1 P3 • A3 - P2 • A2 > 0
Estos ejemplos de medición están destinados a ilustrar la función del dispositivo 100 de control de flujo de la invención. Debe entenderse que los limitadores 3, 4 de flujo de fluido pueden disponerse y configurarse de manera diferente. Por ejemplo, los limitadores 3, 4 de flujo de fluido pueden invertirse en la ruta del flujo si el dispositivo está destinado a ser utilizado en un depósito de gas y es deseable impedir que un fluido de mayor viscosidad, tal como el agua, entre en la producción.
También debe entenderse que el dispositivo 100 de control de flujo de la invención puede disponerse y configurarse para controlar e impedir la entrada de flujo de otros fluidos, tales como CO2 (el cual se ha inyectado en el depósito) y vapor (inyectado en relación con, por ejemplo, el denominado Drenaje por Gravedad Asistido por Vapor (SAGD) de petróleo pesado), y agua en pozos productores de gas.
Numerales de referencia:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo (100) de control de flujo de fluido para establecer una comunicación de fluido controlable de un flujo de fluido (F) entre un depósito (120-122) de fluido externo y un tubo (102) de base de una cadena (101) de producción, que comprende
- una ruta (2) de flujo primario dispuesta dentro de una carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, comprendiendo la ruta (2) de flujo primario
una entrada (1) de la ruta de flujo primario configurada para guiar un flujo de fluido (Fo) primario axialmente en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a partir del depósito (120-122) de fluido externo durante la operación, en donde se definen las direcciones axial y radial como la dirección perpendicular y paralela a la dirección longitudinal del tubo (102) de base, respectivamente, y
una salida (5) de la ruta de flujo primario configurada para guiar el flujo de fluido (Fo) primario al interior del tubo (102) de base durante la operación,
- una ruta (7) de flujo secundario que comprende un primer limitador (3) de flujo de fluido configurado para generar una disminución de presión a partir de una presión p i contra la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido a una presión p2 con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido, un segundo limitador (4) de flujo de fluido dispuesto con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido y configurado para generar una disminución de presión a partir de la presión p2 contra la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido a una presión p3 con la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido y una cámara (B) dispuesta con la corriente del primer limitador (3) de flujo de fluido y contra la corriente del segundo limitador (4) de flujo de fluido y
- un elemento (9) de válvula móvil dispuesto dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido y configurado para cerrar la ruta (2) de flujo primario para el flujo de fluido cuando se expone a una fuerza de presión a partir del interior de la cámara (B) que excede una fuerza de presión umbral, caracterizado por que
la ruta (7) de flujo secundario comprende una entrada (11) de la ruta de flujo secundario dispuesta dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido que tiene un desplazamiento radial con respecto a la ruta (2) de flujo primario en su entrada a la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido y
en donde la entrada (11) de la ruta de flujo secundario está configurada además para guiar un flujo de fluido (f) secundario a partir del depósito (120-122) de fluido hacia la ruta (7) de flujo secundario de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido
de tal manera que, durante la operación, el flujo de fluido (F) se divide en
el flujo de fluido (Fo) primario que entra a la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la primera ruta (2) de fluido y
el flujo de fluido (f) secundario que entra en la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido a través de la ruta (7) de fluido secundario.
2. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la entrada (11) de la ruta de flujo secundario está orientada de tal manera que el flujo de fluido (f) secundario fluye axialmente hacia la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido durante la operación.
3. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el dispositivo (100) de control de flujo comprende además
- un casquillo (16) de entrada dispuesto axialmente dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de flujo para guiar el flujo de fluido (Fo) primario a su través y
- un primer disco (19) en forma de anillo dispuesto axialmente debajo de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario con su abertura centrada alrededor del casquillo (1, 16) de entrada,
comprendiendo el primer disco (19) en forma de anillo
- un primer borde (19a) de bloqueo dirigido axialmente a lo largo de la circunferencia de la abertura central interior del primer disco (19) en forma de anillo.
4. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el primer disco (19) en forma de anillo comprende además
- un segundo borde (19b) de bloqueo dirigido axialmente a lo largo de la circunferencia exterior del primer disco (19) en forma de anillo que tiene al menos una abertura (19c) configurada para guiar el flujo de fluido (f) secundario que fluye a través de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario en el limitador (3, 4) de flujo de fluido durante la operación.
5. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (100) de control de flujo de fluido comprende además
- un filtro (14) dispuesto a través de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario para impedir que las partículas de estado sólido dentro del flujo de fluido (F) entren en la ruta (7) de flujo secundario, a la vez que permite que el flujo de fluido (Fo) primario fluya sin filtrar a través de la entrada (1) de la ruta de flujo primario durante la operación.
6. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
uno del primer y segundo limitadores (3, 4) de flujo de fluido comprende un tubo de longitud L y un diámetro hidráulico medio <Dl> promediado a través de la longitud L,
en donde la longitud (L) y el diámetro hidráulico medio (<Dl>) se eligen para lograr una característica de flujo laminar que fluye afuera del primer y segundo limitadores (3, 4) de flujo de fluido.
7. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque
uno del primer y segundo limitadores (3) de flujo de fluido comprende un tubo de longitud L y un diámetro hidráulico medio <Dl> medido a través de la longitud L,
en donde la longitud (L) y el diámetro hidráulico medio (<Dl>) se eligen para lograr una relación entre la longitud L y el diámetro hidráulico medio <Dl> que da como resultado un número de Reynold del flujo de fluido (RE) que es igual o menor que 4000, el número de Reynold se define como
Figure imgf000016_0001
donde
Q es como el caudal volumétrico Q (m3/s),
<Al> es el área húmeda de la sección transversal media a lo largo de la longitud L (m/s),
<Dl> es el diámetro hidráulico medio a lo largo de la longitud L (m)
p es la densidad del caudal de fluido (kg/m3) y
p es la viscosidad dinámica del fluido (kg/ms).
8. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer limitador (3) de flujo de fluido comprende
- un canal (13) de salida interior ubicado dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido que está en comunicación de fluido con la entrada (11) de la ruta de flujo secundario,
- un tubo (3b, 3c) exterior de longitud L* ubicado afuera de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido que está en comunicación de fluido con el canal (13) de salida interior y
- un canal (21) de retorno interior ubicado dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido en comunicación de fluido con el tubo (3b, 3c) exterior,
en donde una sección (3d) del tubo (3b, 3c) exterior está en espiral.
9. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
la ruta (7) de flujo secundario comprende una salida (12) de la ruta de flujo secundario y porque
más del 70% de la longitud de la ruta (7) de flujo secundario a partir de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario y la salida (1) de la ruta de flujo secundario está ubicada afuera de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido.
10. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento (9) de válvula móvil comprende
- un disco (9a) inferior que tiene una superficie de disco orientada hacia la cámara B y
- un disco (9b) superior dispuesto con una superficie de disco en el disco (9a) inferior y la otra superficie de disco orientada hacia la entrada (1) de la ruta de flujo primario,
en donde el diámetro de disco del disco (9b) superior es menor que el diámetro de disco del disco (9b) inferior y en donde la transición axial entre el disco (9a) inferior y el disco (9b) superior es suave.
11. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (100) de control de flujo de fluido comprende además
- un segundo disco (18) en forma de anillo dispuesto con su abertura centrada alrededor de la circunferencia exterior del elemento (9) de válvula móvil, comprendiendo el segundo disco (18) en forma de anillo
- un borde (18a) dirigido axialmente que se extiende a lo largo de la circunferencia exterior del segundo disco (18) en forma de anillo configurado para crear una distancia axial fija entre la superficie que se extiende radialmente del segundo disco (18) en forma de anillo orientado hacia la entrada (1) de la ruta de flujo primario y una pared interior de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, en donde el borde (18a) dirigido axialmente muestra al menos una abertura (18b) configurada para guiar el flujo de fluido (Fo) primario que fluye a través de la entrada (1) de la ruta de flujo primario a partir del elemento (9) de válvula móvil hacia la salida (5) de la ruta de flujo primario.
12. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer limitador (3) de flujo de fluido comprende un tubo (3a) de entrada múltiple que presenta al menos dos entradas (25) separadas radialmente, alrededor de la entrada de la ruta de flujo primario, estando en comunicación de fluido con el flujo de fluido secundario (f) que fluye a través de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario.
13. El dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer limitador (3) de flujo de fluido comprende
- un tubo (3a) de entrada múltiple que muestra al menos dos entradas (25) dispuestas en diagonal, o casi en diagonal, alrededor de la entrada (1) de la ruta de flujo primario, en comunicación de fluido con el flujo de fluido (f) secundario que fluye a través de la entrada (11) de la ruta de flujo secundario,
- un canal (13) de salida interior dispuesto dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, que está en comunicación de fluido con el tubo (3a) de entrada múltiple,
- un tubo (3b, 3c) exterior de longitud L* dispuesto al menos parcialmente afuera de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, que está en comunicación de fluido con el canal (13) de salida interior y
- un canal (21) de retorno interior ubicado en el interior de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido, en comunicación de fluido con el tubo (3b, 3c) exterior.
14. Una cadena de producción para el transporte de hidrocarburos, en donde la cadena de producción comprende
- tubo (102) de base,
- un recinto (104, 107, 108) dispuesto en la pared exterior del tubo (102) de base que tiene al menos una abertura (111) de entrada del recinto y
- un dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-13,
en donde el dispositivo (100) de control de flujo de fluido está dispuesto en un orificio pasante de la pared del tubo (102) de base dentro del recinto (104, 107, 108) de tal modo que se obtenga una comunicación de fluido controlable entre el recinto (104, 107, 108) y el interior del tubo (102) de base, y
en donde el recinto (104,107,108) está configurado para proporcionar una cámara (109) de entrada que cubre al menos una abertura (111) de entrada de recinto del recinto (104, 108, 108) y que cubre la entrada (1) de la ruta de flujo primario y la entrada (11) de la ruta de flujo secundario del dispositivo (100) de control de flujo de fluido.
15. Un método para controlar el flujo de fluido (F) con base en cambios en las propiedades del fluido usando un dispositivo (100) de control de flujo de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, comprendiendo el método las etapas:
- guiar el flujo de fluido (Fo) primario que constituye una porción principal del flujo de fluido (F) a través de la ruta (2) de flujo primario dentro de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido; y
- guiar el flujo de fluido (f) secundario a través de la ruta (7) de flujo secundario, constituyendo el flujo de fluido (f) secundario una porción menor del flujo de fluido (F) cuando el dispositivo (100) de control de fluido está en una posición abierta, en donde una porción principal de la longitud de la ruta (7) de flujo secundario se extiende afuera de la carcasa (8) del dispositivo de control de fluido.
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