WO2015074126A1

WO2015074126A1 - Método para controle da vazão de injeção de fluidos em reservatórios e regulador de fluxo ajustável

Info

Publication number: WO2015074126A1
Application number: PCT/BR2013/000503
Authority: WO
Inventors: Alcino Resende De Almeida; Edson HENRIQUE BOLONHINI
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-05-28
Also published as: AR098332A1

Abstract

Esta invenção trata de um método para controle da vazão de injeção de água ou outros fluidos em reservatórios subterrâneos de petróleo e de um regulador de fluxo ajustável para uso preferencial com este método. O método consiste basicamente em adicionar pequenas e controladas quantidades de um gás na água, reduzindo a velocidade do som o que facilita que se tenha escoamento crítico através do regulador de fluxo, particularmente aqueles equipados com venturi. O regulador de fluxo apresenta um corpo central em um alojamento cónico permitindo o ajuste da área aberta ao escoamento e, consequentemente da vazão, pelo acionamento de um atuador. Usado em conjunto com o método ele aumenta os benefícios, pois, entre outras vantagens, um mesmo regulador pode cobrir ampla faixa de vazões de injeção.

Description

MÉTODO PARA CONTROLE DA VAZÃO DE INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS E REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção pertence ao campo dos métodos e aparelhos para obter óleo, gás, água, matérias solúveis ou fundíveis ou lamas minerais de poços. Mais especificamente, a invenção pertence ao campo dos métodos ou aparelhos para controlar o fluxo dos fluidos em poços; bem como ao campo das disposições para válvulas utilizadas em poços.

ESTADO DA TÉCNICA

A injeção de água para aumento da recuperação de petróleo é um recurso muito antigo e bem conhecido. Há várias configurações possíveis, mas, em geral, tem-se um arranjo de poços injetores em que água é injetada em uma ou várias zonas rochosas subterrâneas, que são drenadas por um arranjo de poços produtores associados. Em cada poço injetor, a água pode ser injetada numa única ou em várias zonas rochosas subterrâneas de maneira conjugada ou seletiva. A água usada pode ser doce ou a água do mar ou, ainda, água com adição de sais. Em certos casos usam-se polímeros ou outros produtos químicos com o propósito de aumentar ainda mais o fator de recuperação em relação àquele obtido com a água isoladamente. Alguns aditivos químicos específicos também podem ser adicionados como bactericidas, inibidores, etc. Por simplificação, todas essas possibilidades de fluido de injeção à base de água serão aqui doravante chamadas genericamente de "água".

Com o intuito de controlar a vazão de injeção, equipamentos chamados de "reguladores de fluxo" são empregados nos pontos de injeção ao longo da coluna de tubos dos poços injetores. Os reguladores de fluxo são pequenas válvulas onde, na configuração mais comum, há uma placa de orifício contra a qual atua a ponta de uma haste presa a uma mola que assim controla a área aberta ao escoamento e, portanto, a vazão através do regulador. A vazão do fluido injetado é, basicamente, função da pressão a montante do regulador e da diferença de pressão entre a pressão a montante e a jusante do regulador. Há variantes nas conformações internas e, embora não seja o mais comum, há até aplicações em que se usam reguladores que não apresentam controle de abertura, isto é, a área da maior restrição ao escoamento é constante.

Usualmente, os reguladores são testados na superfície com água doce e curvas de desempenho (também chamadas de curvas características) são obtidas em função das pressões envolvidas e da mola usada. Com a aplicação de algumas correções pode-se estimar a vazão na aplicação real.

Por facilidade, normalmente os reguladores de fluxo são externamente semelhantes às válvulas usadas no gas lift, que é um método de elevação artificial empregado em poços produtores. Desta maneira, os mesmos mandris de bolsa lateral ou similares podem ser usados para alojar estes reguladores e, tal como nas válvulas de gas lift, ferramentas de arame (wireline) podem ser usadas para trocá-los.

Nas válvulas de gas lift, deseja-se controlar o escoamento de gás no sentido do anular (entre revestimento e coluna de tubos) para o interior da coluna de tubos. Esse gás se mistura com os fluidos provenientes do(s) reservatório(s) reduzindo a densidade aparente acima do ponto de injeção e reduzindo assim a contrapressão no reservatório, promovendo produção numa vazão mais elevada. Já nos reguladores de fluxo, o escoamento de água é no sentido coluna de tubos para o anular e, daí, para o(s) reservatório(s) com o propósito de repor nos poços injetores o volume de fluido produzido pelos poços produtores e, assim, manter a pressão desse(s) reservatório(s) num nível adequado. Essa diferença de propósitos e outras relacionadas ao fluido e ao controle da vazão em si fazem com que normalmente as válvulas de gas lift e os reguladores de fluxo apresentem diferentes conformações internas. Entretanto, alguns elementos básicos podem ser vistos nos dois tipos de válvula. Ambas apresentam um elemento primário de controle de vazão que pode ser, por exemplo, uma placa de orifício. Também tal como nas válvulas de gas lift, os reguladores de fluxo são normalmente equipados com uma válvula de retenção ou check valve para impedir o escoamento no sentido inverso ao requerido. Essas semelhanças, por outro lado, fazem com que, em certos casos, os reguladores de fluxo utilizados sejam válvulas de gas lift adaptadas. Mais especificamente, em certo número de poços de injeção de água no Brasil, por exemplo, são empregados reguladores de fluxo obtidos da adaptação de válvulas de gas lift com venturi.

Válvulas de gas lift com venturi são muito usadas para que o escoamento crítico do gas lift possa ser obtido com diferencial de pressão entre o anular e o tubo relativamente pequeno. Com isso, a vazão de injeção de gás fica constante, independentemente das flutuações de pressão do escoamento dentro do tubo. Isso traz uma série de vantagens como, por exemplo, maior estabilidade do escoamento.

Seria interessante que o mesmo ocorresse no caso da injeção de água. Porém, a velocidade de propagação do som na água é muito maior do que no gás e, assim, diferenciais de pressão enormes e até impraticáveis seriam necessários. Isso ocorre porque a água é um fluido praticamente incompressível, ao contrário do gás.

Dessa forma, o controle da vazão injetada de água, naqueles casos aonde válvulas de venturi são usadas no lugar de reguladores de fluxo convencionais, é feito através da manutenção de certa pressão de injeção na superfície e do dimensionamento dos venturis para a injeção da cota de água desejada em cada zona. Esse dimensionamento é feito baseado em curvas experimentais realizadas na superfície e extrapoladas para as condições de fundo. O controle de quanto está sendo injetado em cada zona pode ser inferido pela medição das pressões a montante, mas variações nas condições de injeção em uma zona afetam a cota de injeção naquela zona e em outras também. Intervenções com wireline para troca dos reguladores são necessárias e sempre há dificuldade para balancear todo o sistema.

Além disso, os venturis convencionais dimensionados para zonas de baixa cota de injeção podem apresentar diâmetros de garganta tão pequenos quanto 2 mm, por exemplo. Além de serem de difícil fabricação, tais venturis são mais propícios a bloqueios por detritos eventualmente existentes na água de injeção.

Por outro lado, os reguladores de fluxo clássicos frequentemente sofrem erosão de seus componentes internos. Nesse aspecto, venturis são elementos mais adequados do que as placas de orifício dos reguladores de fluxo clássicos e esse é o principal motivo que levou ao emprego dos venturis em injeção de água no Brasil.

Diversos documentos de patente descrevem tecnologias que visam melhorar o controle da injeção, bem como melhorar o controle de pressão do líquido ou do gás injetado em um poço injetor. Também vários documentos de patente descrevem tecnologias relativas à gas lift e que tem relação com a presente invenção. A seguir alguns exemplos são citados meramente como referência.

O documento norte-americano US 7,784,553 B2 descreve um aperfeiçoamento para reguladores de fluxo para injeção de água e que segue nos seus elementos básicos a configuração usual desses reguladores de fluxo. Descreve, portanto, o atual estado da técnica desse equipamento.

O documento brasileiro PI 9300292-0, de titularidade da requerente, descreve a válvula de gas lift com venturi convencional, que é o tipo de venturi mais usado atualmente.

O documento brasileiro PI 0100140-0, também de titularidade da requerente, descreve uma válvula de gas lift com venturi de corpo central no qual o escoamento de gás se dá através de um anular entre um alojamento cilíndrico ou cónico e um corpo central de diâmetro variável formando um bocal anular, uma garganta anular e um difusor anular. O venturi de corpo central apresenta vantagem em relação ao convencional por não haver risco de bloqueio total devido a detritos eventualmente existentes na corrente de gás. Os inventores da presente invenção observaram que essa característica é até mais importante para uso em injeção de água do que é em produção por gas lift, uma vez que, no primeiro caso, os diâmetros requeridos para as gargantas de venturis convencionais são muito pequenos e é comum a água de injeção carrear diversos detritos.

Os documentos GB 2435487 e GB 2474400 descrevem válvulas contendo um venturi que possui uma "garganta" com um plug que são reguláveis, de modo a controlar o fluxo de gás natural ou vapor de água que passa pela válvula. Também descrevem um método de extração de um fluido de um poço pelo uso destas válvulas. A aplicação dessa solução em injeção de água, não cogitada por aquele inventor, traz basicamente as mesmas vantagens do emprego de venturi de corpo central, não trazendo melhoria na questão do controle da vazão de injeção de água.

Por conta desses e outros aspectos, as soluções existentes não são as ideais e persiste a limitação de não se dispor de um método que permita um controle melhor da cota de injeção de água em um poço e de um regulador de vazão associado que tenha geometria que permita esse controle, dificulte a erosão e permita fabricação com a tolerância dimensional requerida, com o acabamento superficial adequado e que possua baixo risco de bloqueio por detritos.

É esse problema que a presente invenção visa resolver, associando a adição de uma pequena quantidade de gás na água de injeção com o uso preferencial de um regulador com venturi de corpo central ajustável. A adição de gás reduz drasticamente a velocidade do som na mistura bifásica a ser injetada permitindo com isso que o escoamento crítico seja estabelecido no regulador mesmo com um modesto diferencial de pressão através dele. A geometria interna do regulador da presente invenção não favorece a erosão, é fácil de fabricar atendendo as tolerâncias e o acabamento superficial requerido e tem risco nulo ou muito baixo de bloqueio devido a detritos.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

Os objetivos desta invenção são prover um método de controle da vazão de injeção de água em poços injetores para pressurização dos reservatórios de petróleo ou gás natural e um equipamento para regular a vazão de injeção de água em uma zona de um poço injetor, equipamento esse para uso preferencial em conjunto com esse novo método.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção trata de um método de controle de injeção de fluidos líquidos em reservatórios de petróleo e gás, que combina elementos do estado da técnica para promover as condições de injeção desejadas e provê um fluido líquido com uma fração de fluido gasoso a ser injetado no reservatório.

Também é objeto da presente invenção um regulador de fluxo ajustável para injeção de fluidos em reservatórios de óleo e gás, que compreende:

a) Um alojamento que consiste de um corpo cilíndrico dotado de três regiões internas, sendo uma primeira região com diâmetro interno constante e menor, uma segunda região intermediária e em forma de tronco de cone, com sua extremidade menor coincidindo com o final da primeira região, e uma terceira região com diâmetro constante e maior, coincidindo com a extremidade maior da segunda região;

b) Um corpo central, axialmente simétrico e concêntrico ao alojamento, formado essencialmente por uma primeira seção semi-esférica seguida por um tronco de cone de semi-ângulo, com uma haste ligada por uma de suas extremidades à primeira seção semi-esférica, posicionado no interior do alojamento formando um espaço anular entre o alojamento e o corpo central; c) Pelo menos dois orifícios de admissão provido na primeira região do alojamento por onde o fluido a ser injetado no reservatório é admitido para dentro do regulador de fluxo;

d) Um atuador, ligado à haste e que possibilita sua movimentação e tornando o corpo central ajustável, posicionado à montante dos orifícios de admissão.

Preferencialmente, o método descrito deve ser realizado com uso do regulador de fluxo também descrito neste documento. Entretanto, o referido método é passível de realização com outros reguladores de fluxo do estado da técnica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para se obter uma total e completa visualização dos objetos desta invenção, é necessária a leitura deste documento e a análise dos desenhos que o acompanham e aos quais se faz referências conforme segue abaixo.

Figura 1 - apresenta de forma esquemática, em corte parcial longitudinal, um poço injetor aonde há injeção em duas zonas.

Figura 2 - apresenta de forma esquemática, em corte parcial longitudinal, um mandril equipado com um regulador de fluxo.

Figura 3 - gráfico da variação da velocidade do som de uma mistura bifásica gás-líquido em função da fração de gás.

Figura 4 - apresenta de forma esquemática, em corte longitudinal uma primeira modalidade construtiva do regulador de fluxo da presente invenção.

Figura 5 - apresenta de forma esquemática, em corte longitudinal, um mandril equipado com a primeira modalidade do regulador de fluxo da presente invenção.

Figura 6 - apresenta de forma esquemática, em corte longitudinal uma segunda modalidade construtiva do regulador de fluxo da presente invenção.

Figura 7 - apresenta de forma esquemática, em corte longitudinal, um mandril equipado com a segunda modalidade do regulador de fluxo da presente invenção.

Figura 8 - apresenta de forma esquemática, em corte longitudinal, um mandril equipado com uma terceira modalidade construtiva do regulador de fluxo da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um método para controle da vazão de injeção de fluidos em reservatórios e o regulador de fluxo ajustável que torna viável e vantajosa a execução do método. Para uma melhor compreensão, a invenção será descrita com base nas figuras.

A Figura 1 ilustra o esquema didático de um poço injetor de água (1) equipado para injetar em duas zonas ou reservatórios (2a) e (2b) situados em diferentes profundidades. Apesar de existirem outras situações e configurações, o esquema simplificado da Figura 1 se aplica com adaptações conhecidas pelos versados na técnica. O poço apresenta um revestimento (3) que é canhoneado na altura das zonas (2a) e (2b) comunicando-as com o interior do poço. Uma tubulação de injeção (4) encontra-se instalada no poço. Essa tubulação é também chamada de coluna de injeção. Obturadores (também chamados de packers) (5a), (5b) e (5c) isolam as zonas (2a) e (2b) uma da outra. Na coluna (4) há dois mandris (6a) e (6b) colocados alternadamente entre os obturadores. Cada mandril fica numa profundidade próxima da zona correspondente e possui dentro de sua bolsa lateral interna um regulador de fluxo (não mostrado na figura). Na superfície, há uma cabeça de poço (7) onde a coluna (4) está conectada. Água preparada e pressurizada numa facilidade específica, não mostrada na Figura 1 , entra em uma tubulação da cabeça de poço (7) e passa por dentro da coluna (4). Parte dessa água passa pelo regulador de fluxo que está no mandril (6a) sai pelos orifícios externos desse mandril em direção ao anular (8a) entre o revestimento (3) e a coluna (4) e é injetada na zona (2a). O restante da vazão de água segue até o mandril (6b) e, de forma similar, é injetada na zona (2b).

A Figura 2 mostra um esquema didático de um mandril (20) em corte longitudinal com um regulador de fluxo do estado da técnica (30) instalado na bolsa lateral (21 ) do mandril. Esse é um mandril similar aos usados no método de elevação artificial conhecido como gas lift. A água desce pela coluna de injeção (4) no sentido da seta F-F e penetra dentro do regulador (30) pelas aberturas (31 ) no nariz do regulador. A água passa então pelos elementos internos de controle de vazão existentes no regulador e sai pelas aberturas (32) indo para o espaço anular (22) existente entre o regulador (30) e a bolsa lateral (21 ) e sai pelas aberturas (23) existentes na bolsa lateral (21 ) em direção ao anular entre o revestimento (3) e a coluna (4), sendo inietada, então, na zona de interesse, conforme já mostrado na Figura 1. Para manter o anular (22) isolado em relação ao fluido da coluna existem dois conjuntos de gaxetas (33) e (34) no regulador (30).

Embora a descrição das Figuras 1 e 2 tenha sido feita para injeção de água ela permanece essencialmente a mesma para qualquer outro fluido destinado à injeção no reservatório.

A Figura 3 mostra o comportamento teórico da velocidade do som, em função da fração de gás, para uma mistura de água do mar e gás natural de densidade 0,7 na pressão de 100 bar e temperatura de 50°C.

O gráfico é baseado na correlação de Wood (descrita, por exemplo, em Falk K., "Pressure Pulse Propagation in Gas-Liquid Pipe Flow", tese de doutorado, Norwegian U. of Sei. and Tech., Sept. 1999). Embora para um exemplo específico, a Figura 3 ilustra bem o comportamento da velocidade do som para uma mistura bifásica de um líquido com um gás em geral. Pode ser observado da Figura 3 que a adição de gás à água, mesmo em pequena proporção, reduz drasticamente a velocidade de propagação do som no meio. Para o exemplo específico da Figura 3, a adição de aproximadamente 10% de gás em volume resulta numa velocidade do som na mistura equivalente àquela obtida com o gás isoladamente (ou seja, fração= 1 ,0).

Se o regulador de fluxo for equipado com um venturi, o escoamento crítico através dele poderá ser obtido com diferenciais de pressão entre montante (entrada do regulador, aonde age a pressão de injeção na coluna) e jusante (saída do regulador, aonde age a pressão de injeção na formação rochosa) bem modestos e facilmente obtidos nos poços de injeção atuais. Uma vez atingido o escoamento crítico no regulador, a vazão de injeção fica, para todos os efeitos práticos, constante e na cota desejada, independentemente de flutuações de pressão a jusante do regulador. Essa independência da pressão de jusante também faz com que a vazão seja pouco dependente da própria pressão a montante (dentro de certa faixa de variação usual na prática operacional) e muito mais fácil de ser prevista teoricamente.

Desta forma, o controle da cota de injeção, particularmente em poços injetores em que se faz injeção de água em várias zonas, fica facilitado.

O método revelado nesta invenção consiste então de um método em que um fluido líquido a ser injetado no reservatório, recebe uma fração de fluido gasoso antes da injeção.

Para os efeitos de concretização preferida desta invenção, o fluido a ser injetado no(s) reservatório(s) é uma mistura de água e um gás, contendo entre 0% a 20% do gás. Preferivelmente, a mistura água e gás contem entre 1% e 10% do gás.

O gás a ser usado pode ser gás natural, nitrogénio, C0₂, vapor de água ou outro gás ou mistura de gases que seja mais conveniente na aplicação específica. A água pode ser água doce, água do mar, água artificialmente preparada com certa dosagem de sais, soluções poliméricas ou uma mistura destes. Pode também conter aditivos químicos como bactericidas, inibidores, etc.

O método pode ser usado com os reguladores de fluxo comerciais do estado da técnica ou com qualquer outro que venha a ser concebido no futuro. A principal diferença de aplicação, entre um modelo de regulador e outro, estará no diferencial de pressão requerido, entre montante e jusante do regulador, para estabelecer o escoamento crítico. Com a técnica anterior de injeção de água nos reservatórios, esse diferencial era inatingível na prática, para qualquer modelo de regulador, devido à elevada velocidade do som no líquido. Com esse novo método, e a consequente redução na velocidade som, o diferencial de pressão necessário é reduzido drasticamente sendo possível de ser alcançado mesmo com os reguladores convencionais, embora não em todas as aplicações práticas.

Preferencialmente, o método deve ser aplicado em conjunto com reguladores de fluxo que contenham venturis ou bocais-venturi ao invés das placas de orifício dos reguladores convencionais. Com isso, o diferencial de pressão para alcançar escoamento crítico será o menor possível, facilitando o emprego do método.

Mais preferencialmente ainda, o método deve ser aplicado em conjunto com o regulador de fluxo da presente invenção que usa o princípio do venturi de corpo central ajustável. Nesse caso, além do baixo diferencial de pressão requerido para estabelecer escoamento crítico, o regulador apresenta as vantagens de não favorecer a erosão, ser fácil de fabricar atendendo as tolerâncias e o acabamento superficial requerido e ter risco nulo ou muito baixo de bloqueio devido a detritos.

Conforme pode ser notado, o método de controle de vazão de injeção de fluidos em reservatórios, aqui descrito, possibilita o controle da vazão do fluido injetado pelo ajuste da pressão de bombeamento do fluido de injeção ou pelo controle do percentual de gás contido na mistura do fluido ou por ambos.

A adição de gás à água de injeção pode ser realizada na superfície ou em algum ponto conveniente dentro e ao longo do poço. Será requerida, nesse último caso, uma tubulação adicional, interna ou externa à coluna de injeção (4) normalmente existente, para condução do gás e de um dispositivo no fundo para mistura de gás e água. A mistura pode até mesmo ser realizada imediatamente a montante do próprio regulador de fluxo. No caso da adição de gás ser feita na superfície, ela deve ser preferencialmente realizada perto da cabeça de cada poço injetor na proporção mais adequada para o mesmo. Entretanto, no caso de restrições operacionais ou outros motivos, essa adição de gás pode ser realizada numa facilidade central e a mistura de água e gás assim obtida ser distribuída pelos diversos poços injetores.

Um resultado mais efetivo do método da presente invenção pode ser obtido com o uso conjugado do regulador de fluxo descrito a seguir e representado em três modalidades construtivas nas Figuras 4 a 8.

A Figura 4 ilustra em corte longitudinal uma primeira modalidade construtiva do regulador de fluxo (40) da presente invenção, onde os seguintes componentes podem ser observados:

- um alojamento (42) que consiste de um corpo cilíndrico dotado de três regiões internas, sendo uma primeira região (57) com diâmetro interno constante e menor, uma segunda região (58) intermediária e em forma de tronco de cone, com sua extremidade menor coincidindo com o final da primeira região

(57), e uma terceira região (59) com diâmetro constante e maior, coincidindo com a extremidade maior da segunda região (58);

- um corpo central (41 ), axialmente simétrico e concêntrico ao alojamento (42), formado essencialmente por uma primeira seção semi-esférica seguida por um tronco de cone, com uma haste (47) ligada por uma de suas extremidades à primeira seção semi- esférica, posicionado no interior do alojamento (42) formando um espaço anular (43) entre o alojamento e o corpo central (41);

- múltiplos orifícios de admissão (44) providos na primeira região (57) do alojamento(42) por onde o fluido a ser injetado no reservatório é admitido para dentro do regulador de fluxo e;

- um atuador (46), ligado à haste (47) e que possibilita sua movimentação e tornando o corpo central ajustável, posicionado à montante dos orifícios de admissão (44).

Nessa concretização, o fluido proveniente da coluna de injeção (4) e que será injetado no reservatório entra no regulador de fluxo através dos múltiplos orifícios (44) dispostos ao longo da circunferência do regulador. Passa então através do espaço anular (43) formado entre o corpo central (41) e o alojamento (42). A geometria do corpo central é tal que a área anular aberta ao escoamento é progressiva e suavemente reduzida até uma área mínima e depois é progressiva e suavemente aumentada até a área de saída do regulador. Com isso, o fluido é inicialmente acelerado até a área mínima e sua pressão reduzida até um mínimo enquanto sua velocidade atinge um valor máximo. Após a área mínima, o fluido é desacelerado até que na saída retorna a uma condição de velocidade e pressão próximas das de entrada, a menos de perdas ocasionadas pelo atrito no trajeto. Essa peculiar geometria anular forma um venturi anular ou venturi de corpo central equivalente em termos de desempenho dinâmico ao bocal-venturi convencional. A parte em que a área anular é progressivamente reduzida é chamada de bocal do venturi de corpo central. A área anular mínima é chamada de garganta do venturi de corpo central. A parte em que a área é progressivamente aumentada após a área mínima é chamada de difusor do venturi de corpo central.

O ajuste no corpo central (41 ) pode ser efetuado na superfície antes da instalação do regulador de fluxo dentro do poço e, assim, a área da garganta ficar constante enquanto o regulador estiver instalado e operando. Ou, então, o ajuste pode ser efetuado por um comando elétrico ou hidráulico a partir da superfície para que o atuador (46) movimente a haste até a posição desejada. Para cada hipótese de ajuste um atuador adequado e disponível no estado da técnica poderá ser empregado.

A jusante do corpo central ajustável (41 ), na terceira região (59) de diâmetro constante do alojamento (42) do regulador de fluxo (40) pode opcionalmente, com o intuito de auxiliar a centralização do corpo central (41), haver um centralizador aletado (48). A saída (45) do fluido de injeção ocorre pela extremidade à jusante do centralizador onde, opcionalmente pode ser instalada uma válvula de retenção.

A Figura 5 ilustra a primeira modalidade construtiva do regulador de fluxo (40) assentado num mandril de injeção (50). Essa modalidade do regulador de fluxo já foi descrita em conexão com a Figura 4. Por simplificação do desenho na Figura 5, o alojamento (42) do regulador (40) apresenta seu diâmetro interno constante ao longo de todo o comprimento, mas é preferencialmente cónico conforme mostrado na Figura 4. A água (ou outro fluido de injeção) desce por dentro da coluna de injeção no sentido da seta F-F. Penetra nos orifícios internos (52) da bolsa lateral (51) do mandril, passa pelo espaço anular (53) entre o regulador de fluxo e a parede interna da bolsa lateral, espaço esse isolado da coluna pelas gaxetas (54) e (55) do regulador e entra no regulador pelos orifícios de admissão (44). A água passa então pelo anular (43) entre o corpo central (41 ) e o alojamento (42), ou seja, passa pelo venturi de corpo central, passa pelo centralizador (48) do corpo central e sai pelas aberturas (49) do nariz do regulador prosseguindo pela saída inferior (56) do mandril no sentido da seta F'-F' e entrando no anular entre mandril e revestimento e, daí, sendo injetado na zona de interesse. O regulador pode apresentar internamente uma válvula de retenção (não mostrada na Figura 5) ou uma válvula de retenção pode ser colocada no próprio mandril, antes da saída inferior (56) do mandril. Se o alojamento do corpo central for cónico, a posição daquele corpo central e consequentemente a área da garganta podem ser variadas através de um atuador (46) tal como descrito em conexão com a Figura 4.

Uma segunda modalidade construtiva do regulador de fluxo (40) é ilustrada na Figura 6. Essa modalidade apresenta os mesmos elementos básicos já referenciados na primeira modalidade anteriormente descrita em conexão com a Figura 4. Porém, nesta modalidade o fluido de injeção entra no regulador de fluxo (40) pela abertura (62) e sai pela saída (45). O atuador (46) contém, então, orifícios de passagem (63) para o fluido. No alojamento (42) não existem os orifícios (44) da modalidade mostrada na Figura 4.

De maneira semelhante ao que já foi descrito acima, a jusante do corpo central ajustável (41), em uma seção de diâmetro constante do alojamento (42) do regulador de fluxo (40) pode opcionalmente, com o intuito de auxiliar a centralização do corpo central (41 ), haver um centralizador aletado (48). A jusante do centralizador, o fluido de injeção passa à região terminal (45) de saída do regulador (40), por onde ocorre a saída do fluido de injeção, que segue em direção à saída da bolsa lateral do mandril e é injetado no reservatório.

Opcionalmente nesta modalidade da invenção, uma válvula de retenção pode ser adicionada a montante do atuador (46) ou a montante da saída (45).

A Figura 7 ilustra um possível arranjo para montagem da segunda modalidade (Figura 6) do regulador (40) em um mandril (50). A diferença, nesta nova configuração, em relação à montagem mostrada na Figura 5, é que o mandril (50) não possui os orifícios internos (52) da bolsa lateral (51 ) e nem o regulador (40) possui os orifícios de admissão (44) no alojamento (42) a montante do corpo central (41). Por simplificação do desenho na Figura 7, o alojamento (42) do regulador (40) apresenta seu diâmetro interno constante ao longo de todo o comprimento, mas é preferencialmente cónico conforme mostrado na Figura 6. O fluido a ser injetado desce pela coluna de injeção no sentido da seta F-F e penetra no regulador (40) através dos orifícios de admissão (61) situados na parte superior do regulador (40). Ele passa, então, através do atuador (46) por orifícios de passagem (63). Daí por diante, o fluido a ser injetado segue o mesmo caminho já descrito em conexão com a Figura 5, saindo pela saída (56) do mandril (50) e, daí, para injeção na zona de interesse. De forma similar à Figura 5, tanto o regulador quanto o mandril podem ser equipados com válvulas de retenção, se requerido.

A Figura 8 ilustra uma terceira modalidade do regulador de fluxo (40) da presente invenção montado num mandril (20) de bolsa lateral (21) que apresenta orifícios externos (23). Internamente, o regulador (40) é similar à segunda modalidade (Figura 6) só que de cabeça para baixo. Por simplificação do desenho na Figura 8, o alojamento (42) do regulador (40) apresenta seu diâmetro interno constante ao longo de todo o comprimento, mas é preferencialmente cónico conforme mostrado na Figura 6, só que de cabeça para baixo. O fluido a ser injetado desce pela coluna de injeção na direção da seta F-F, entra no regulador (40) pelos orifícios (49) existentes em seu nariz ou bico, passa através dos orifícios (63) do atuador (46). Passa então pelo anular (43) entre o corpo central (41 ) e o alojamento (42), ou seja, passa pelo venturi de corpo central, passa pelo centralizador (48) do corpo central e sai pelas aberturas (44). Entra no espaço anular (22) entre o regulador (40) e a bolsa lateral (21), anular esse isolado pelas gaxetas (54) e (55) e sai pelas aberturas (23) da bolsa lateral (21) do mandril (20), entrando no espaço anular entre o mandril e o revestimento do poço, sendo injetado no reservatório através dos canhoneados.

Embora em qualquer modalidade, preferencialmente, o corpo central (41) seja um corpo axialmente simétrico e concêntrico com o alojamento (42), formado essencialmente por uma primeira seção semi-esférica seguida por um tronco de cone de semi-ângulo em torno de 6^o, outras geometrias podem ser usadas como, por exemplo, uma primeira seção semi-elíptica ao invés de semi-esférica ou, ainda, um corpo não simétrico ou excêntrico. O corpo central pode também conter somente a primeira seção semi-esférica sem o tronco de cone ou o inverso, conter somente o cone sem a primeira seção semi-esférica.

O corpo central pode ser fabricado de diversos materiais, metálicos ou não-metálicos, simples ou compósitos, de acordo com o requisitado pela aplicação. Pode ser maciço ou parcialmente oco para ter peso menor.

O atuador (46) pode ser perfurado ou não perfurado. Pode ser do tipo mecânico simples ou micrométrico. Pode ser de acionamento manual, elétrico ou hidráulico. Pode ser acionado na superfície antes da descida no poço ou pode ser, acionado remotamente quando estiver dentro do poço. Pode ser de ajuste estático, em uma posição fixa do corpo central ou em alguns valores discretos dessa posição, ou pode ser de ajuste dinâmico, permitindo uma variação contínua da posição do corpo central dentro de certo intervalo.

Nas modalidades apresentadas, o atuador (46) está colocado a montante do corpo central e o centralizador (48) a jusante do corpo central. Esta é uma configuração preferencial, mas nada impede que eles estejam invertidos, ou seja, o atuador (46) a jusante do corpo central, aonde no desenho encontra-se o centralizador (48), e o centralizador (48) a montante do corpo central, aonde nos desenhos encontra-se o atuador (46).

O regulador foi aqui descrito de forma que o corpo central se movimenta e o alojamento é estático. Entretanto, não há dificuldade técnica em se fazer o oposto, isto é, o corpo central fixo e o alojamento se movimentando de acordo com o requerido.

Preferencialmente, o regulador da presente invenção deve ser adaptado num corpo externamente similar ao dos reguladores de fluxo do estado da técnica, permitindo seu uso em conjunto com os mandris de bolsa lateral do estado da técnica e permitindo também seu assentamento e recuperação com ferramentas descidas com arame (wireline). Entretanto, nada impede que seja projetado para uso em outros mandris especiais e em conformações diversas para atender o requerido a aplicação prática.

Tanto o método acima descrito de controle de vazão de injeção de água para pressurização de reservatórios de petróleo ou gás natural, como o regulador de fluxo (1) acima descrito, que é também objeto desta invenção, objetivam melhor controle da vazão de injeção de fluidos nos reservatórios e maior eficiência operacional do processo.

Desta forma, o método para controle da vazão de injeção de água para pressurização de reservatórios de petróleo ou gás natural desta invenção, compreende a adição de um gás à água de injeção a ser injetada num poço injetor, adição essa conjugada com o uso de regulador de fluxo para controle da vazão de injeção na zona aonde há injeção de água. A pressão de injeção deve ser tal que escoamento crítico seja mantido através do regulador. O diâmetro do elemento de controle de vazão no regulador é calculado para que a cota de injeção requerida seja atingida. O controle geral da vazão de injeção na superfície pode ser realizado pela variação da pressão de injeção ou pela variação da fração de gás adicionada ou por ambas.

O regulador de fluxo a ser usado preferencialmente com o método é o de corpo central descrito nesta invenção, mas pode ser o convencional do estado da técnica ou, então, um regulador de fluxo equipado com venturi ou bocal-venturi ou, ainda, uma válvula de gas lift adaptada. Enfim pode ser empregado em conjunto com qualquer tipo de válvula projetada para controle da vazão de injeção de fluidos em reservatórios de petróleo ou gás.

Caso o atuador (46) do regulador de fluxo da presente invenção possa ser comandado remotamente, o ajuste da posição correta e calculada do corpo central pode ser realizado a partir da superfície com o regulador já instalado no poço podendo essa posição ser alterada sem a remoção do regulador. Nesse caso, o controle da vazão de injeção também poderá ser realizado alternativamente pela variação da posição do corpo central.

Para o dimensionamento interno dos elementos do regulador para atender a aplicação prática, deverá ser usado um modelo matemático associado a testes experimentais para calibração do modelo. O conhecimento do comportamento da velocidade do som em função da proporção do gás no líquido também é requerido. A obtenção desses elementos teóricos e experimentais é, contudo, relativamente fácil e disponível para os versados na técnica.

O método foi acima descrito para a situação em que a adição de gás na água de injeção é realizada na superfície. Mas essa adição pode ser realizada em algum local dentro do poço, inclusive imediatamente antes ou até mesmo dentro do regulador.

O método foi acima descrito para a situação em que há um regulador de fluxo no poço. Mas ele pode ser igualmente aplicado caso existam vários reguladores de fluxo como é o caso, por exemplo, de injeção seletiva de água em várias zonas no mesmo poço. Os procedimentos descritos são repetidos para cada regulador. Nessa situação de vários reguladores no poço, também é possível mesclar reguladores de mais de um tipo como, por exemplo, regulador convencional com regulador com venturi e com o da presente invenção.

Embora o método e o regulador de fluxo alvos da presente invenção devam preferencialmente ser usados em conjunto, o regulador pode ser usado independente do método, em aplicações convencionais de injeção de água, substituindo com vantagens os reguladores de fluxo do estado da técnica, uma vez que não favorece a erosão, é mais fácil de fabricar atendendo as tolerâncias e o acabamento superficial requerido e tem risco nulo ou muito baixo de bloqueio devido a detritos. Além disso, quando são usadas válvulas de gás lift de venturi adaptadas como reguladores, cada zona requer um diâmetro de garganta diferente, em função da cota de injeção definida. Assim, um conjunto muito grande de venturis tem de estar disponível para cobrir com precisão uma faixa razoavelmente ampla, o que é problemático em termos de padronização e de controle dos mesmos. Com o regulador da presente invenção, o mesmo regulador pode ser usado cobrindo ampla faixa de vazão de injeção apenas ajustando a posição do corpo central através do atuador.

Embora o método e o regulador de fluxo alvos da presente invenção devam preferencialmente ser usados na técnica de injeção de água em reservatórios de petróleo ou de gás natural, também podem encontrar aplicação em outras situações práticas da indústria em que seja benéfica a redução da velocidade do som em um líquido que passa por uma restrição ou uma válvula no intuito de facilitar a obtenção de escoamento crítico.

Também poderá ser benéfica a aplicação do método no sentido inverso, ou seja, a adição de líquido a um gás para a redução da velocidade do som para facilitar a obtenção de escoamento crítico quando a mistura bifásica for passar por uma restrição ou válvula. Ou, então, para permitir a redução da vazão através de uma válvula que já se encontra em escoamento crítico, mesmo com o gás isoladamente, e onde não seja possível reduzir a área de passagem do escoamento nem a pressão de injeção.

Embora a invenção tenha sido amplamente descrita, é óbvio para aqueles versados na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas todas ainda cobertas pelo escopo da invenção.

A descrição aqui apresentada ilustra as modalidades e concretizações da invenção, mas, no entanto, não devem ser utilizados na delimitação dos direitos do depositante, visto que tais direitos somente devem ser delimitados pelo escopo das reivindicações abaixo incluídas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, que faz uso de um conjunto de facilidades específicas para preparo e pressurização do fluido, pelo menos uma coluna de injeção para transportar o fluido até o reservatório, obturadores para impedir o escoamento do fluido para locais não desejados, mandris de bolsa lateral e reguladores de fluxo, posicionados nos mandris, para promover as condições de injeção desejadas, caracterizado por o fluido líquido a ser injetado no reservatório, receber uma fração de fluido gasoso antes da injeção.

2- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1. caracterizado por a fração de fluido gasoso no fluido a ser injetado estar na faixa entre 0% e 20%.

3- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por preferencialmente a fração de fluido gasoso no fluido a ser injetado estar na faixa entre 1% e 10%.

4- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o gás utilizado na preparação do fluido de injeção poder ser gás natural, nitrogénio, C0₂, vapor de água ou outro gás ou mistura de gases que seja mais conveniente na aplicação específica.

5- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o fluido líquido usado na preparação da mistura ser preferencialmente água.

6- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a água poder ser água doce, água do mar, água artificialmente preparada com certa dosagem de sais, soluções poliméricas ou uma mistura destes.

7- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com as reivindicações 5 e 6, caracterizado por a água conter aditivos químicos.

8- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a adição do fluido gasoso ao fluido líquido ocorrer na superfície, em facilidades específicas.

9- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a adição do fluido gasoso ao fluido líquido ocorrer ao longo do poço, com a auxílio de uma tubulação adicional para transporte do fluido gasoso e um equipamento misturador.

10- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a adição do fluido gasoso ao fluido líquido ocorrer imediatamente a montante do regulador de fluxo.

11- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o controle geral da vazão de injeção na superfície ser realizado pela variação da pressão de injeção ou pela variação da fração de gás adicionada ou por ambas.

12- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por pelo menos um regulador de fluxo conter um venturi ou um bocal-venturi.

13- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, caracterizado por compreender:

a) Um alojamento (42) que consiste de um corpo cilíndrico dotado de três regiões internas, sendo uma primeira região (57) com diâmetro interno constante e menor, uma segunda região (58) intermediária e em forma de tronco de cone, com sua extremidade menor coincidindo com o final da primeira região (57), e uma terceira região (59) com diâmetro constante e maior, coincidindo com a extremidade maior da segunda região (58); b) Um corpo central (41 ), axialmente simétrico e concêntrico ao alojamento (42), formado essencialmente por uma primeira seção semiesférica seguida por um tronco de cone de semiângulo, com uma haste (47) ligada por uma de suas extremidades à primeira seção semiesférica, posicionado no interior do alojamento (42) formando um espaço anular (43) entre o alojamento e o corpo central (41 );

c) Pelo menos dois orifícios de admissão (44) provido na primeira região (57) do alojamento (42) por onde o fluido a ser injetado no reservatório é admitido para dentro do regulador de fluxo; d) Um atuador (46), ligado à haste (47) e que possibilita sua movimentação e tornando o corpo central ajustável, posicionado à montante dos orifícios de admissão (44).

14- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o diâmetro interno da segunda região (58) do alojamento (42) aumentar no sentido da admissão (44) até a saída (45) do fluido injetado.

15- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o diâmetro interno da segunda região (58) do alojamento (42) aumentar no sentido da saída (45) até a admissão (44) do fluido injetado.

16- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o ajuste no corpo central (41 ) ser efetuado na superfície antes da instalação do regulador de fluxo dentro do poço, mantendo constante a área da garganta enquanto o regulador estiver instalado e operando.

17- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o ajuste no corpo central (41 ) ser efetuado por um comando elétrico ou hidráulico a partir da superfície para que o atuador (46) movimente a haste até a posição desejada.

18- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender um centralizador aletado (48) a jusante do corpo central ajustável (41) na terceira região (59) do alojamento (42).

19- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender uma válvula de retenção na extremidade a jusante do centralizador (48), na saída (45).

20- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por os orifícios de admissão (44) serem posicionados no atuador (46) axialmente ao alojamento (42) de modo que a admissão ocorre por abertura (61) e (62) na extremidade do alojamento (42). 21- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o alojamento (42) e o corpo central (41) serem montados invertidos, de cabeça para baixo, dentro do regulador de fluxo montado no mandril (20).

22- REGULADOR DE FLUXO AJUSTÁVEL PARA INJEÇÃO DE FLUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE ÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o corpo central ser fixo e o alojamento se movimentar de acordo com o requerido.

23- MÉTODO DE CONTROLE DE INJEÇÃO DE FLUIDOS LÍQUIDOS EM RESERVATÓRIOS DE PETRÓLEO E GÁS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por pelo menos um dos reguladores de fluxo ser do tipo ajustável de acordo com as reivindicações 13 a 22.