WO2015139100A1 - Quebrador de bolhas de gás em escoamento multifásico - Google Patents

Quebrador de bolhas de gás em escoamento multifásico Download PDF

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WO2015139100A1
WO2015139100A1 PCT/BR2014/000090 BR2014000090W WO2015139100A1 WO 2015139100 A1 WO2015139100 A1 WO 2015139100A1 BR 2014000090 W BR2014000090 W BR 2014000090W WO 2015139100 A1 WO2015139100 A1 WO 2015139100A1
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bubble breaker
flow
venturi
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Hendy TISSERANT RODRIGUES
Alcino Resende De Almeida
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Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/122—Gas lift
    • E21B43/123—Gas lift valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/44—Mixers in which the components are pressed through slits
    • B01F25/441—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the configuration of the surfaces forming the slits
    • B01F25/4416—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the configuration of the surfaces forming the slits the opposed surfaces being provided with grooves
    • B01F25/44167—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the configuration of the surfaces forming the slits the opposed surfaces being provided with grooves the grooves being formed on the outer surface of the cylindrical or conical core of the slits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/44—Mixers in which the components are pressed through slits
    • B01F25/442—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the relative position of the surfaces during operation
    • B01F25/4421—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the relative position of the surfaces during operation the surfaces being maintained in a fixed position, spaced from each other, therefore maintaining the slit always open
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    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
    • B01F25/452—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces
    • B01F25/4521—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through orifices in elements, e.g. flat plates or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube

Definitions

  • the present invention is a novel equipment for fractionating gas bubbles present in multiphase flow with preferential application in oil wells arising or producing by continuous gas lift. It is also possible to apply it as a multiphase flow homogenizer, such as, for example, in the inlet of pumps that deal with multiphase flow, either at the bottom of the well, at the bottom of the sea or at the surface.
  • Artificial lifting methods are widely used in semi-depleted oil fields when the static pressure of the reservoirs is not sufficient to ensure natural fluid elevation, ie when wells are no longer emerging.
  • Such methods include continuous gas lift (or continuous pneumatic pumping), which consists of continuous injection of gas into the base of the production pipe to gasify the fluid and facilitate elevation.
  • This relatively simple, reliable and operationally flexible lifting method is the most desired option in the harshest environments, particularly wet offshore, as long as it can keep producing an economically viable flow for a suitable time. .
  • the present patent application therefore comprises a new arrangement applied in gas bubble breaker which is centrally installed with respect to the central axis of the riser, which is part of the production pipe of an oil production well and between the well reservoir and the well extraction head.
  • the innovative bubble breaker geometry that showed the best overall performance was that which includes a central body venturi. This geometry combines the desired characteristics of lower pressure drop and good bubble breaking efficiency. The lower pressure drop is due to its smoother geometry and some degree of pressure recovery in the diffuser.
  • Another important advantage of this new geometry is that it is easily adaptable so that the degree of openness can be adjusted, either on the surface or with remote actuation.
  • the objective of this request is the association of economic and productive advantages, since the tests verified a considerable increase of the well flow with more stable flow, having been maintained the other conditions of the well, that is, there was no need for costs. additional adjustments or adjustments to other equipment.
  • the preferred application of the invention is in continuous or gas lift producing wells, it can be employed as a homogenizer in general, upward or downward, horizontal, vertical or inclined multiphase flows.
  • the bubble breaker may be positioned upstream of the inlet of downhole centrifugal pumps or skids in the seabed, or upstream of the inlet of any other type of downhole or surface pump. It can also be positioned upstream of the general multiphase pump inlet on the surface or seabed. Or it can be used as a rectifier and homogenizer upstream of multiphase meters.
  • Figure 1 is a schematic and illustrative view of an oil well intended to be produced by continuous gas-lift (continuous pneumatic pumping) with continuous gas injection at a position along the production pipe to gasify the fluid and facilitate lifting;
  • Figure 2 is a schematic and illustrative view of one embodiment, wherein the bubble breaker is associated with a conventional mandrel with the gas lift valve positioned on the outer portion of the production line;
  • Figure 3 illustrates another schematic view of a second embodiment, wherein the bubble breaker is associated with a side pocket mandrel with the gas lift valve positioned on the inner portion of the production line;
  • Figure 4 is an enlarged detail view of an embodiment of the bubble breaker according to the optimized geometry object of the present application
  • Figures 5 and 6 respectively represent the cross sections A-A and B-B shown in Figure 4.
  • Figure 7 is an enlarged detail view of another embodiment of the bubble breaker according to the optimized geometry object of the present application.
  • Figure 8 is the cross-section A-A shown in Figure 7; DETAILED OBJECT DESCRIPTION
  • the present patent application relates to a new gas bubble breaker arrangement (100), particularly of the installed type centralized with respect to the center axis (E) of the riser (1) within the pipe. lining (2) of a well (3) emerging or producing by continuous gas lift.
  • the riser (1) is disposed between the well reservoir (R) (3) and the wellhead (C) thereof and is spaced from the inner wall of the casing pipe so as to make up an annular region (4) through which high pressure gas (F1) can flow from a high pressure gas source (5), shown schematically in figure 1.
  • a plug (6) is inserted which divides the interior of the well (3) into two chambers, one upper (A) and one lower (B).
  • the gas (F1) which in turn flows through the annular region (4), passes into the riser (1) through gas lift valves (V1) which are part of the respective gas lift chucks (8) which they may be of the type external to the tube (1) (figure 2) or internal to it, housed in a pouch (B) (figure 3).
  • V1 gas lift valves
  • B pouch
  • gas (F1) inside the riser (1) it mixes with the fluids (F2) from the reservoir (R), passing through the bubble breaker (100) and then flowing towards it. to the surface.
  • the gas commonly used for lift is natural gas.
  • another type of gas may be employed as nitrogen or carbon dioxide.
  • the high pressure gas source 5 generally shown in Figure 1 is usually a gas compressor located in a compression plant at a distance from the well.
  • the gas may come from other sources such as gas producing wells, another gas reservoir within the same well (auto gas lift) and even autonomous nitrogen generating units and other sources.
  • Figure 1 represents a common configuration in gas lift wells, but there are many known variants of those skilled in the gas lift art.
  • rigid production pipe (1) flexible pipe can be used.
  • gas being injected through annular (4) and production occurs through production piping (1) the reverse may occur, gas being injected from column (1) and production occurring through annular (4).
  • the present invention applies with adaptations known to those skilled in the art.
  • the bubble breaker (100) is comprised of a central body (101) inserted into a production pipe (1).
  • Said central body (101) has geometry in the ordinary form of drop, forming an annular venturi comprising a lower region (102), called the venturi nozzle, an intermediate region, called the venturi throat, where there are openings (103) and where occurs the largest restriction to flow and an upper region (1 2), called Venturi diffuser.
  • the maximum diameter (x1) of the body (101) is equal to the inner diameter (y1) of the production pipe (1) to form a tangenting region.
  • multiple recesses or longitudinal grooves (103) are preferably preferably equidistant.
  • the tangentation of the body (101) in the inner wall of the production tube (1) therein delimits two chambers communicating through the openings (103): the lower chamber (C1) which acts as an inlet to the venturi nozzle (102). ) for two-phase flow (F1) / (F2) with gas bubbles (B1) of varying proportions and the upper chamber (C2) acting as a two-phase flow outlet (F1) / (F2) with gas bubbles (B2), broken into smaller proportions, forming a kind of foam.
  • the body (101) is preferably symmetrical with respect to the central longitudinal axis and the lower extreme region (104) of the body (101) is preferably semi-spherical or spherical cap shaped.
  • the body diameter 101 is progressively increased to the maximum x1 at the tangent point with the production pipe. Thereafter, it is progressively reduced in the upper region (105) until it reaches a minimum value at the end (106).
  • a centralizer (107) is provided which, in one embodiment, comprises a ring (108) interconnected to a central support (109) by means of (10), forming free areas (A) for wide flow of foamed biphasic fluid (F1) / (F2).
  • the flow of biphasic fluid (F1) / (F2) passes through the venturi nozzle (102) and is gently led into the venturi throat formed by the openings (103), where the upstream bubbles (B1) are broken into bubbles. downstream (B2), forming a foamed two-phase flow (F1) / (F2).
  • This foamed flow then passes through the diffusion or diffuser chamber (112) where part of the pressure drop along the Venturi nozzle (102) is recovered without affecting the size of the bubbles. And it goes to the wellhead (C) in a more favorable phase arrangement, with less gas-liquid slippage and lower pressure gradient.
  • the central body In the region of the diffusion chamber (11) the central body has the preferred shape of a cone trunk, although other shapes may be used according to the application.
  • FIG. 1 shows openings (103) made in the central body
  • these openings may be made in the pipe wall (1), in which case the continuous central body without slots. It is also possible to make openings in both, that is, in the central body and in the pipe wall.
  • Figures 7 and 8 show another embodiment for the bubble breaker 100, noting that the drawing is merely schematic and is intended solely for the understanding of this application. Essentially, the difference between this embodiment and that shown in figures 4, 5 and 6 is that the upper centralizer is eliminated, the centering being performed in the nozzle region by a ring (15) containing multiple openings (120), preferably circular. and arranged circumferentially and symmetrically with respect to the central axis of the body (101).
  • the bubble breaker (100) is comprised of a central body (101) inserted into a production pipe (1).
  • Said central body (101) has geometry in the ordinary form of drop forming an annular venturi comprising a lower region (102) or venturi nozzle, an intermediate region or throat of the venturi, where there are openings (120) and where the largest occurs. flow restriction and an upper region (112) or venturi diffuser.
  • the ring (115) delimits in the production pipe (1) two chambers that communicate through the openings (120): the lower chamber (C1) which acts as an inlet on the venturi nozzle (102) for biphasic flow (F1) / (F2) with gas bubbles (B1) of varying proportions and the upper chamber (C2) acting as the outlet of the two-phase flow (F1) / (F2) with gas bubbles (B2), broken into smaller proportions, forming a species.
  • the body (101) is preferably symmetrical with respect to the central longitudinal axis and the lower extreme region (104) of the body (101) is preferably semi-spherical or spherical cap shaped.
  • the flow of biphasic fluid (F1) / (F2) passes through the venturi nozzle (102) and is gently led into the venturi throat formed by the openings (120), where the upstream bubbles (B1) are broken into bubbles. downstream (B2), forming a two-phase flow (F1) / (F2) foamed.
  • This foamed flow then passes through the diffusion or diffuser chamber (112) where part of the pressure drop along the Venturi nozzle (02) is recovered without affecting the size of the bubbles. And it goes to the wellhead (C) in a more favorable phase arrangement, with less gas-liquid slippage and lower pressure gradient.
  • the central body In the region of the diffusion chamber (12) the central body has the preferred shape of a cone trunk, although other shapes may be used according to the application.
  • the bubble breaker can be housed in a piping accessory known from the state of the art and used to seat various devices in an oil well production pipe through a wire rope well intervention. (slickline or wireline).
  • a piping accessory known from the state of the art and used to seat various devices in an oil well production pipe through a wire rope well intervention. (slickline or wireline).
  • the pipe wall (1) would become the wall of this bubble breaker pipe fitting.
  • the bubble breaker can be constructed of various materials according to the application. It can be solid or hollow to allow for less weight or placement of instrumentation or any other apparatus that is considered important for practical application.
  • the invention has potential application in wells arising or producing by continuous gas lift.
  • the bubble breaker has been positioned next to the gas lift chuck, it can be positioned at another location best suited for its purpose, such as a few meters above or even below the chuck. his.
  • the bubble breaker should be placed at a depth where its benefit is maximized, taking into account the phase arrangement along the well.
  • More than one bubble breaker can be used along the well to maximize runoff benefits.
  • the invention is also possible to apply the invention as a multiphase flow homogenizer in general.
  • at the inlet of pumps generally dealing with multiphase flow either at the bottom of the well, at the bottom of the sea or at the surface.
  • Another example is the rectification or homogenization of flow before a multiphase flow meter or other flow parameter.
  • the bubble breaker (100) may be adapted to adjust the total area of the openings (103) or (120) forming the Venturi throat, which may be adjusted on the surface prior to descent. well, either by remote actuation from a production control station, or automatically depending on local flow parameters.
  • the bubble breaker device 100 can be adjusted according to the specific well production parameters whenever necessary, avoiding that a bubble breaker has to be custom made for each well application. However, once lowered into the well, the bubble breaker will have the throat area fixed.
  • the bubble breaker will have the throat area fixed.
  • operators can trigger the bubble breaker by varying the throat area to an optimal value.
  • the bubble breaker can be self-triggered to the optimal throat area.
  • the aperture area (103) of the embodiment shown in Figures 4 to 6 may be varied by constructing a solid, non-grooved body (101) and machining grooves in the pipe wall (1) in the region around the cut. BB in Figure 4, so that the depth of these grooves varies longitudinally from zero to a maximum value.
  • the body 101 may have means known to the state of the art to position it so that the open area through the grooves is that required by the actual application.
  • the central body Venturi can be easily adapted for remote operation by electric or hydraulic drive.

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Abstract

O presente pedido de patente compreende uma nova disposição em quebrador de bolhas de gás (100), o qual é instalado de modo centralizado em relação ao eixo central do tubo ascendente (1 ) integrante da tubulação de produção (2) de um poço de produção de petróleo (3); o quebrador de bolhas (100) em uma concretização preferencial compreende um corpo central (101 ), cuja geometria consiste na forma ordinária de gota, formando um Venturi anular que compreende uma região inferior (102) ou bocal do Venturi, uma região intermediária aonde há aberturas (103) e onde ocorre a maior restrição ao escoamento ou garganta do Venturi e uma região superior (1 12), denominada difusor do Venturi. Na periferia do diâmetro máximo (x1 ) do corpo (101 ) são praticadas múltiplas reentrâncias ou ranhuras longitudinais (103) preferencialmente equidistantes; o tangenciamento do corpo (101 ) na parede interna do tubo de produção (1 ) delimita, no mesmo, duas câmaras que se comunicam através das aberturas (103): a câmara inferior (C1 ) que atua como entrada no bocal do Venturi (102) para o escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B1 ) de proporções variadas e a câmara superior (C2), que atua como saída do escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B2) quebradas em menores proporções, conformando uma espécie de espuma. Essa geometria une as desejadas características de apresentar uma menor perda de carga e uma boa eficácia em quebrar as bolhas. A menor perda de carga se dá devido à sua geometria mais suave e a existência de certo grau de recuperação de pressão no difusor.

Description

QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO
MULTIFASICO
CAMPO DA APLICAÇÃO
Trata a presente invenção de novo equipamento para fracionamento de bolhas de gás presentes em escoamento multifásico com aplicação preferencial em poços de petróleo surgentes ou que produzam por gas-lift contínuo. Também é possível sua aplicação como homogeneizador de escoamento multifásico, tal como, por exemplo, na entrada de bombas em geral que lidam com escoamento multifásico, seja no fundo de poços, seja no fundo do mar ou na superfície.
FUNDAMENTOS DO OBJETO
Uma tendência global tem impulsionado grandes esforços voltados para o desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias na indústria petrolífera. Uma das principais áreas destes estudos é a etapa de produção de petróleo, onde, por exemplo, buscam-se aumentar economicamente as eficiências de extração das quantidades de petróleo e de gás disponíveis nos poços.
Métodos de elevação artificial são muito utilizados em campos de petróleo semi-depletados, quando a pressão estática dos reservatórios não é suficiente para assegurar uma elevação natural do fluido, ou seja, quando os poços não são mais surgentes. Entre tais métodos encontra-se o gas-lift contínuo (ou bombeio pneumático contínuo), o qual consiste na injeção contínua de gás na base do tubo de produção a fim de gaseificar o fluido e facilitar a elevação. Esse método de elevação, por ser relativamente simples, confiável e flexível do ponto de vista operacional, é a opção mais desejada em ambientes mais severos, particularmente offshore com completação molhada, desde que possa manter a produção de uma vazão economicamente viável por um tempo adequado.
Por outro lado, é sabido que o número de poços surgentes deve aumentar fortemente nos próximos anos, devido à entrada em operação dos campos do pré-sal no Brasil. A aplicação de técnicas avançadas de controle e otimização nesses poços é altamente relevante, face aos altos custos envolvidos e o elevado ganho económico resultante da produção de óleo e gás.
Assim, otimizar o processo de elevação natural ou artificial desses poços, mesmo em pequena margem, tem impacto significativo.
ESTADO DA TÉCNICA
Uma das opções de otimização que está sendo alvo de avaliação pela titular da presente solicitação é o uso de um choke de fundo de poço associado ou não a um mandril de gas-lift. Uma das possibilidades já encontradas é objeto do pedido de patente PI 0004685-1 , da PETROBRAS. A motivação principal é basicamente liberar o gás que está em solução no fundo do poço e atomizá-lo (junto ou não com gás livre proveniente do reservatório ou de uma válvula de gas-lift a montante) em um arranjo de fases mais eficiente, introduzindo, por outro lado, uma perda de carga muito menor do que a que seria necessária num choke convencional para se obter o mesmo efeito. O dispositivo também propiciaria um escoamento mais estável.
Chokes de fundo em poços surgentes ou de gas-lift contínuo foram muito usados entre as décadas de 20 e 50 do século passado, tal como pode ser visto em várias patentes, por exemplo, US1893487, US2213950, US2297044 e US2428139, mas, paulatinamente, foram perdendo a importância provavelmente pela dificuldade em ajustá-los ao longo do tempo, especialmente devido à profundidade cada vez maior dos poços e a dificuldades progressivas de intervenção nos mesmos. Na configuração mais comum, esses chokes se constituíam de um cilindro com orifício centralizado de diâmetro fixo. Embora a ação na otimização do escoamento já tivesse sido reconhecida por alguns autores na época, o objetivo principal era a introdução de uma perda de carga no fundo do poço, ao invés de fazê-lo na superfície, o que apresentava certas vantagens operacionais. Ainda hoje chokes de fundo são usados com esse propósito, particularmente em poços de gás de alta pressão, onde um choke na superfície provocaria grande perda de carga e grande resfriamento do gás com possibilidade de formação e bloqueio por hidratos e outros problemas operacionais graves.
Mais recentemente, o interesse em chokes de fundo foi retomado, especialmente com o propósito de otimizar o escoamento, como mostram, por exemplo, as patentes PI 0004685-1 , US5105889, US5967234 e US7510012.
Schrama e Fernandes (US75100 2) conceberam um choke de fundo numa configuração especial chamada de "bubble breaker" (ou quebrador de bolhas em português). Esse dispositivo é utilizado para reduzir a parcela gravitacional de perda de pressão em escoamentos bifásicos na vertical. Essa redução acontece devido à diminuição no diâmetro médio das bolhas de gás presentes no líquido. A diminuição no diâmetro das bolhas é causada por uma restrição do escoamento, na forma de um disco com pequenos orifícios em sua periferia, que gera turbulência e quebra as bolhas de gás em bolhas menores.
Diversos autores têm mostrado que bolhas menores são benéficas para o escoamento bifásico. Porém, um grande problema desse modelo de bubble breaker é a perda de carga localizada, que acaba por reduzir muito o benefício obtido no escoamento devido à atomização do gás. Além disso, esse é um dispositivo fixo que tem de ser trocado conforme as mudanças de condições do poço, sendo difícil desenvolver uma versão de ajuste remoto, por exemplo.
Testes experimentais realizados pela PETROBRAS mostraram que, de fato, o modelo de bubble breaker de Schrama e Fernandes, sob certas condições, é eficiente em quebrar as bolhas, mas introduz grande perda de carga. Na mesma bateria de testes, outras geometrias de quebradores de bolha foram testadas, incluindo o objeto da citada patente (Venturi convencional, PI 0004685-1 ). O Venturi mostrou uma perda de carga bem menor, mas também uma menor eficiência na quebra de bolhas em certas situações. Dentre as demais geometrias testadas uma, em particular, se mostrou com bom compromisso entre perda de carga localizada e quebra de bolhas e, para tanto, a geometria de melhor resultado gerou a presente solicitação, que será melhor detalhada adiante.
SUMÁRIO
O presente pedido de patente compreende, portanto, uma nova disposição aplicada em quebrador de bolhas de gás, o qual é instalado de forma centralizada em relação ao eixo central do tubo ascendente, este integrante da tubulação de produção de um poço de produção de petróleo e disposto entre o reservatório do poço e a cabeça de extração do poço.
A geometria de quebrador de bolhas inovado que mostrou melhor desempenho global foi a que inclui um Venturi de corpo central. Essa geometria une as desejadas características de apresentar uma menor perda de carga e uma boa eficácia em quebrar as bolhas. A menor perda de carga se dá devido à sua geometria mais suave e a existência de certo grau de recuperação de pressão no difusor.
A eficácia na quebra de bolhas reside no fato de que o escoamento continua sendo finamente dividido. Ou seja, essa nova concepção introduz apenas a perda de carga e a turbulência mínima necessária para a quebra das bolhas e somente no ponto onde isso é requerido.
Outra vantagem importante nessa nova geometria é que ela é facilmente adaptável para que seja possível, sem maiores dificuldades, o ajuste do grau de abertura, seja na superfície, seja com atuação remota.
É, pois, objetivo desta solicitação, a associação de vantagens económicas e produtivas, uma vez que os testes verificaram considerável aumento da vazão do poço com escoamento mais estável, tendo sido mantidas as demais condições do poço, ou seja, não houve necessidade de custos adicionais ou reajustes de outros equipamentos. Embora a aplicação preferencial do invento seja em poços surgentes ou que produzem com gas lift contínuo, ele pode ser empregado como homogeneizador em escoamentos multifásicos em geral, ascendentes ou descendentes, horizontais, verticais ou inclinados. Por exemplo, o quebrador de bolhas pode ser posicionado a montante da admissão de bombas centrífugas instaladas em fundo de poço ou em skids no leito marinho, ou a montante da admissão de qualquer outro tipo de bomba de fundo de poço ou de superfície. Também pode ser posicionado a montante da admissão de bombas multifásicas em geral, na superfície ou no leito marinho. Ou, ainda, pode ser usado como retificador e homogeneizador a montante de medidores multifásicos. Enfim, encontra aplicação em qualquer situação prática em que o fracionamento das bolhas de gás e homogeneização do escoamento multifásico seja benéfico para o processo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente pedido de patente e, de acordo com realizações práticas preferenciais do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou o seguinte:
a figura 1 representa uma vista ilustrativa e esquemática de um poço de petróleo destinado a produzir por meio de gas-lift contínuo (bombeio pneumático contínuo) com injeção contínua de gás em uma posição ao longo do tubo de produção a fim de gaseificar o fluido e facilitar a elevação;
a figura 2 representa uma vista esquemática e ilustrativa de um modo de realização, onde o quebrador de bolhas é associado a um mandril convencional com a válvula de gas lift posicionada na porção externa da tubulação de produção; a figura 3 ilustra outra vista esquemática de um segundo modo de realização, onde o quebrador de bolhas é associado a um mandril de bolsa lateral com a válvula de gas lift posicionada na porção interna da tubulação de produção;
- a figura 4 representa uma vista em detalhe ampliado de uma concretização do dispositivo quebrador de bolhas, de acordo com a geometria otimizada, objeto da presente solicitação;
as figuras 5 e 6 representam, respectivamente, os cortes transversais A-A e B-B indicados na figura 4.
a figura 7 representa uma vista em detalhe ampliado de outra concretização do dispositivo quebrador de bolhas, de acordo com a geometria otimizada, objeto da presente solicitação
- a figura 8 representa o corte transversal A-A indicado na figura 7; DESCRIÇÃO DETALHADA DO OBJETO
Com referências aos desenhos ilustrados, o presente pedido de patente se refere a uma nova disposição em quebrador de bolhas de gás (100), particularmente do tipo instalado centralizado em relação ao eixo central (E) do tubo ascendente (1 ) no interior da tubulação de revestimento (2) de um poço (3) surgente ou que produza por gas-lift contínuo. Em um modo de realização, o tubo ascendente (1 ) é disposto entre o reservatório (R) do poço (3) e a cabeça de poço (C) do mesmo e se mantém afastado da parede interna da tubulação de revestimento, de maneira a compor uma região anular (4) por onde pode circular gás a alta pressão (F1 ) proveniente de uma fonte de gás a alta pressão (5), representado esquematicamente na figura 1. Entre o tubo (1 ) e a tubulação (2) é inserido um obturador (6) que divide o interior do poço (3) em duas câmaras, sendo uma superior (A) e outra inferior (B).
Os fluidos provenientes do reservatório (R) entram no poço (3) através de orifícios (7), previamente perfurados na tubulação de revestimento (2), e escoam (F2) para o interior da tubulação de produção (1 ) até a cabeça do poço (C), fluindo em direção às instalações de processamento (P), esquematicamente ilustradas na figura 1.
O gás (F1 ) que, por sua vez, flui pela região anular (4), passa para dentro do tubo ascendente (1 ) através de válvulas de gas lift (V1 ) integrantes de respectivos mandris de gas lift (8), os quais podem ser do tipo externo ao tubo (1 ) (figura 2) ou interno ao mesmo, alojado em bolsa (B) (figura 3). Assim sendo, com o gás (F1 ) no interior do tubo ascendente (1 ), o mesmo mistura-se aos fluidos (F2) provenientes do reservatório (R), passando pelo quebrador de bolhas (100) e escoando, então, em direção à superfície.
No caso de poço surgente não há injeção de gás. Entretanto, muitos poços surgentes, particularmente em área offshore, são equipados com mandris e válvulas de gas lift já prevendo que em algum momento ao longo da vida produtiva a injeção contínua de gás será necessária. Também há poços surgentes que por diversos motivos deixam de surgir em certos momentos e uma injeção de gás por um curto período promove a recuperação da surgência. Isso também pode acontecer com poços de gás natural em que há acúmulo progressivo de água e condensado no fundo do poço, o que reduz progressivamente a vazão de produção até eventualmente zerá-la. A injeção de gás contínua ou periódica é um dos meios de evitar esse problema.
Em poços que produzem por gas lift, o gás normalmente utilizado para a elevação (isto é, o lift gas) é gás natural. Entretanto, outro tipo de gás pode ser empregado como nitrogénio ou gás carbónico. A fonte de gás a alta pressão (5), genericamente representada na figura 1 , é normalmente um compressor de gás localizado numa planta de compressão a certa distância do poço. Entretanto, o gás pode ser proveniente de outras fontes como poços produtores de gás, outro reservatório de gás dentro do mesmo poço (auto gas lift) e até mesmo unidades autónomas de geração de nitrogénio e outras fontes. A figura 1 representa uma configuração comum em poços de gas lift, mas há muitas variantes conhecidas dos versados na técnica de gas lift. Ao invés de uma tubulação de produção (1 ) rígida pode ser usada uma tubulação flexível. Ao invés do gás ser injetado pelo anular (4) e a produção ocorrer pela tubulação de produção (1 ), pode ocorrer o inverso, o gás ser injetado pela coluna (1 ) e a produção ocorrer pelo anular (4). Ao invés de uma única tubulação de produção no poço, pode haver mais de uma drenando mais de um reservatório (completação múltipla). Qualquer que seja a configuração, a presente invenção se aplica com adaptações conhecidas dos versados na técnica.
Segundo o presente pedido de patente, as figuras 4, 5 e 6 apresentam uma concretização preferencial para o quebrador de bolhas (100), salientando que o desenho é meramente esquemático e visa apenas o entendimento desta solicitação. Essencialmente, o quebrador de bolhas (100) é composto por um corpo central (101 ) inserido em uma tubulação de produção (1 ). Dito corpo central (101 ) apresenta geometria na forma ordinária de gota, formando um Venturi anular que compreende uma região inferior (102), denominada bocal do Venturi, uma região intermediária, denominada garganta do Venturi, onde há aberturas (103) e onde ocorre a maior restrição ao escoamento e uma região superior (1 2), denominada difusor do Venturi. O diâmetro máximo (x1 ) do corpo (101 ) é igual ao diâmetro interno (y1 ) do tubo de produção (1 ) de maneira a formar uma região de tangenciamento. Na periferia do diâmetro máximo (x1 ) do corpo (101 ) são praticadas múltiplas reentrâncias ou ranhuras longitudinais (103) preferencialmente equidistantes. O tangenciamento do corpo (101 ) na parede interna do tubo de produção (1 ) delimita, no mesmo, duas câmaras que se comunicam através das aberturas (103): a câmara inferior (C1 ) que atua como entrada no bocal do Venturi (102) para o escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B1 ) de proporções variadas e a câmara superior (C2) que atua como saída do escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B2), quebradas em menores proporções, conformando uma espécie de espuma.
O corpo (101 ) é, preferencialmente, simétrico em relação ao eixo longitudinal central e a região extrema inferior (104) do corpo (101 ) é, preferencialmente, semiesférica ou em forma de calota esférica. O diâmetro do corpo (101 ) é, progressivamente aumentado até atingir o máximo x1 no ponto de tangenciamento com o tubo de produção. A partir daí, é progressivamente reduzido na região superior (105) até chegar a um valor mínimo na extremidade (106). Para suportar o corpo central (101 ) e centralizá-lo junto ao tubo de produção (1 ) é previsto um centralizador (107) que, numa opção de realização, compreende um anel (108) interligado a um suporte central (109) por meio de aletas (1 10), conformando áreas livres (A) para amplo escoamento do fluido bifásico (F1 )/(F2) espumado.
O escoamento do fluido bifásico (F1 )/(F2) passa pelo bocal (102) do Venturi, sendo suavemente conduzido para a garganta do Venturi, formada pelas aberturas (103), onde as bolhas (B1 ) existentes a montante são quebradas em bolhas menores a jusante (B2), formando um escoamento bifásico (F1 )/(F2) espumado.
Esse escoamento espumado passa, então, pala câmara de difusão ou difusor (112) onde parte da queda de pressão ocorrida ao longo do bocal de Venturi (102) é recuperada, sem afetar o tamanho das bolhas. E segue até a cabeça do poço (C) num arranjo de fases mais favorável, com menor escorregamento entre gás e líquido e menor gradiente de pressão. Na região da câmara de difusão (1 12) o corpo central apresenta a forma preferencial de um tronco de cone, embora outras formas possam ser utilizadas de acordo com a aplicação.
Embora a concretização das figuras 4 a 6 mostre aberturas (103) realizadas no corpo central, essas aberturas podem ser realizadas na parede da tubulação (1 ), sendo, nesse caso, o corpo central contínuo, sem ranhuras. Também é possível realizar aberturas em ambos, isto é, no corpo central e na parede da tubulação.
As figuras 7 e 8 apresentam outra concretização para o quebrador de bolhas (100), salientando que o desenho é meramente esquemático e visa apenas o entendimento desta solicitação. Essencialmente, a diferença entre essa concretização e a mostrada nas figuras 4, 5 e 6 é que o centralizador superior é eliminado, sendo a centralização realizada na região do bocal por um anel (1 15) que contém múltiplas aberturas (120), preferencialmente circulares e dispostas circunferencial e simetricamente em relação ao eixo central do corpo (101 ). Essencialmente, o quebrador de bolhas (100) é composto por um corpo central (101 ) inserido em uma tubulação de produção (1 ). Dito corpo central (101 ) apresenta geometria na forma ordinária de gota, formando um Venturi anular que compreende uma região inferior (102) ou bocal do Venturi, uma região intermediária ou garganta do Venturi, onde há aberturas (120) e onde ocorre a maior restrição ao escoamento e uma região superior (112) ou difusor do Venturi. O anel (115) delimita no tubo de produção (1 ) duas câmaras que se comunicam através das aberturas (120): a câmara inferior (C1 ) que atua como entrada no bocal do Venturi (102) para o escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B1 ) de proporções variadas e a câmara superior (C2) que atua como saída do escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B2), quebradas em menores proporções, conformando uma espécie de espuma.
O corpo (101 ) é, preferencialmente, simétrico em relação ao eixo longitudinal central e a região extrema inferior (104) do corpo (101 ) é, preferencialmente, semiesférica ou em forma de calota esférica.
O escoamento do fluido bifásico (F1 )/(F2) passa pelo bocal (102) do Venturi, sendo suavemente conduzido para a garganta do Venturi, formada pelas aberturas (120), onde as bolhas (B1 ) existentes a montante são quebradas em bolhas menores a jusante (B2), formando um escoamento bifásico (F1 )/(F2) espumado.
Esse escoamento espumado passa, então, pala câmara de difusão ou difusor (112) onde parte da queda de pressão ocorrida ao longo do bocal de Venturi ( 02) é recuperada, sem afetar o tamanho das bolhas. E segue até a cabeça do poço (C) num arranjo de fases mais favorável, com menor escorregamento entre gás e líquido e menor gradiente de pressão. Na região da câmara de difusão ( 12) o corpo central apresenta a forma preferencial de um tronco de cone, embora outras formas possam ser utilizadas de acordo com a aplicação.
Por facilidade de instalação, o quebrador de bolhas pode ser acondicionado em um acessório de tubulação conhecido do estado da técnica e que é usado para assentar dispositivos diversos em uma tubulação de produção de poços de petróleo por meio de uma intervenção no poço com cabo de aço (slickline ou wireline). Nesse caso, nas figuras 4 a 8, a parede (1 ) da tubulação passaria a ser a parede desse acessório de tubulação para alojamento do quebrador de bolhas.
O quebrador de bolhas pode ser construído em diversos materiais de acordo com a aplicação. Pode ser maciço ou oco para permitir um menor peso ou a colocação de instrumentação ou qualquer outro aparato que seja considerado importante para a aplicação prática.
Outras formas e configurações podem existir, mas sem fugir da essência ao mostrado nas figuras.
A invenção apresenta aplicação potencial em poços surgentes ou que produzam por gas-lift contínuo. Embora nas figuras 1 a 3, o quebrador de bolhas tenha sido posicionado junto ao mandril de gas-lift, ele pode ser posicionado em outro local mais adequado para o seu propósito como, por exemplo, alguns metros acima do mandril, ou até mesmo abaixo dele. No caso de poço surgente, o quebrador de bolhas deverá ser colocado na profundidade em que o seu benefício seja maximizado, levando-se em conta o arranjo de fases ao longo do poço. Além disso, em qualquer caso, mais de um quebrador de bolhas pode ser utilizado ao longo do poço para maximizar os benefícios no escoamento.
Também é possível a aplicação da invenção como homogeneizador de escoamento multifásico em geral. Por exemplo, na entrada de bombas em geral que lidam com escoamento multifásico, seja no fundo de poços, seja no fundo do mar ou na superfície. Outro exemplo é a retificação ou homogeneização de escoamento antes de um medidor multifásico de vazão ou de outro parâmetro do escoamento.
Embora descrito como dispositivo estático, o quebrador de bolhas (100) pode ser adaptado para ajuste da área total das aberturas (103) ou (120), que formam a garganta do Venturi, ajuste esse que pode ser feito na superfície, antes da descida no poço, ou por atuação remota a partir de uma estação de controle da produção, ou, ainda, de maneira automática em função dos parâmetros locais de escoamento. No primeiro caso, o dispositivo quebrador de bolhas (100) pode ser ajustado de acordo com os parâmetros de produção do poço específico sempre que necessário, evitando que um quebrador de bolhas tenha que ser fabricado sob medida para cada aplicação em poço. Entretanto, uma vez descido no poço, o quebrador de bolhas ficará com a área da garganta fixa. No segundo caso, de acordo com os parâmetros controlados na estação, os operadores podem acionar o quebrador de bolhas, variando a área da garganta para um valor ótimo. No terceiro caso, a partir de medidas locais e de um software apropriado o quebrador de bolhas pode ser auto-acionado para a área da garganta ótima.
Para efeito de exemplificação, a área das aberturas (103) da concretização mostrada nas figuras 4 a 6 pode ser variada construindo um corpo (101 ) maciço, sem ranhuras, e usinando sulcos na parede do tubo (1 ) na região no entorno do corte B.B na figura 4, de maneira que a profundidade desses sulcos varie longitudinalmente desde zero até um valor máximo. Nesse caso, o corpo (101 ) poderá ter meios conhecidos do estado da técnica que permitam posicioná-lo de maneira que a área aberta através dos sulcos seja a requerida pela aplicação real.
Fora da atividade de produção de petróleo, certamente há situações em que o invento também se aplica, pois muitas vezes é interessante a quebra de bolhas para algum processo industrial específico que lida com escoamento bifásico.
Para a aplicação mais imediata em poços, já foi desenvolvido e testado protótipo que permite assentamento na coluna de produção via operação com arame. Por outro lado, o Venturi do corpo central pode ser facilmente adaptado para operação remota por acionamento elétrico ou hidráulico.
A saber, já foram realizados experimentos com água e ar no Laboratório de Mecânica dos Fluidos do Centro de Pesquisas (CENPES) da PETROBRAS em escala reduzida (tubulação de acrílico com 50 mm de diâmetro e 11 m de comprimento). Posteriormente, foram realizados experimentos com óleo e gás natural em um poço experimental de 300 m de profundidade mantido pelo CENPES em Aracaju. Os testes no poço experimental indicam que, corretamente dimensionado, o dispositivo pode representar ganhos (líquidos, isto é, descontada a perda localizada de pressão no próprio dispositivo) de até 10% do termo gravitacional ao longo de todo o poço.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 ) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", quebrador de bolhas (100) particularmente do tipo instalado centralizado em relação ao eixo central (E) do tubo ascendente (1 ) no interior da tubulação de revestimento (2) de um poço (3) surgente ou que produza por gas-lift contínuo; o tubo ascendente (1 ) é do tipo disposto entre o reservatório (R) do poço (3) e a cabeça de extração (C) do mesmo e se mantém afastado da parede interna da tubulação de revestimento de maneira a compor uma região anular (4) por onde pode circular gás a alta pressão (F1 ) proveniente de uma fonte de gás a alta pressão (5); os fluidos provenientes do reservatório (R) entram no poço (3) através de pequenos orifícios (7) previamente perfurados na tubulação de revestimento (2) e escoam (F2) para o interior da tubulação de produção (1 ) até a cabeça do poço (C); o gás (F1 ), que flui pela região anular (4), passa para dentro do tubo ascendente (1 ) através de convencionais válvulas de gas lift (V1 ) integrantes de respectivos mandris de gas lift (8); assim, com o gás (F1 ) no interior do tubo ascendente (1 ), o mesmo mistura-se aos fluidos (F2) provenientes do reservatório (R), passando pelo quebrador de bolhas (100), tendendo, então à superfície; caracterizado por o quebrador de bolhas (100) compreender um corpo central (101 ), cuja geometria consiste na forma ordinária de gota, formando um Venturi anular que compreende uma região inferior (102) ou bocal do Venturi, uma região intermediária aonde há aberturas (103) e aonde ocorre a maior restrição ao escoamento ou garganta do Venturi e uma região superior ( 12) ou difusor do Venturi; o diâmetro máximo (x1 ) do corpo (101 ) é igual ao diâmetro (y1 ) do tubo de produção (1 ) de maneira a formar uma região de tangenciamento; na periferia do diâmetro máximo (x1 ) do corpo (101 ) são praticadas múltiplas reentrâncias ou ranhuras longitudinais (103) preferencialmente equidistantes; o tangenciamento do corpo (101 ) na parede interna do tubo de produção (1 ) delimita, no mesmo, duas câmaras que se comunicam através das aberturas (103): a câmara inferior (C1 ) que atua como entrada no bocal do Venturi (102) para o escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B1 ) de proporções variadas e a câmara superior (C2), que atua como saída do escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B2) quebradas em menores proporções, conformando uma espécie de espuma.
2) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com a reivindicação 1 e numa forma preferencial de realização, caracterizado por as aberturas (103) serem realizadas na parede da tubulação (1 ), sendo o corpo (101 ) integro, sem ranhuras.
3) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com a reivindicação 1 e numa forma preferencial de realização, caracterizado por as aberturas (103) serem realizadas tanto no corpo (101 ) quanto na parede da tubulação (1 ).
4) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por o corpo (101 ) do quebrador de bolhas (100) ser centralizado no tubo ascendente (1 ) por meio de um elemento centralizador (107).
5) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 4 e numa opção de realização, caracterizado por o elemento centralizador (107) compreender um anel (108) interligado a um suporte central (109) por meio de aletas (1 10), conformando áreas livres (A) de amplo escoamento do fluido bifásico (F1 )/(F2) espumado.
6) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", quebrador de bolhas (100) particularmente do tipo instalado centralizado em relação ao eixo central (E) do tubo ascendente (1 ) no interior da tubulação de revestimento (2) de um poço (3) surgente ou que produza por gas-lift contínuo; o tubo ascendente (1 ) é do tipo disposto entre o reservatório (R) do poço (3) e a cabeça de extração (C) do mesmo e se mantém afastado da parede interna da tubulação de revestimento de maneira a compor uma região anular (4) por onde pode circular gás a alta pressão (F1 ) proveniente de uma fonte de gás a alta pressão (5); os fluidos provenientes do reservatório (R) entram no poço (3) através de pequenos orifícios (7) previamente perfurados na tubulação de revestimento (2) e escoam (F2) para o interior da tubulação de produção (1 ) até a cabeça do poço (C); o gás (F1 ), que flui pela região anular (4), passa para dentro do tubo ascendente (1 ) através de convencionais válvulas de gas lift (V1 ) integrantes de respectivos mandris de gas lift (8); assim, com o gás (F1 ) no interior do tubo ascendente (1 ), o mesmo mistura-se aos fluidos (F2) provenientes do reservatório (R), passando pelo quebrador de bolhas (100), tendendo, então à superfície; caracterizado por o quebrador de bolhas (100) compreender um corpo central (101 ), cuja geometria consiste na forma ordinária de gota, formando um Venturi anular que compreende uma região inferior (102) ou bocal do Venturi, uma região intermediária ou garganta do Venturi, onde há aberturas (120) e onde ocorre a maior restrição ao escoamento e uma região superior (112) ou difusor do Venturi; um anel (115) com diâmetro externo essencialmente igual ao interno do tubo (1 ) e solidário ao corpo (101 ) aonde são realizadas as aberturas (120); o anel (1 15) centraliza o corpo (101 ) e delimita no tubo de produção (1 ) duas câmaras que se comunicam através das aberturas (120): a câmara inferior (C1 ) que atua como entrada no bocal do Venturi (102) para o escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B1 ) de proporções variadas e a câmara superior (C2) que atua como saída do escoamento bifásico (F1 )/(F2) com bolhas de gás (B2), quebradas em menores proporções (120), conformando uma espécie de espuma.
7) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por as múltiplas aberturas (120) no anel de centralização (115) serem preferencialmente circulares e dispostas circunferencial e simetricamente em relação ao eixo central do corpo (101 ).
8) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6 e numa forma preferencial de realização, caracterizado por a região extrema inferior (104) do corpo (101 ) ser semiesférica ou em forma de calota esférica (104).
9) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6 e numa forma preferencial de realização, caracterizado por a região superior (105) do corpo (101 ) ser em forma de tronco de cone.
10) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o corpo (101 ) do quebrador de bolhas (100) ser excêntrico em relação ao eixo longitudinal central do tubo de produção (1 ).
1 1 ) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o quebrador de bolhas (100) ser posicionado no tubo (1 ) numa profundidade abaixo do mandril de gas lift por onde o gás é injetado no tubo de produção (1 ).
12) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por ser empregado mais de um quebrador de bolhas (100) ao longo do tubo de produção (1 ).
13) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o quebrador de bolhas (100) ser acondicionado em um acessório de tubulação usado para assentar dispositivos diversos em uma tubulação de produção de poços de petróleo por meio de uma intervenção no poço com cabo de aço (slickline ou wireline).
14) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o quebrador de bolhas (100) ser empregado a montante de uma bomba centrífuga ou de deslocamento positivo em um poço de petróleo ou na superfície para homogeneizar o escoamento multifásico.
15) "QUEBRADOR DE BOLHAS DE GÁS EM ESCOAMENTO MULTIFÁSICO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o quebrador de bolhas (100) ser empregado a montante de um medidor multifásico de vazão ou de outro parâmetro de escoamento para retificar ou homogeneizar o escoamento multifásico.
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