WO2019241864A1 - Unidade de bombeio terrestre - Google Patents

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Silvio FERREIRA GAGLIOTI
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
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    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/02—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps the driving mechanisms being situated at ground level

Definitions

  • the present invention relates to an oil pumping unit. More particularly, the present invention relates to an onshore mechanical oil pumping unit.
  • a widespread method for onshore oil extraction is known as mechanical pumping. It is an alternative pump, installed at the bottom of the well, that is connected to a column of rods long enough for the other end to reach the surface.
  • the rod column On the surface, the rod column is connected to a device known as the Pumping Unit, whose function is to convert the rotary motion of a conventional motor into an alternate, low-rotation motion for the pumping rod, which in turn transfers it to the downhole pump.
  • the Pumping Unit a device known as the Pumping Unit, whose function is to convert the rotary motion of a conventional motor into an alternate, low-rotation motion for the pumping rod, which in turn transfers it to the downhole pump.
  • Conventional pumping units consist primarily of a motor, pulley, gearbox, connecting rods, a bearing, beam and counterweight. About half of the applied power of the assembly is lost between the pulley and gearbox. In addition to substantial energy loss, the pulley and gearbox are fault concentration points and require constant preventive maintenance.
  • CN1924288A discloses a vertical oil extraction device comprising a turret, wherein at the top of said turret are positioned a pulley, which receives torque from a low-rev, high-torque motor, and a free pulley.
  • a counterweight is supported at the opposite end of the halter, with a cable connecting them through the upper pulleys. The rotation of the pulley that receives the motor torque is reversible to perform the alternative movement of the pumping unit.
  • CN203412551 U also discloses a vertical oil pumping unit comprising a vertical structure, and at the top of said structure is positioned a low torque, high torque permanent magnet electric motor that moves a load belt through a revolving housing.
  • a counterweight is supported at the opposite end of the halter rod, with the load strap connecting them through the rotating casing, driven by the engine and a front pulley. The rotation of the pulley that receives the motor torque is reversible to perform the alternative movement of the pumping unit.
  • An inverter positioned in a control center controls motor speed and direction of rotation.
  • US4761 120A discloses a pumping unit whose counterweight includes a tank for receiving a certain amount of liquid that can be pumped in or out of it by a reversible motor pump controlled by a circuit that monitors unbalances in the system.
  • counterweight mass is corrected for changes in fluid density and actuator lifting force.
  • the present invention aims at solving the prior art problem described above in a practical and efficient manner.
  • the main object of the present invention is to provide a pumping unit comprising a simplified and robust mechanical balance balancing system, eliminating the need for a hydraulic system.
  • the present invention further aims to provide a pumping unit comprising a regenerative energy system that stores energy from downward cycles for use in upward cycles.
  • a ground pumping unit comprising (i) at least one support structure, (ii) at least one external rotor motor supported on the support structure, (iii) a first cable connected to the outer rotor to support a rod and a Christmas tree and (iv) a counterweight connected to the external rotor opposite the first cable connection, the counterweight being movably supported on an angled rail with respect to the horizontal variable.
  • Figure 1 illustrates a schematic side view of the pumping unit according to the preferred embodiment of the present invention.
  • FIGS 2a to 2c illustrate different angles of the counterweight support rail of the pumping unit according to the preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 1 illustrates a schematic side view of the pumping unit according to the preferred embodiment of the present invention.
  • the ground pumping unit according to the preferred embodiment of the present invention comprises at least one structure of support 5, preferably in tower form.
  • the external rotor motor 6 is supported on the support structure 5.
  • the external rotor motor performs the cyclic movement of the pumping unit.
  • first cable 7 On one side of the outer rotor motor 6 is connected a first cable 7, which in turn is connected to a rod 8 and a Christmas tree 9.
  • first cable 7 supports the weight of the assembly ( column of rods) that enters the earth well.
  • a counterweight 4 is movably supported on a rail 3.
  • the counterweight 4 is composed of a mass integral with the movement of the pumping unit which slides on the rail 3.
  • the rail 3 of the present invention has inclination angle with respect to the variable horizontal. This means that the force exerted by the counterweight 4 on the external rotor motor 6 can be varied as needed, making the pumping unit self-balancing in the event of changes in viscosity, production volume or even pressure. pumped oil composition.
  • the angle of inclination of the rail 3 with respect to the horizontal is effected by means of displacement (not shown).
  • the displacement means may be any means known in the prior art for varying the angle of inclination of the rails.
  • the upper end of the rail 3 is pivotally attached to a bearing 12, which in turn is fixed to the support structure 5 of the pumping unit. This allows the lower end of the rail 3 may be raised (by any prior art known lifting means such as electric or hydraulic actuators) to vary the angle of said rail 3.
  • Figures 2a to 2c illustrate different angles of the rail 3 of the pumping unit according to the embodiment described above.
  • the bearing 12 is sliding along the height of the support structure 5.
  • the lower end of the rail 3 is also sliding with respect to the horizontal surface.
  • the angle of inclination of the rail 3 is varied from the linear sliding of both ends of the rail 3.
  • at least one linear actuation means (not shown) is provided at at least one end of the rail. for moving them.
  • the pumping unit of the present invention further comprises a control means 2 adapted for monitoring the balance of the pumping unit.
  • the control means triggers the displacement means to change the inclination angle of the rail 3 automatically.
  • the pumping unit of the present invention further comprises a regenerative energy system connected to the external rotor motor 6 capable of storing downward cycle energy for use in upward cycles.
  • control means 2 is further adapted to control the energy storage of the regenerative energy system.
  • the present invention provides a pumping unit comprising a simplified and robust mechanical counterbalance balancing system, dispensing with the need for a hydraulic system for such.
  • a regenerative energy system is provided for storing energy from downward cycles for use in upward cycles. This significantly reduces system power consumption.

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Abstract

A presente invenção está relacionada a uma unidade de bombeio mecânico de petróleo onshore. Nesse cenário, a presente invenção provê uma unidade de bombeio terrestre, compreendendo (i) pelo menos uma estrutura de suporte (5), (ii) pelo menos um motor de rotor externo (6) apoiado sobre a estrutura de suporte (5), (iii) um primeiro cabo (7) conectado ao rotor externo (6) para suportar uma haste (8) e uma árvore de natal (9) e (iv) um contrapeso (4) conectado ao rotor externo (6) do lado oposto à conexão do primeiro cabo (7), o contrapeso sendo apoiado de forma móvel sobre um trilho (3) com ângulo de inclinação com relação à horizontal variável. A unidade de bombeio compreende um sistema mecânico simplificado e robusto de balanceamento do contrapeso, dispensando a necessidade de um sistema hidráulico para tal. Ademais, um sistema regenerativo de energia é provido para armazenar energia dos ciclos descendentes para utilizar nos ciclos ascendentes.

Description

“UNIDADE DE BOMBEIO TERRESTRE”
CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção está relacionada a uma unidade de bombeio de petróleo. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a uma unidade de bombeio mecânico de petróleo onshore.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] Um método muito difundido para extração de petróleo onshore é conhecido como bombeio mecânico. Trata-se de uma bomba alternativa, instalada no fundo do poço, que é conectada a uma coluna de hastes com comprimento suficiente para que a outra extremidade chegue até a superfície.
[003] Na superfície, a coluna de hastes é conectada a um dispositivo conhecido como Unidade de Bombeio, cuja função é converter o movimento rotativo de um motor convencional em um movimento alternativo e de baixa rotação para a haste de bombeio, que por sua vez o transfere para a bomba instalada no fundo do poço.
[004] As unidades de bombeio convencionais são constituídas basicamente por um motor, polia, uma caixa de redução, bielas, um mancai, viga e contrapeso. Cerca da metade da potência aplicada do conjunto é perdida entre a polia e a caixa de redução. Além da perda substancial de energia, a polia e a caixa de redução são pontos de concentração de falhas e exigem constante manutenção preventiva.
[005] Para variar o curso dos movimentos alternativos é necessária a parada do equipamento e uma perigosa desmontagem parcial em campo. O mesmo ocorre com o contrapeso, que é necessário para manter todo o conjunto balanceado durante a operação.
[006] A título de exemplo, o documento CN1924288A revela um dispositivo de extração de petróleo vertical compreendendo uma torre, sendo que no topo da referida torre estão posicionadas uma roldana, que recebe torque de um motor de baixa rotação e alto torque, e uma roldana livre. Um contrapeso é apoiado na extremidade oposta ao cabresto, sendo que um cabo conecta-os passando pelas roldanas superiores. A rotação da roldana que recebe o torque do motor é reversível para realizar o movimento alternativo da unidade de bombeio.
[007] O documento CN203412551 U também revela uma unidade de bombeio de petróleo vertical compreendendo uma estrutura vertical, sendo que no topo da referida estrutura está posicionado um motor elétrico de imãs permanentes de baixa rotação e alto torque que movimenta uma cinta de carga através de uma carcaça giratória. Um contrapeso é apoiado na extremidade oposta à haste do cabresto, sendo que a cinta de carga conecta-os passando pela carcaça giratória, movida pelo motor e por uma polia frontal. A rotação da roldana que recebe o torque do motor é reversível para realizar o movimento alternativo da unidade de bombeio. Um inversor posicionado em uma central de controle controla a rotação do motor e o sentido de giro.
[008] A variação da viscosidade, do volume de produção e da composição do óleo durante o bombeio requer ajustes no contrapeso. Muitas das unidades de bombeio requerem parada de operação para que os contrapesos sejam reposicionados.
[009] De forma a solucionar o problema de paradas para ajuste do contrapeso, o documento US4761 120A revela uma unidade de bombeio cujo contrapeso inclui um tanque para receber uma determinada quantidade de líquido que pode ser bombeada para dentro ou para fora do mesmo por uma bomba de motor reversível controlada por um circuito que monitora desbalanceamentos no sistema. Assim, a massa do contrapeso é corrigida de acordo com alterações na densidade do fluido e na força de elevação do atuador.
[010] Apesar de o documento US4761 120A apresentar uma boa solução para o problema de contrapeso com massa variável, há necessidade de uma bomba e um sistema hidráulico dedicados ao balanceamento do contrapeso. Isso encarece o sistema, além de aumentar o número de componentes, o que gera um maior custo com manutenção. Adicionalmente, em caso de falha no sistema de bombeamento, a unidade de bombeio teria que necessariamente ser parada para manutenção.
[01 1] Assim, há no estado da técnica a necessidade de uma unidade de bombeio que compreenda um sistema alternativo de balanceamento do contrapeso.
[012] Como será mais bem detalhado a seguir, a presente invenção visa a solução do problema do estado da técnica acima descrito de forma prática e eficiente.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[013] A presente invenção tem por objetivo principal prover uma unidade de bombeio que compreenda um sistema mecânico simplificado e robusto de balanceamento do contrapeso, dispensando a necessidade de um sistema hidráulico.
[014] A presente invenção tem por objetivo adicional prover uma unidade de bombeio que compreenda um sistema regenerativo de energia que armazene energia dos ciclos descendentes para utilizar nos ciclos ascendentes. [015] De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presente invenção provê uma unidade de bombeio terrestre, compreendendo (i) pelo menos uma estrutura de suporte, (ii) pelo menos um motor de rotor externo apoiado sobre a estrutura de suporte, (iii) um primeiro cabo conectado ao rotor externo para suportar uma haste e uma árvore de natal e (iv) um contrapeso conectado ao rotor externo do lado oposto à conexão do primeiro cabo, o contrapeso sendo apoiado de forma móvel sobre um trilho com ângulo de inclinação com relação à horizontal variável.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[016] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.
[017] A figura 1 ilustra uma vista lateral esquemática da unidade de bombeio de acordo com a concretização preferencial da presente invenção.
[018] As figuras 2a a 2c ilustram diferentes ângulos do trilho de suporte do contrapeso da unidade de bombeio de acordo com a concretização preferencial da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[019] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.
[020] A figura 1 ilustra uma vista lateral esquemática da unidade de bombeio de acordo com a concretização preferencial da presente invenção. Como pode ser observado, a unidade de bombeio terrestre de acordo com a concretização preferencial da presente invenção compreende pelo menos uma estrutura de suporte 5, preferencialmente em formato de torre.
[021] Sobre a estrutura de suporte 5 é apoiado o motor de rotor externo 6. O motor de rotor externo realiza o movimento cíclico da unidade de bombeio.
[022] Em um dos lados do motor de rotor externo 6 é conectado um primeiro cabo 7, que por sua vez é conectado a uma haste 8 e uma árvore de natal 9. Dessa forma, o primeiro cabo 7 suporta o peso do conjunto (coluna de hastes) que adentra o poço terrestre.
[023] Do lado oposto ao primeiro cabo 7, também conectado ao motor de rotor externo 6, é provido um contrapeso 4 apoiado de forma móvel sobre um trilho 3. O contrapeso 4 é composto por uma massa solidária ao movimento da unidade de bombeio que desliza sobre o trilho 3.
[024] O trilho 3 da presente invenção tem ângulo de inclinação com relação à horizontal variável. Isso faz com que a força exercida pelo contrapeso 4 no motor de rotor externo 6 possa ser variada de acordo com a necessidade, fazendo com que a unidade de bombeio possa se auto balancear em caso de variações de viscosidade, do volume de produção ou mesmo da composição do óleo bombeado.
[025] Preferencialmente, a alteração do ângulo de inclinação do trilho 3 com relação à horizontal é realizado por meios de deslocamento (não mostrado). Os meios de deslocamento podem ser quaisquer meios conhecidos do estado da técnica para realizar a variação do ângulo de inclinação dos trilhos. Em uma concretização preferencial, a extremidade superior do trilho 3 é fixada de maneira pivotante a um mancai 12, que por sua vez está fixo à estrutura suporte 5 da unidade de bombeio. Isso permite que a extremidade inferior do trilho 3 possa ser elevada (por meio de quaisquer meios de elevação conhecidos do estado da técnica, tais como atuadores elétricos ou hidráulicos) para variação do ângulo do referido trilho 3.
[026] As figuras 2a a 2c ilustram diferentes ângulos do trilho 3 da unidade de bombeio de acordo com a concretização acima descrita. Quando maior a inclinação do trilho 3 com relação à horizontal, maior a força exercida pelo contrapeso 4 no motor de rotor externo 6.
[027] Em uma concretização alternativa, o mancai 12 é deslizante ao longo da altura da estrutura suporte 5. Adicionalmente, a extremidade inferior do trilho 3 também é deslizante com relação à superfície horizontal. Nessa concretização, a variação do ângulo de inclinação do trilho 3 se dá a partir do deslizamento linear de ambas as extremidade do trilho 3. Preferencialmente, pelo menos um meio de atuação linear (não mostrado) é provido em pelo menos uma das extremidades do trilho para movimentação das mesmas.
[028] Vale ressaltar que quaisquer outros meios de variação do ângulo de inclinação do trilho 3 conhecidos do estado da técnica podem ser aplicados na presente invenção. Sendo assim, reforça- se que o escopo da presente invenção não está de forma alguma restrito aos meios de variação da inclinação do trilho 3 aqui descritos.
[029] Preferencialmente, a unidade de bombeio da presente invenção ainda compreende um meio de controle 2 adaptado para monitoramento do balanceamento da unidade de bombeio. Em caso de detecção de desbalanceamentos, o meio de controle aciona os meios de deslocamento de modo a alterar o ângulo de inclinação do trilho 3 de forma automática.
[030] Opcionalmente, a unidade de bombeio da presente invenção ainda compreende um sistema regenerativo de energia conectado ao motor de rotor externo 6 capaz de armazenar energia dos ciclos descendentes para utilizar nos ciclos ascendentes.
[031] Preferencialmente, o meio de controle 2 é adicionalmente adaptado para controlar o armazenamento de energia do sistema regenerativo de energia.
[032] Assim, a presente invenção provê uma unidade de bombeio compreendendo um sistema mecânico simplificado e robusto de balanceamento do contrapeso, dispensando a necessidade de um sistema hidráulico para tal. Ademais, um sistema regenerativo de energia é provido para armazenar energia dos ciclos descendentes para utilizar nos ciclos ascendentes. Isso reduz significativamente o consumo de energia do sistema.
[033] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações/concretizações particulares acima descritas.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Unidade de bombeio terrestre, caracterizado por compreender:
pelo menos uma estrutura de suporte (5); pelo menos um motor de rotor externo (6) apoiado sobre a estrutura de suporte (5);
um primeiro cabo (7) conectado ao rotor externo (6) para suportar uma haste (8) e uma árvore de natal (9);
um contrapeso (4) conectado ao motor de rotor externo (6) do lado oposto à conexão do primeiro cabo (7), o contrapeso sendo apoiado de forma móvel sobre um trilho (3) com ângulo de inclinação com relação à horizontal variável.
2. Unidade de bombeio, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender meios de deslocamento adaptados para modificar o ângulo de inclinação do trilho (3) com relação à horizontal.
3. Unidade de bombeio, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a extremidade superior do trilho (3) ser fixada de maneira pivotante a um mancai (12), que por sua vez está fixo à estrutura suporte (5) da unidade de bombeio.
4. Unidade de bombeio, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por:
a extremidade superior do trilho (3) ser fixada de maneira pivotante a um mancai (12) deslizante ao longo da altura da estrutura suporte (5); e
a extremidade inferior do trilho (3) ser deslizante com relação à superfície horizontal.
5. Unidade de bombeio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado por compreender adicionalmente um meio de controle (2) adaptado para: monitoramento do balanceamento da unidade de bombeio; e
em caso de detecção de desbalanceamentos, acionar os meios de deslocamento de modo a alterar o ângulo de inclinação do trilho (3).
6. Unidade de bombeio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender adicionalmente um sistema regenerativo de energia conectado ao eixo do rotor externo (6).
7. Unidade de bombeio, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado por o meio de controle (2) ser adicionalmente adaptado para controlar o armazenamento de energia do sistema regenerativo de energia.
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