Campo da Invenção

[01 ] A presente invenção trata da utilização de fluido de controle de equipamentos de produção de hidrocarbonetos como fluido de barreira para motores elétricos acoplados a bombas submarinas.

Histórico da Invenção

[02] Até o presente momento a utilização de bombas submarinas tem apresentado resultados muito positivos para o aumento da produção de óleo e gás em campos submarinos no Brasil e no mundo.

[03] Essa tecnologia começou a ser utilizada para produção de hidrocarbonetos em campos terrestres e, com o desenvolvimento de campos marítimos, sua aplicação foi estendida para poços submarinos.

[04] Além da utilização de bombas como ferramenta para bombeio de hidrocarbonetos, essas bombas também são utilizadas para injeção de água em um reservatório produtor ou de descarte.

[05] As Bombas Centrífugas Submersas (BCS) são o tipo de bombas centrífugas mais utilizadas para produção de petróleo. Essas bombas foram inicialmente concebidas para operar dentro dos poços e por isso são construtivamente longas e esguias. Para operar, elas não precisam de suprimento externo de fluido de barreira para o motor, pois o fluido de barreira é isolado e compensado em relação ao processo através de um conjunto de selos, que isola a bomba do motor.

[06] Com o aumento da demanda de bombas para utilização submarina foram desenvolvidos novos conceitos de sistemas de bombeamento, mais adequados para utilização no leito marinho.

[07] Em aplicações de bombas de superfície, geralmente o alojamento do motor elétrico está em comunicação com o ambiente em sua volta, de tal maneira que a cavidade interna do motor é preenchida com ar. Quando o motor está acoplado a uma bomba, esta bomba tem um sistema de selagem no eixo que impede o vazamento do fluido bombeado (fluido de processo) para o meio ambiente.

[08] Esse selo é conhecido como selo mecânico, dinâmico ou rotativo. Por ser um selo que precisa vedar contra duas superfícies com movimento relativo entre elas, a vedação não é completamente eficaz, permitindo um pequeno vazamento do fluido de processo para fora do compartimento da bomba.

[09] Existe, em geral, um compartimento aberto, entre o motor e a bomba, que garante que qualquer vazamento do fluido de processo seja recolhido e encaminhado para descarte adequado. Nas aplicações submarinas, porém, o escape de qualquer quantidade de fluido de processo para o ambiente é inaceitável, pois isto significaria a contaminação da água do mar.

[010] Um método comumente utilizado para controlar vazamentos do selo é eliminar o espaço aberto entre o selo da bomba e do motor, de modo que vazamentos de fluido de processo provenientes da bomba sejam obrigados a entrar no alojamento do motor. O motor em si é totalmente vedado da água do mar ao seu redor por selos estáticos. Para que o fluido de processo não entre no motor, sua cavidade interna é preenchida com outro fluido, chamado fluido de barreira.

[01 1 ] Em bombas tipo BCS, o fluido de barreira é separado do fluido de processo através de um conjunto de selos que tem por objetivo equalizar as pressões entre processo e fluido de barreira, permitir expansão e contração do fluido de barreira devido à variação de temperatura e isolar o fluido de processo do fluido de barreira. Nesse caso, o compartimento do motor é preenchido com óleo dielétrico antes da instalação da bomba em seu local de operação e não se faz necessário o suprimento contínuo de fluido de barreira de uma fonte externa. Além disso, não é preciso controlar a pressão de forma ativa, nem é previsto consumo de fluido de barreira. Este arranjo simplifica a operação, porém tende a reduzir a vida útil do equipamento.

[012] Em bombas projetadas para operar no leito marinho, a solução mais comum é utilizar apenas um selo separando o fluido de processo do fluido de barreira, solução significativamente mais compacta que a utilizada para BCS. Porém, com esse arranjo, não é possível garantir, que não ocorrera contaminação (vazamento através do selo) do fluido de barreira com o fluido de processo.

[013] Para prevenir a contaminação do fluido de barreira, o mesmo é mantido a uma pressão superior ao fluido de processo no lado da bomba. Assim, qualquer vazamento pelo selo do eixo ocorrerá somente no sentido do motor para a bomba. De modo geral, tais vazamentos são pequenos e não impactam significativamente o funcionamento dos equipamentos submarinos.

[014] Nesse caso, como existe um consumo pequeno, porém constante, de fluido de barreira, se faz necessária uma fonte externa para suprir este fluido e também para fornecer a pressão necessária para garantir a sobrepressão no compartimento do motor.

[015] O fluido de barreira também tem como finalidade lubrificar os mancais da bomba e do motor, além de ajudar no gerenciamento térmico do equipamento.

[016] Uma vez que o enrolamento do motor é exposto a este fluido de barreira, geralmente se escolhe um fluido com propriedades dielétricas. Assim, mantém-se o isolamento do enrolamento mesmo que existam pequenos defeitos no isolamento de esmalte dos fios do enrolamento - um problema que não existe para o motor convencional com ar.

[017] O fluido dielétrico é tipicamente um óleo mineral de baixa viscosidade. A baixa viscosidade é desejável para minimizar as perdas oriundas do arraste causado pela presença do líquido no espaço entre o rotor e o estator. Escolhe-se óleo mineral devido às suas boas propriedades dielétricas.

[018] Por ser um fluido específico, não utilizado em outras funções presentes nos equipamentos submarinos, é necessário criar uma infraestrutura dedicada para suprir este fluido, desde logística para fornecimento deste à plataforma, até equipamentos que são instalados na plataforma e no ambiente submarino para direcionamento do fluido de barreira até a bomba.

[019] Os problemas e dificuldades para utilização do fluido de barreira começam nas características e propriedades requeridas pelo mesmo. Para manter as propriedades dielétricas e garantir a integridade do motor, é necessário um controle rigoroso da contaminação por água, mesmo em pequenas proporções. Além disso, este óleo tem grande tendência a absorver umidade do ambiente o que exige testes periódicos para avaliar o teor de água no fluido armazenado.

[020] O fornecimento do fluido de barreira para o motor submerso envolve vários aspectos conforme descrito a seguir:

[021 ] O fluido é comprado especialmente - não existe outro uso para este fluido no ambiente de plataformas de produção de petróleo. No caso das plataformas brasileiras este fluido é importado, já que não há produção nacional. Ele é transportado em bombonas até a plataforma na qual a bomba está conectada, sendo estocado até requerido para completar o reservatório da unidade de pressurização.

[022] A unidade de pressurização, ou unidade de potência hidráulica (HPU), é instalada nesta plataforma e dedicada a suprir fluido de barreira, que é pressurizado através de bombas elétricas e acumuladores. Válvulas de controle permitem o direcionamento do fluido para o umbilical que por sua vez conduz o fluido até a bomba submarina.

[023] Além do custo de compra do fluido, aquisição e instalação da unidade hidráulica, há grandes inconveniências operacionais para monitorar o suprimento do fluido em tempo hábil, já que o armazenamento de grande quantidade deste fluido se torna inviável devido à falta de espaço na plataforma. Esta falta de espaço também é crítica para instalação da unidade hidráulica.

[024] Outra limitação técnica é a passagem do fluido pelo "swivef, no caso de plataforma com "turret", exigindo a disponibilidade de uma passagem dedicada.

Breve Descrição das Figuras

[025] A presente invenção e seu modo preferencial de execução serão a seguir descritos com referência às figuras em anexo, que de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo, representam:

[026] - Figura 1 - vista esquemática das instalações para utilização de fluido de barreira em motores elétricos acoplados a bombas submarinas, segundo o estado da técnica.

[027] - Figura 2 - vista esquemática da instalação para utilização do fluido de controle como fluido de barreira para motores elétricos acoplados a bombas submarinas, de acordo com a presente invenção.

[028] A utilização de fluido de barreira segundo o estado da técnica representado na Figura 1 compreende uma instalação composta por duas unidades de potência hidráulica (HPU), dois umbilicais e duas conexões na plataforma, independentes para o processo de gerenciamento de fluido de barreira para motores elétricos acoplados a bombas submarinas e para o fluido de controle para o sistema submarino, respectivamente.

[029] A instalação representada na Figura 2, objeto da presente invenção, configura uma única unidade de potência hidráulica (HPU), um único umbilical e, consequentemente, uma única interface com a plataforma, tanto para o fluido de barreira como para o fluido de controle, utilizando o mesmo fluido para ambos os propósitos.

Descrição Detalhada da Invenção

[030] Em sistemas marítimos, o controle dos equipamentos de produção submarinos é tipicamente hidráulico. Para tal, é instalada na plataforma uma unidade de potência hidráulica (HPU) que fornece, através de um umbilical, fluido pressurizado para o sistema submarino. A distribuição desse fluido para os diversos consumidores - válvulas, "chokes" e módulos de controle - se dá através de mangueiras (HFL) e acoplamentos hidráulicos (MQC).

[031 ] É objetivo da presente invenção proporcionar meios de utilização do fluido de controle como fluido de barreira para o motor de bombas submarinas na infra-estrutura já disponível na plataforma e no ambiente submarino. A implementação e utilização da presente invenção compreende, notadamente, a reconfiguração da distribuição hidráulica submarina. Em casos específicos, pode ser necessária alguma modificação na HPU da plataforma, como, por exemplo, aumento dos reservatórios, dos acumuladores ou na vazão das bombas.

[032] A regulagem de pressão dentro do compartimento do motor é realizada por um conjunto de válvulas reguladoras montadas juntas à bomba, ficando a HPU de controle responsável por fornecer uma pressão constante de fluido que é direcionado à bomba.

[033] A instalação objeto da presente invenção poderá ser bem entendida pela descrição detalhada da Figura 2, onde referências numéricas iguais identificam os mesmos elementos ilustrados na Figura 1 .

[034] Em uma plataforma (10) é disposta uma única unidade de potência hidráulica (HPU) (5), provida de fluido de controle hidráulico à base de água, a qual é conectada por um umbilical (6) à unidade de terminação de umbilical (9), onde normalmente um módulo de controle (8) e válvulas e "chokes" (1 1 ) estão interligados através de placas de acoplamentos hidráulicos (MQC) (7). Uma mangueira (HFL) (12) é provida de modo a realizar a ligação entre a unidade de terminação de umbilical (9), através de uma das placas (MQC) (7), e o motor elétrico (2) da bomba (1 ) de forma que o fluido de controle hidráulico à base de água possa ser também utilizado como fluido de barreira no conjunto motor e bomba centrífuga. Essa instalação permite se obter uma sobre pressão do fluido de barreira em relação à entrada (3) do fluido de processo.

[035] Deve ser ainda observado que o circuito hidráulico proveniente da unidade de potência hidráulica (5) é suficiente para realizar simultaneamente o controle hidráulico do sistema submarino (8, 1 1 ) e do fluido de barreira para o motor elétrico (2) da bomba submarina (1 ).

[036] Será observado por aqueles versados na arte que a adoção da instalação de acordo com a presente invenção, ao compartilhar o mesmo fluido para controle submarino como fluido de barreira, proporcionará, dentre outras vantagens: Do ponto de vista construtivo:

- a possibilidade do aproveitamento da infra-estrutura existente na plataforma, eliminando a necessidade de mais uma unidade de controle (HPU) e assim otimizando o espaço disponível na unidade flutuante, sem tanques reservatório de fluido de barreira, acumuladores, etc, na unidade de pressurização;

- a possibilidade do aproveitamento do umbilical de controle, não havendo necessidade de linhas extras para suprir fluido para o motor da bomba já que a redistribuição passará a ser submarina;

- o aproveitamento dos canais de hidráulica no "swivel", em caso de plataformas com "turrei";

Do ponto de vista de logística:

- a utilização da logística de fluidos e suprimentos marítimos já existentes, não havendo necessidade de se inserir um novo produto nos contratos de suprimento;

Do ponto de vista qualitativo:

- a qualidade de limpeza do fluido de controle é a mesma exigida para operação da bomba, ou seja, não haverá necessidade de mudar os requisitos de qualidade do fluido para utilizá-lo como fluido de barreira.

[037] Como se pode também observar, a aplicação dessa nova instalação segundo a presente invenção diminuirá substancialmente o custo e a complexidade de implantação e operação de um sistema de bombeamento submarino. Além disso, como o motor elétrico já será projetado para trabalhar imerso em um fluido à base de água, a contaminação do fluido de barreira com o fluido de processo ou água do mar não acarretará falhas do motor por curto circuito.