MÁQUINAS ROTATIVAS"

Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata-se de um sistema para injetar gases em espaços anulares de máquinas rotativas, através de um ejetor, bomba e um motor. Esse sistema pode ser utilizado em equipamentos submarinos, bombeio submarino, motores submarinos, compressores submarinos, máquinas rotativas.

Histórico da Invenção

[002] A produção de fluidos do reservatório contém tipicamente uma mistura de hidrocarbonetos, gás e óleo, juntamente com água e areia. No período inicial da produção de um poço obtém-se a maior fração de produção do óleo, cujo é o componente mais rentável, enquanto que a fração produzida de água é mínima. Porém, a curva de produção de um poço, ao longo do tempo descreve uma inversão significativa com que as frações dos fluidos são produzidas. Com o decorrer da vida do poço há a necessidade de fazer uso métodos artificiais de elevação de forma que a fração recuperada de óleo se mantenha ainda rentável.

[003] Normalmente métodos artificiais de elevação são utilizados em reservatórios de óleo com propriedades complexas, que dificultam a garantia de escoamento do poço até unidade de produção. O uso de "gas liff, injeção de água, injeção de gás ou vapor e bombeio submarino são algumas técnicas tipicamente aplicadas. [004] O bombeio submarino abrange diferentes tecnologias de motores e bombas, de maneira a adequar as funções do equipamento aos requisitos dos sistemas e suas características como diferencial de pressão requerido {"head"), composição do fluido, fração de gás {"gas volume fraction" - GVF), viscosidade, variações no WC {"watercuf), presença de emulsões e quantidades representativas de areia. A hidráulica hélico-axial e centrífuga tem sido adotada pelo mercado para o bombeio submarino.

[005] Bombas submarinas têm sido utilizadas em lâmina d'água profundas, por exemplo, acima de 1000 m, podendo estar localizadas no interior do poço de produção de petróleo ou em leito submarino. Das aplicações já citadas, a adoção da bomba centrífuga pode necessitar de um poço perfurado exclusivamente para sua instalação, o qual recebe a produção de fluidos do reservatório, vindo do poço de produção, e pode também necessitar que gás seja separado de forma a alcançar teores de gás remanescentes aceitáveis para ingressar na bomba sem que possa acarretar qualquer dano.

[006] É conhecido da indústria que bombas centrífugas podem tolerar em torno de 20% de fração volumétrica de gás na corrente de produção a ser bombeada. A intervenção no equipamento, quando este é instalado no interior de um poço, é de altíssimo custo, se comparado com a intervenção do equipamento quando este é instalado em leito marinho, ocasionando inclusive a interrupção da produção. Já as bombas de hidráulica hélico-axial, apresentam maior tolerância às frações de gás a serem bombeadas juntamente com frações de líquido e, além disso, são instaladas em leito submarino.

[007] De forma sucinta, um sistema de bombeio ou compressão é constituído de um motor e uma bomba ou compressor propriamente dito. O rotor do motor é acoplado ao eixo da bomba, podendo ser o mesmo eixo em algumas aplicações. A bomba ou compressor é composta também por uma parte rotativa, acoplada ao eixo, chamados de impelidores, que são componentes responsáveis por transferir energia para o fluido, além disto, a bomba possui componentes estáticos, chamados de difusores, cuja função é condicionar o escoamento. Outros acessórios e dispositivos podem estar montados no conjunto de acordo com necessidades específicas da aplicação.

[008] Motores elétricos utilizados para acionar dispositivos, onde existe fluido de processo pressurizado, como por exemplo, bombas e compressores, devem ser projetados de maneira a impedir o ingresso do fluido de processo no motor. Uma solução é a separação do motor e da bomba em carcaças individuais fazendo com que qualquer vazamento seja coletado externamente ao sistema. Em um sistema submarino, de maneira geral, as carcaças se comunicam entre si, possuindo um selo mecânico como barreira entre elas. Porém, por se tratar de um selo dinâmico, ocorre um pequeno vazamento de fluido do lado de alta pressão para o lado de baixa pressão. Este selo então é pressurizado pelo lado do motor com um fluido de barreira, provocando um vazamento na direção da bomba.

[009] Na maior parte dos motores, o fluido de barreira deve possuir características elétricas controladas, sendo geralmente um óleo mineral dielétrico, livre de contaminantes e com a concentração de água controlada. Alguns sistemas podem utilizar fluidos com especificações mais brandas, como por exemplo, em motores enrolados a cabo, onde as características elétricas do fluido não são críticas.

[010] O fluido de barreira pode ser tanto um fluido com características elétricas bem definidas, como um óleo mineral dielétrico, quanto pode ser um fluido com especificações mais brandas, como no caso onde os enrolamentos do motor são feitos a cabo. Além da função principal de barreira, este fluido também apresenta a função secundária de refrigeração do motor. O sistema de fluido de barreira requer que seja instalado nas facilidades topside, um skid com painéis hidráulicos e um reservatório de fluido mineral ligado ao umbilical para abastecimento contínuo do fluido de barreira no equipamento submarino. A necessidade de sistema de fluido de barreira acarreta supervisão operacional e custo à operação, visto que o fluido de barreira é consumível e necessita de reposição periódica.

[011] A utilização de fluido de barreira tem como desvantagem: a necessidade de um sistema dedicado ao suprimento do fluido na unidade de superfície, tipicamente localizado no Turrei da plataforma, ocupa linhas do umbilical com a transferência do fluido para o motor, requer a supervisão e manutenção de operadores, consome energia da plataforma.

[012] Além disso, a utilização de fluido de barreira, que na maioria das vezes é um líquido, também apresenta perdas significativas devido ao arrasto gerado pelo movimento relativo entre a parte estática e a rotativa. Portanto, a presença de um fluido viscoso no anular do motor pode significar uma baixa eficiência para um motor de grandes diâmetros ou que opere a altas velocidades, podendo ainda, inviabilizar a operação da máquina.

[013] Uma solução para este problema é a utilização de um gás comprimido neste anular, porém, o circuito deste gás deve ser tal que a diferença de pressão provoque um vazamento constante de gás pelo selo em direção ao fluido de processo, o que requer uma pressão no anular maior do que a da interface entre fluidos. No caso de uma bomba, por exemplo, se a descarga for a parte mais próxima ao anular, a pressão precisa ser maior que a pressão de descarga, o que pode exigir um sistema de compressão dedicado para o gás do anular.

[014] Uma segunda solução é drenar o anular constantemente, removendo, principalmente, gás. Porém, nesta situação, a pressão do fluido de processo é maior que a pressão do anular, fazendo com que o fluido de processo vaze para o anular, com isso, este dreno também é responsável por remover este líquido e direcioná-lo para outro ponto do sistema.

Descrição Resumida da Invenção

[015] A presente invenção trata de um sistema para injetar gás nos espaços anulares de máquinas rotativas ("a/r gap") (20), esse sistema compreende na utilização de uma bomba (32), um motor (18) e um ejetor (10). A presente invenção apresenta duas realizações.

[016] A primeira realização apresenta um sistema (30) que permite uma redução da viscosidade do fluido no espaço anular ("a/r gap") (20) entre o rotor (28) e estator (26) do motor (18), no qual esse fluido de baixa viscosidade (12) é proveniente da descarga (58) do ejetor (10), onde esse fluido de baixa viscosidade (12) é o resultado da mistura de um gás (08) proveniente da unidade de extração de gás (24) da bomba (32) com um fluido de motivação (48) proveniente da descarga (14) da bomba (32).

[017] A segunda realização apresenta um sistema (40) que permite uma redução da viscosidade do fluido no espaço anular ("a/r gap") (20) entre o rotor (28) e estator (26) do motor (18), no qual um gás (08) proveniente de uma unidade de extração de gás (24) circula através do espaço anular ("a/r gap") (20) e posteriormente através de um ejetor (10) o fluido (12) escoa para a linha de processo à montante da bomba (32).

Breve Descrição das Figuras

[018] A presente invenção poderá ser bem compreendida a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo representam:

- Figura 1 - Ejetor e seus componentes;

- Figura 2 - Esquemático da circulação de fluido com alto GVF da

descarga do ejetor pelo espaço anular {"air gap"); e

- Figura 3 - Esquemático da circulação pelo espaço anular {"airgap") de gás succionado pelo ejetor.

Descrição Detalhada da Invenção

[019] A presente invenção descreve sistemas para injetar gás nos espaços anulares de máquinas rotativas ("a/r gap") (20), esses sistemas compreendem na utilização de uma bomba (32), um motor (18) e um ejetor (10). A presente invenção, à título ilustrativo, descreverá duas realizações.

[020] A presente invenção utiliza um ejetor (10) que é um equipamento para succionar ou pressurizar fluidos, como pode ser visto na Figura 1 , o ejetor (10) sendo constituído por um bocal convergente (02) { "nozzle") que apresenta uma entrada de motivação (22) e um estreitamento (16) em sua saída, provido ainda de uma entrada de sucção (54) perpendicular, ditos bocal convergente (02) e entrada de sucção (54) sendo ambos interligados a uma garganta (04) onde ocorre a mistura do gás succionado (08) e o fluido de motivação (48) e a referida garganta (04) sendo continuada por um difusor (06), que é responsável pela pressurização da mistura do gás (08) e do fluido de motivação (48) e, portanto, condicionando o fluido de descarga (12) à pressão requerida. O fluido pressurizado (48), a determinadas Pm e Q _m (pressão e vazão de motivação), é admitido na entrada de motivação (22) do ejetor (10) e ao passar pelo bocal convergente (02) a sua energia potencial é convertida em energia cinética, devido ao estreitamento (16) de área imposto pelo bocal (02), de forma que logo após o bocal (02) é gerado uma zona de baixa pressão (56). A baixa pressão gerada provoca um diferencial de pressão entre a entrada de sucção (54) e a garganta (04), admitindo fluido a certa P _s e Q _s (pressão e vazão de sucção) pela entrada de sucção (54).

[021] As vazões de motivação e sucção são somadas na garganta (04) do ejetor (10), o que condiciona aumento de velocidade da mistura dos fluidos. À jusante da garganta (04), um difusor (06) é responsável por converter velocidade, novamente, em pressão, e assim a pressão na descarga (58) do ejetor (10) pode ser dimensionada de forma a intermediária a pressão de motivação e pressão de sucção.

[022] A invenção descrita a seguir abrange duas realizações utilizando-se um ejetor (10), de forma a prover gás separado recirculando pelo espaço anular (20) {"air gap").

[023] A primeira realização do sistema para injetar gás nos espaços anulares de máquinas rotativas (30), representado pelo esquemático na Figura 2, compreende um ejetor (10) que utiliza como fluido de motivação (48) o fluido da linha de descarga (36) da bomba (32), dito ejetor (10) sendo conectado à linha de descarga (36) através do tubo (44). A realização do sistema (30) compreende também uma bomba (32) que apresenta em sua constituição uma unidade de extração de gás (24) responsável por extrair do fluido da linha de processo (34), o gás (08) a ser utilizado pelo ejetor (10). A realização do sistema (30) apresenta também um motor (18) que é constituído por um estator (26) e um rotor (28), onde este rotor (28) está acoplado ao eixo da bomba (32), e onde o rotor (28) circundado pelo estator (26) forma um espaço anular (20) {"air gap"). [024] O gás (08), proveniente da unidade de extração de gás (24) da bomba (32), é succionado, pelo ejetor (10), via entrada de sucção (54), o ejetor (10) e a unidade de extração de gás (24) estão conectados através do tubo (46). A mistura do gás (08) e do fluido de motivação (48) ocorre na garganta (04) do ejetor (10) e depois é pressurizada pelo difusor (06) e injetada no espaço anular (20) entre o rotor (28) e estator (26) por um tubo (38).

[025] O fluido de descarga (12) do ejetor (10) contém altíssimo GVF {"gas volume fraction"), esta característica condiciona o gás, juntamente com algum fluído remanescente, a ser majoritariamente circulado pelo espaço anular ("a/r gap") (20) através de um tubo (38), e dessa forma, obtém-se fluido de baixíssima viscosidade no espaço anular ("a/r gap") (20), o que implica em perdas mínimas por arraste, o qual as superfícies rotativas e estáticas estariam submetidas.

[026] Após o fluido de descarga circular pelo espaço anular (20), o mesmo é injetado na linha de processo (34) através de um tubo (42) à montante da bomba (32). Esta configuração poderá ser utilizada em sistemas que requerem que um fluido seja circulado com pressão elevada pelo espaço anular ("a/r gap") (20), e da mesma forma que certa quantidade de liquido possa ser admitido e drenado do espaço anular {"air gap") (20).

[027] A segunda realização do sistema para injetar gás nos espaços anulares de máquinas rotativas (40), representado pelo esquemático na Figura 3, compreende um ejetor (10) que utiliza como fluido de motivação (48) o fluido da linha de descarga (36) da bomba (32), dito ejetor (10) sendo conectado à linha de descarga (36) através do tubo (44). A realização do sistema (40) compreende também uma bomba (32) que apresenta em sua constituição uma unidade de extração de gás (24) responsável por extrair do fluido da linha de processo (34), o gás (08). A realização do sistema (40) apresenta também um motor (18) que é constituído por um estator (26) e um rotor (28), onde este rotor (28) está conectado ao eixo da bomba (32), e onde o rotor (28) circundado pelo estator (26) forma um espaço anular (20) {"air gap").

[028] O referido gás (08), da unidade de extração de gás (24), é succionado pelo ejetor (10), via entrada de sucção (54), para circular no espaço anular (20) antes de ser pressurizado pelo ejetor (10). A unidade de extração de gás (24) está conectada ao espaço anular (20) do motor (18) através do tubo (50), e o espaço anular (20) do motor (18) está conectado à entrada de sucção (54) do ejetor (10) através do tubo (52). O ejetor (10) é responsável por misturar o gás (08) proveniente do espaço anular (20) com o fluido de motivação (48), a referida mistura ocorre na garganta (04) do ejetor (10) e depois é pressurizada pelo difusor (06) e injetada na linha de processo (34) através do tubo (38) que conecta a descarga (58) do ejetor (10) a referida linha de processo (34) à montante da bomba (32).

[029] Nessa realização (40) o gás (08) não circula com altíssimo GVF, porém quando o espaço anular (20) succiona o gás (08) da unidade de extração de gás (24), um fluido de baixa viscosidade circula no espaço anular. Portanto, esta configuração poderá ser utilizada em sistemas quando a pressão operacional no espaço anular ("a/r gap") (20) é aproximadamente igual à pressão de sucção da bomba (32).

[030] Os efeitos e vantagens relacionados às realizações são:

- o aumento da eficiência do motor (18);

- a diminuição das perdas devido ao arrasto;

- o fato de dispensar um sistema de fluido de barreira, tipicamente utilizado para garantir a integridade e funcionamento do sistema motor- hidráulica;

- diminuir o custo operacional do sistema de bombeamento/compressor submarino; - simplificar a interface entre o motor (18) e a unidade de superfície com a redução das linhas de fluido de barreira;

- diminuir o espaço requerido na plataforma para adotar sistemas de bombeamento submarino;

- utilizar um equipamento compacto, sem partes móveis, capaz de mobilizar fluido de baixa viscosidade à baixa pressão, e condicioná-lo a recirculação;

- utilizar um fluido de processo, separado, pressurizado por um equipamento ou dispositivo submarino de forma a promover a recirculação deste gás pelo espaço anular {"air gap") (20) entre o estator (26) e rotor (28); e

- utilizar um gás separador para circulação no espaço anular ("a/r gap") (20), a partir de um separador à montante do equipamento rotativo ou integrado ao equipamento rotativo.