SUBMERSO

CAMPO DA INVENÇÃO

[001]. A presente patente de inovação tecnológica refere-se ao desenvolvimento de um sistema de comunicação de dados via rede elétrica de um motor de indução trifásico, utilizado no método de elevação artificial do tipo Bombeio Centrífugo Submerso (BCS), composto por dois módulos: o módulo de subsuperfície - para transmissão dos sinais - e o módulo de superfície - para aquisição dos sinais. O sistema será responsável pela aquisição dos dados de pressão e de temperatura de admissão da bomba, temperatura interna do motor, pressão de descarga, sinal de vibração e sinal de contaminação do óleo isolante. A aquisição destas informações tem como objetivo principal possibilitar uma análise preditiva, mais ampla e confiável do conjunto BCS, para tomada de decisão de manutenção e operação. Este objetivo será alcançado a partir da ampliação da capacidade de transmissão de dados; do aumento da frequência de aquisição dos dados; do aumento da confiabilidade da comunicação e da integração dos dados, em tempo real, com o sistema corporativo de supervisão de poços existente.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002]. O método de elevação artificial BCS caracteriza-se pela utilização de uma bomba centrífuga de múltiplos estágios, acionada por um motor elétrico, para elevar fluidos até a superfície. Nesse método, a energia elétrica é transmitida ao motor, situado na extremidade da coluna de produção, através de um cabo elétrico preso ao longo da coluna de produção. Esta energia elétrica é transformada em energia mecânica, através de um motor de indução trifásico, e transmitida à bomba centrífuga, que por meio de diferencial de pressão será responsável pela elevação do fluido até a superfície.

[003]. Esses motores são projetados para operarem submersos em fluidos de produção em condições severas de pressão e temperatura. Os mesmos utilizam internamente um óleo mineral isolante, com a finalidade de manter a lubrificação dos mancais, o isolamento elétrico e a refrigeração do motor, como também evitar a corrosão dos componentes por contaminação pelo fluido de produção. O bom funcionamento, desempenho e integridade dos sistemas de elevação artificial por BCS estão condicionados ao monitoramento eficaz das variáveis disponibilizadas pelo sistema de comunicação proposto.

[004]. O PLC (Sistema de Comunicação de linha de Força - Power Line Communication) compreende uma tecnologia que utiliza a rede elétrica como meio físico de transmissão de dados. O princípio desta tecnologia foi concebido na década de 1930, e aplicado em transmissão remota para sistema de telégrafo. Contudo, nunca foi considerado um meio confiável de transmissão devido à baixa velocidade, baixa funcionalidade e alto custo de desenvolvimento. Mais recentemente, com o avanço da tecnologia, nota-se um grande crescimento na utilização das tecnologias PLC para transmissão de dados, devido ao surgimento de técnicas mais eficazes que garantem maior robustez e confiabilidade à transmissão. A tecnologia PLC transforma uma rede de distribuição de energia elétrica em uma rede de comunicação, pela superposição de um sinal de informação de baixa potência ao sinal elétrico alternado de alta potência.

[005]. Os aspectos técnicos dos sistemas PLC envolvem o circuito de acoplamento, o meio de transmissão (a linha física propriamente dita), o esquema de modulação a ser utilizado, o protocolo de comunicação e a sua correspondente implementação. A tecnologia PLC apresenta uma grande vantagem com relação a outras tecnologias para transmissão de dados: a existência e utilização de infraestrutura básica para a comunicação.

[006]. Em algumas aplicações de monitoramento online de motores elétricos, a fiação física é necessária entre os sensores instalados na extremidade do motor. No entanto, os custos de cabeamento adicional instalado em um ambiente industrial são elevados. Além disso, algumas aplicações não permitem cabeamento adicional e nem permitem técnicas de comunicação wireless, devido estarem localizadas em ambientes hostis e com restrições operacionais, por exemplo, motores elétricos utilizados na elevação artificial de petróleo por BCS.

[007]. Não existe, até o presente o momento, um sistema de comunicação de dados via rede elétrica para um motor de indução trifásico utilizado no método de elevação artificial por BCS, capaz de transmitir dados coletados de sensores de contaminação instalados no fundo do poço. Os sensores de contaminação têm a função de detectar e informar sobre a presença de contaminantes eletrólitos no óleo isolante do motor.

PROBLEMAS DO ESTADO DA TÉCNICA

[008]. Em 2010, foi inventado um sensor magnético de contaminação do óleo isolante dos motores utilizados no método BCS, com pedido de registro de patente de invenção sob o n° PI 0903604-0 e título: "Sistema de monitoramento para detecção de contaminação do óleo isolante do motor elétrico de BCS". Porém, esta invenção ficou limitada ao desenvolvimento exclusivo dos módulos sensor e transmissor de contaminação.

[009]. Os módulos atualmente disponíveis no mercado não possuem um sensor de contaminação instalado na subsuperfície. Desta forma, o problema do estado da técnica reside no fato de que não existe uma forma de comunicação ou um sistema de alarme, que repasse à superfície a condição de contaminação eletrolítica do óleo isolante monitorada através do sensor de contaminação já patenteado.

[0010]. Com o advento da presente invenção, será possível executar a manutenção preditiva com análise da variável contaminação do óleo isolante sobre os motores utilizados nos poços equipados com o método de elevação artificial do tipo BCS. Esse procedimento será de grande importância para a indústria do petróleo, uma vez que os custos de operação e manutenção tendem a uma redução significativa ao aplicar uma manutenção preditiva ao invés de uma preventiva ou corretiva.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011]. Tendo em vista os problemas apresentados, a presente invenção foi desenvolvida com o objetivo de prover um sistema de comunicação via rede elétrica, aplicado a motores de indução com isolamento a óleo, com o propósito de transmitir para a superfície o sinal de contaminação do óleo, monitorado pelo sensor de contaminação. Por conseguinte, esta invenção juntamente com o sensor de contaminação já com patente requerida permitirá a predição do tempo antecedente à contaminação do motor, possibilitando a antecipação da programação da sonda para intervenção no poço.

[0012]. A comunicação será de modo simplex (sentido único). O transmissor estará localizado na base do motor elétrico e se comunicará pela rede elétrica com o receptor, o qual também está conectado à rede elétrica. O receptor, por sua vez, estará na superfície, acessível para visualização das informações oriundas dos sensores de subsuperfície. O protocolo utilizado, responsável pela comunicação, injeta na rede pulsos de corrente de baixa frequência (2 Hz).

[0013]. O sistema de comunicação inventado possui dois módulos: o módulo de subsuperfície - transmissor do sinal - e o módulo de superfície - aquisição de sinal. [0014]. O primeiro módulo denominado "módulo de subsuperfície" é composto de um circuito de acoplamento elétrico e um circuito Transmissor PLC. Este módulo tem como objetivo obter informações oriundas de sensores analógicos, realizando a conversão analógica-digital e transmitindo os bits codificados através do protocolo utilizado. O circuito Transmissor é composto de um microcontrolador capaz de reunir os dados dos sensores, agrupá-los no formato do protocolo e executar o processo de transmissão bit-a-bit, através da injeção do trem de pulsos na rede de alimentação elétrica. Desta forma, os dados provenientes dos sensores são transmitidos para a superfície.

[0015]. O segundo módulo, denominado "módulo de superfície", é composto por: um circuito de acoplamento elétrico, uma fonte de alimentação elétrica e um circuito receptor PLC. Este módulo tem como principal objetivo decodificar os bits presentes na rede elétrica em forma de um sinal de baixa frequência.

[0016]. O circuito de acoplamento, comum aos dois módulos, tem como objetivo executar a superposição dos dados à onda senoidal da rede elétrica. É necessário que o acoplamento permita a passagem do sinal a ser transmitido para a rede de energia elétrica e, ao mesmo tempo, evite que o sinal da rede entre no circuito, pois isso pode afetar os módulos projetados. Tal circuito também possibilita um aumento na segurança operacional do sistema.

[0017]. A fonte de alimentação elétrica, presente no módulo de superfície, tem a finalidade de fornecer energia elétrica ao módulo de subsuperfície através da rede elétrica que alimenta o motor.

[0018]. A localização dos módulos é de fundamental importância para a presente invenção, uma vez que não serão alterados procedimentos de instalação do conjunto BCS no campo. O módulo de subsuperfície será montado na conexão flangeada da base do motor. O módulo de superfície será instalado em um painel na superfície permitindo uma supervisão das grandezas medidas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019]. As funcionalidades e vantagens da presente invenção podem ser mais bem compreendidas através da descrição detalhada a seguir, baseada nas figuras em anexo, nas quais:

[0020]. A figura 1 mostra uma representação esquemática da presente invenção.

[0021]. A figura 2 mostra uma vista esquemática dos principais componentes utilizados no método de elevação artificial BCS, onde serão configurados e instalados os elementos constituintes da presente invenção, sendo a configuração original mostrada na figura 2 (lado esquerdo) e a configuração proposta na figura 2 (lado direito).

[0022]. A figura 3 apresenta o esquema para entendimento do funcionamento do circuito Transmissor PLC.

[0023]. A figura 4 apresenta o esquema para entendimento do circuito Receptor PLC.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0024]. A figura 1 apresenta uma configuração elétrica caracterizando a presente invenção. Os sinais oriundos dos sensores (1.1 ) são processados através de um microcontrolador presente no circuito Transmissor PLC (1.2). O microcontrolador realiza a conversão analógica- digital de cada variável medida e transmite os bits codificados através de um trem de pulsos, seguindo as especificações do protocolo a ser aplicado. O motor (1.3) instalado no poço é alimentado através da rede de alimentação elétrica (1.4). O sinal do módulo de subsuperfície (1.8) é transferido através do mesmo sistema de alimentação do motor (1.5). Os acoplamentos (1.6) são instalados nos dois módulos, módulo de superfície (1.7) e módulo de subsuperfície (1.8), interligados através da rede de alimentação elétrica (1.4), o que possibilita a passagem do sinal transmitido para o sistema de alimentação do motor (1.5). Isto evita que o sinal da rede entre no circuito Receptor PLC (1.9). O processo de recepção de dados consiste na passagem do sinal pelo circuito de acoplamento elétrico para realizar a demodulação dos pulsos de corrente presentes na rede. Depois da demodulação, os sinais dos sensores são disponibilizados através de uma interface de operação (1.10), contendo um display instalado na superfície ou encaminhados para um sistema supervisório (1.11 ).

[0025]. A figura 2 apresenta alguns elementos de subsuperfície essenciais do método de elevação artificial BCS. O selo protetor (2.1 ) representa o atual e único meio de proteção de uma eventual contaminação do óleo isolante do motor (2.2). O sensor de fundo inventado (2.3) é instalado no flange da base do motor, ou seja, no fundo do poço, quando é desejado medir ou registrar valores de pressão, temperatura, vibração e contaminação. O sensor de fundo inventado (2.3) emite sinais para a superfície utilizando o mesmo cabo elétrico de alimentação do motor. O módulo de subsuperfície (1.8) está acoplado ao flange da base do motor (2.2).

[0028]. A figura 2 mostra do lado esquerdo o conjunto original BCS e do lado direito a modificação implementada no conjunto BCS, através da inserção do sensor de contaminação (2.4) entre o selo protetor (2.1 ) e o motor (2.2). O sensor de contaminação (2.4) acompanhará o motor como parte integrante do mesmo, não sendo necessário alterar os procedimentos de instalação e montagem do conjunto BCS.

[0027]. A figura 3 apresenta o esquema para o entendimento do circuito Transmissor PLC (1.2). Este circuito é composto de um microcontrolador capaz de capturar os dados dos sensores, agrupá-los no formato do protocolo definido e dar início ao processo de transmissão bit- a=bit. [0028]. O protocolo de comunicação utilizado é programado no firmware do microcontrolador presente no transmissor e receptor, o qual verifica a existência de uma transmissão em andamento. Caso negativo, realiza a conversão analógica-digital dos sensores e armazena os dados em sua própria memória. Nos próximos ciclos de envio, o microcontrolador envia os bits referentes aos campos do protocolo utilizados e os dados obtidos em sua memória.

[0029]. A figura 4 apresenta o esquema para o entendimento do circuito Receptor PLC. A recepção de dados consiste na passagem do sinal pelo circuito de acoplamento elétrico e na sua demodulação. Ao final da transmissão, o microcontrolador processa os dados e envia a informação para um display ou sistema supervisório.