Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "OBTURADO- ? RES DE PRODUÇÃO SUBMARINA DUPLOS PARA PRODUÇÃO DE PO- ÇO DE ALTA PRESSÃO". » Esta invenção reivindica prioridade para nosso Pedido de Paten- te Provisório com o Número de Série 60/849544, o qual foi depositado em 4 : de Outubro de 2006. Campo da Invenção A presente invenção refere-se a válvulas obturadoras para a pro- dução de poços de águas profundas, especialmente como refere-se a válvu- las obturadoras para a produção de poços de óleo e gás de alta pressão (HP). Antecedentes da Invenção ' As recentes descobertas de reservas de óleo e gás de alta pres- i são no Golfo do México e no Mar do Norte têm apresentado um desafio para = 15 o controle de produção submarina já que a pressão de poço inicialmente encontrada é muito alta mas posteriormente esperada cair significativamente ao longo do tempo.
Correntemente, o controle de pressão e de taxa de fluxo é execu- tado utilizando um único obturador de produção submarina montado em uma árvorede produção submarina.
No entanto, como a pressão em excesso nos poços de HP pode ser tão alta quanto 34500 a 41400 kPa (5000 a 6000 psi) através do obturador de produção, uma rápida deterioração ou até uma falha do obturador é provável devido às severas condições de operação no rema- te de obturador.
Uma válvula obturadora submarina exemplar está descrita na Patente U.S.
Número 4.589.493, a qual está aqui incorporada por refe- rência, e aperfeiçoamentos para aliviar pelo menos algumas das dificuldades associadas com as características de fluxo de produto próximo da posição desligada estão mostrados na Patente U.S.
Número 6.701.958. Como o flu- xo de produção contém além do gás e do óleo bruto também matéria particu- lada, uma operação a uma pressão relativamente alta frequentemente reduz severamente a vida útil de válvulas obturadoras devido ao desgaste mecâni- co.
A resistência ao desgaste pode ser aperfeiçoada pela utilização j de pilhas de discos nas quais múltiplos discos definem um percurso tortuoso tridimensional através do qual o fluido de alta pressão é roteado. Exemplos . para tais válvulas obturadoras estão descritos na Patente U.S. Número
4.938.450 e WO 2007/074342. Apesar de tais válvulas obturadoras aperfei- : çoarem significativamente a resistência ao desgaste e a cavitação, diversos problemas ainda permanecem. Entre outras coisas, grandes diferenciais de pressão são frequentemente difíceis de controlar com tais válvulas. Alterna- tivamente, o fluido de alta pressão pode ser alimentado através de uma série de luvas concêntricas que definem os percursos de fluxo pela inclusão de aberturas de luva, em que as luvas podem ser giradas umas em relação às outras para por meio disto estreitar ou alargar o percurso de fluxo. Exemplos : representativos de tais válvulas obturadoras estão descritos na Patente U.S. Número 5.018.703. Em outras configurações conhecidas, e em tentativas Es 15 adicionais de reduzir o desgaste e o efeito adverso da pressão, o fluxo pode ser direcionado em um modo radial e redirecionado por defletores como descrito na Patente U.S. Número 6.105.614. No entanto, como nas válvulas obturadoras anteriores, os grandes diferenciais de pressão são difíceis de controlar com tais dispositivos conhecidos. As diferenças de pressão em campos de óleo e gás de alta pres- são na produção inicial são frequentemente estimadas serem de aproxima- damente 41400 kPa (6000 psi) ou até mais altas, mas então esperadas di- minuir substancialmente ao longo do tempo. Tal gradiente de pressão previs- to é difícil de administrar em um modo seguro e econômico utilizando a tec- —nologia correntemente conhecida. Entre outras razões, os obturadores de produção correntes podem ter um coeficiente de fluxo Cv de 1 GPM*psi** quando o obturador está na ou próximo da posição fechada, o que corres- ponde a uma taxa de 450 mº (3000 BBLs) de produção líquida diária. No entanto, o poço requererá um Cv muito alto na produção posterior para compensar pela pressão de poço muito mais baixa. Portanto, a válvula obtu- radora ideal deve ter um baixo Cv no início de produção de poço e um alto Cv na produção de poço posterior para permitir um controle de produção
| 3 suficiente sem uma intervenção ou substituição de obturador dispendiosa. 1 Infelizmente, apesar de uma ampla faixa de válvulas de Cv serem sugeridas, uma ampla faixa de válvulas de Cv comercialmente e tecnicamente factíveis . não foi desenvolvida.
Para superar tais problemas com uma ampla faixa de Cvs, foi * proposto empregar um obturador superior em combinação com um obtura- dor submarino. Apesar da combinação de um obturador de produção subma- rino em combinação com um obturador superior provê vantajosamente um controle ampliado de Cv, numerosas novas dificuldades surgem. Por exem- plo, tais configurações requerem que linhas de fluxo de alta pressão abor- dem a embarcação de produção, o que apresenta um risco significativo du- rante uma falha de equipamento. Alternativamente, foi também proposto que . um segundo obturador poderia ser montado sobre o convés de produção ou i na base de tubo ascendente submarino. Apesar de tais configurações redu- o 15 zirem a severidade das condições de serviço nos obturadores, as linhas de fluxo submarinas devem então acomodar uma alta pressão, adicionando risco e custo de capital ao projeto. Ainda pior, em caso de falha de equipa- mento, perigos substanciais para a plataforma e o pessoal próximo ou sobre o convés de produção podem existir. Mais ainda, uma pressão elevada nas linhas de fluxo apresentará desafios adicionais para a garantia de fluxo devi- do ao risco mais alto de formação de hidratos e de obturação.
Múltiplas configurações de obturadores são conhecidas para as aplicações de fundo de poço nas quais cada um dos obturadores é separa- damente controlado e nas quais os obturadores estão dispostos em paralelo como descrito no Pedido de Patente U.S. Número 2007/0163774. Os siste- mas de controle para tais dispositivos de múltiplos obturadores de fundo de poço são tipicamente em um modo eletro-hidráulico como descrito na WO 99/47788. No entanto, os obturadores em tais configurações são predomi- nantemente utilizados para isolar as áreas dentro de um poço, por exemplo, para reduzir ou impedir a admissão de água em uma linha de produção. Consequentemente, tais obturadores operarão em um modo de liga / desliga e tipicamente não permitem um controle de fluxo.
Portanto, apesar de numerosas configurações e métodos de con- 1 trole de produção de poço serem conhecidas na técnica, todos ou quase todos estes apresentam uma ou mais desvantagens. Assim, ainda existe : uma necessidade de prover configurações e métodos aperfeiçoados de con- trolede poços de produção. * Sumário da Invenção A presente invenção está direcionada a configurações e a méto- dos de controle de produção para os poços submarinos, especialmente para os poços submarinos de alta pressão. Em aspectos preferidos, pelo menos dois obturadores de produção estão acoplados fluidamente e em série na cabeça de poço, em que pelo menos um dos obturadores de produção está acoplado na árvore de produção. Assim, as configurações contempladas | : vantajosamente permitem uma redução de pressão substancial sobre uma ' ampla faixa de pressão a uma ampla faixa de coeficientes de fluxo. O 15 Em um aspecto do assunto da invenção, um conjunto de produ- ção submarino inclui um primeiro obturador de produção que está acoplado fluidamente e em série com um segundo obturador de produção, em que o primeiro obturador de produção reduz a pressão de um fluxo de hidrocarbo- | netos de um poço submarino de uma pressão de poço para uma pressão reduzida, e em que o segundo obturador de produção reduz a pressão do fluxo de hidrocarbonetos da pressão reduzida para uma pressão de tubo ascendente. Mais de preferência, o primeiro e o segundo obturadores de produção estão fluidamente acoplados a uma cabeça de poço em uma posi- ção na ou a jusante da cabeça de poço e a montante de uma base de tubo ascendente.
Dependendo das especificações de produção particulares, o pri- meiro e o segundo obturadores de produção podem estar acoplados a uma árvore de produção, ou o primeiro obturador de produção está acoplado a uma árvore de produção, enquanto que o segundo obturador de produção está acoplado a um dispositivo de extremidade de tubulação submarina (por exemplo, PLEM, PLET), uma derivação de poço, ou uma derivação de linha de fluxo. Mais tipicamente, as configurações aqui contempladas são especi-
ficamente vantajosas onde a diferença entre a pressão de poço e a pressão ? de tubo ascendente é maior do que 31,05 MPa (4500 psi) ou 37,95 MPa (5500 psi), e até mais alta. Assim, deve ser apreciado que a diferença de . pressão entre as entradas do primeiro e do segundo obturadores de produ- 5 ção submarinos (e entre a entrada do segundo obturador de produção e o . « tubo ascendente) é menor do que 27,6 MPa (4000 psi), e mais tipicamente menor do que 17,25 MPa (2500 psi), e assim reduz significativamente o des- gaste dobre os obturadores de produção. Como uma vantagem adicional, deve ser reconhecido que as configurações contempladas proverão uma faixacombinada de Cv entre 1,2 e 0,05 GPM*psi*”, e mais tipicamente entre 1,0 € 0,1 GPM*psiº*.
Consequentemente, e em outro aspecto do assunto da invenção, NR um método para controlar um fluxo de produto de hidrocarbonetos em uma | localização submarina compreende uma etapa de acoplar fluidamente a uma O 15 cabeça de poço um primeiro e um segundo obturadores de produção em uma posição na ou a jusante da cabeça de poço e a montante de uma base de tubo ascendente, em que o primeiro obturador de produção está configu- rado para reduzir a pressão do fluxo de produto de hidrocarbonetos de um poço submarino de uma pressão de poço para uma pressão reduzida, e em queo segundo obturador de produção está configurado para reduzir a pres- são do fluxo de produto de hidrocarbonetos da pressão reduzida para uma pressão de tubo ascendente. Com relação a configurações e a vantagens específicas de tais métodos, as mesmas considerações como providas para o conjunto submarino acima aplicam-se.
Vários objetos, características, aspectos e vantagens da presente invenção ficarão mais aparentes da descrição detalhada seguinte de modali- dades preferidas da invenção.
Descrição Detalhada O inventor agora descobriu que um controle de poço de produção efetivo de poços de alta pressão (HP) pode ser conseguido em um modo relativamente simples e econômico no qual dois (ou mesmo mais) obturado- res de produção submarinos estão localizados próximos de uma cabeça de poço.
Deve ser notado que os obturadores de produção aqui contemplados | ú expressamente excluem os obturadores de fundo de poço.
Mais de prefe- rência, o primeiro e o segundo obturadores de produção submarinos são . operados em série de modo que a diferença de pressão entre a cabeça de poçoeotubo ascendente seja dividida através de pelo menos dois obtura- , dores.
Portanto, mesmo em poços de alta pressão com uma pressão de ca- beça de poço além de 34,5 MPa (5000 psi), o diferencial de pressão através | de cada uma das válvulas obturadoras é significativamente reduzido.
Consequentemente, deve ser apreciado que as condições de flu- xo para os remates de obturador em tais configurações são grandemente aperfeiçoadas, assim prolongando substancialmente a vida útil dos obtura- dores de produção.
Mais ainda, a pressão na linha de fluxo durante a opera- . ção é significativamente mais baixa quando comparada com as configura- ' ções que utilizam um obturador submarino e um obturador superior.
Assim, o SG 15 risco de que plugues de hidratos formem-se dentro das linhas de fluxo é | substancialmente reduzido.
Visto de uma diferente perspectiva, as configu- rações e os métodos contemplados permitem conjuntos de obturador de produção que têm uma faixa de coeficiente de fluxo extraordinariamente lar- ga, o que é especificamente desejável onde a pressão de poço é inicialmen- | 20 temuitoaltae então declina para níveis moderados e até baixos.
Estas e outras vantagens aperfeiçoarão a economia (por exem- plo, devido a uma reduzida intervenção na substituição de obturadores), o tempo de produção, e ainda reduzir o risco para o pessoal e o equipamento em caso de falha.
Deve ser especificamente notado que as configurações contempladas com dois obturadores submarinos em série não requererão uma tecnologia dedicada ou nova, mas podem empregar a tecnologia de obturadores corrente.
Mais ainda, a utilização de obturadores de produção submarinos sequenciais, especialmente onde operados na ou em proximi- dade da cabeça de poço facilitará a operação através de toda a vida de pro- dução inteirado poço submarino.
Portanto, em configurações especialmente preferidas, o conjunto de produção submarino incluirá um primeiro obturador de produção que está
| 7 z acoplado fluidamente e em série a um segundo obturador de produção.
Mais * tipicamente, o primeiro obturador de produção está configurado para reduzir a pressão do fluxo de hidrocarbonetos da ou aproximadamente da pressão . de poço para uma pressão reduzida, e o segundo obturador de produção - 5 está configurado para reduzir adicionalmente a pressão do fluxo de hidro- ? carbonetos da pressão reduzida para uma pressão de tubo ascendente.
Em aspectos especificamente preferidos adicionais, o primeiro e o segundo ob- turadores de produção estão fluidamente acoplados na cabeça de poço em uma posição na ou a jusante da cabeça de poço, mas a montante de uma base de tubo ascendente.
Como aqui utilizado, o termo "aproximadamente" em conjunto com um número refere-se a uma faixa daquele número que começa de 20% abaixo do absoluto do número até 20% acima do absoluto . do número, inclusive.
Por exemplo, o termo "aproximadamente 34,5 MPa : manoméricos (5000 psig)" refere-se a uma faixa de 27,6 MPa manoméricos oC 15 (4000 psig) a 41,4 MPa manoméricos (6000 psig). Apesar de ser geralmente contemplado que a posição do primei- ro e do segundo obturadores de produção pode variar consideravelmente, é preferido que os obturadores estejam montados em dispositivos que estão localizados no leito do mar.
Assim, e entre outras opções, é contemplado queo primeiro obturador está montado sobre a árvore de produção.
O se- gundo obturador pode então estar montado em série com o primeiro obtura- dor sobre a mesma árvore e a jusante do primeiro obturador para receber o fluxo que é reduzido em pressão.
Alternativamente, o segundo obturador - — pode também estar montado em uma posição a montante de um tubo as- —cendente,e mais de preferência a montante de uma base de tubo ascenden- te.
Portanto, as localizações adequadas do segundo obturador de produção incluem o coletor de produção, o gabarito / coletor de extremidade de linha de fluxo (FLEM). No entanto, as localizações ainda mais preferidas incluem a árvore, a derivação de poço, uma derivação de linha de fluxo, e/ou um dis- — positivo de extremidade de tubulação (por exemplo, uma terminação de ex- tremidade de tubulação (PLET) ou um coletor de extremidade de tubulação (PLEM)).
Com relação à escolha dos parâmetros do primeiro e do segundo ' obturadores de produção, deve ser apreciado que o conjunto específico de parâmetros geralmente dependerá da condição de poço específica.
No en- . tanto, é geralmente contemplado que o primeiro e o segundo obturadores de 2 5 produção são selecionados de modo que a diferença de pressão entre a ? pressão de cabeça de poço e a pressão de tubo ascendente é aproximada- mente igualmente dividida.
Por exemplo, em que a pressão de cabeça de poço é de aproximadamente 41,4 MPa (6000 psi) e a pressão de tubo as- cendente é de aproximadamente 6,9 MPa (1000 psi), é contemplado que o primeiro obturador de produção está configurado para reduzir a pressão de 41,4 MPa (6000 psi) para aproximadamente 24,5 MPa (3500 psi), e que o segundo obturador está configurado para reduzir a pressão de aproximada- , mente 24,5 MPa (3500 psi) para aproximadamente 6,9 MPa (1000 psi). No i entanto, deve ser apreciado que mais do que dois obturadores operando em : 15 série podem também ser implementados.
Também, é contemplado que a diferença de pressão não precisa ser dividida ao meio, e numerosas outras diferenças de pressão são também consideradas adequadas.
Por exemplo, utilizando o exemplo acima, é contemplado que o primeiro obturador de pro- dução está configurado para reduzir a pressão de 41,4 MPa (6000 psi) para aproximadamente 31,05 MPa (4500 psi), e que o segundo obturador está configurado para reduzir a pressão de aproximadamente 31,05 MPa (4500 psi) para aproximadamente 6,9 MPa (1000 psi). Tipicamente, a diferença entre a pressão de poço e a pressão de tubo ascendente é maior do que 20,7 MPa (3000 psi), mais tipicamente mai- —ordoque31,05 MPa (4500 psi), e mais tipicamente maior do que 37,95 MPa (5500 psi). Portanto, as diferenças de pressão contempladas entre as entra- das do primeiro e do segundo obturadores de produção submarinos são tipi- camente menores do que 27,60 MPa (4000 psi), e ainda mais tipicamente menores do que 17,25 MPa (2500 psi). Dependendo da configuração de pressão de poço, e de pressão de tubo ascendente do obturador específico, é geralmente preferido que o primeiro e o segundo obturadores sejam sele- cionados de modo que o coeficiente de fluxo da combinação de obturadores seja entre 1,5 e 0,01 GPM*psiº*, mais de preferência entre 1,2 e 0,05 º GPM*psi'º*, e mais de preferência entre 1,0 e 0,1 GPM*psi'º.
Em aspectos adicionalmente contemplados, um primeiro obtura- . dor de reserva pode ser implementado que está acoplado fluidamente e em 4 5 paralelo com o primeiro obturador de produção, e um segundo obturador de : reserva pode ser implementado que está acoplado fluidamente e em parale- lo com o segundo obturador de produção. Em tais configurações, um dos obturadores de produção pode ser operado enquanto que o outro pode ser substituído ou de outro modo atendido.
Deve ser especialmente reconhecido que todos os obturadores de produção submarinos conhecidos e comercialmente disponíveis são con- siderados adequados para utilização aqui, e a escolha específica de um ob- : turador dependerá predominantemente do volume de produção e da pres- : são. Portanto, os obturadores de produção adequados incluem aqueles nos . 15 quais pilhas de discos provêêm um percurso tortuoso para o produto, aque- les nos quais uma série de luvas concêntricas define os percursos de fluxo, | e especialmente aqueles projetados para exibir uma resistência ao desgaste | aperfeiçoada ao longo de períodos de operação prolongados. A operação | dos obturadores de produção é de preferência executada utilizando os mo- | 20 dos bem conhecidos na técnica, e portanto inclui uma atuação hidráulica, pneumática, e elétrica, todas as quais são de preferência controladas por um computador do lado superior ou outra plataforma de comando. Consequentemente, um método para controlar o fluxo de um produto de hidrocarbonetos em uma localização submarina compreende | 25 uma etapa de acoplar fluidamente a uma cabeça de poço um primeiro e um segundo obturadores de produção em uma posição na ou a jusante da ca- beça de poço e a montante de uma base de tubo ascendente, em que o pri- meiro obturador de produção está configurado para reduzir a pressão do fluxo de produto de hidrocarbonetos de um poço submarino de uma pressão de poço parauma pressão reduzida, 6 em que o segundo obturador de pro- dução está configurado para reduzir a pressão do fluxo de produto de hidro- | carbonetos da pressão reduzida para uma pressão de tubo ascendente.
Mais de preferência, o primeiro e o segundo obturadores de produção estão | º acoplados a uma árvores de produção, ou o segundo obturador de produção | está acoplado a um dispositivo selecionado do grupo que consiste em um + dispositivo de extremidade de tubulação submarina, uma derivação de poço, o. 5 ouuma derivação de linha de fluxo. Com relação a configurações e aspectos SS adicionais, as mesmas considerações como acima providas aplicam-se. Assim as modalidades específicas e as aplicações de produção de HP foram descritas. Deve ficar aparente, no entanto, para aqueles versa- ' dos na técnica que muitas mais modificações além daquelas já descritas são 10 possíveis sem afastar-se dos conceitos inventivos aqui. O assunto inventivo, portanto, não está restrito exceto no espírito da presente descrição. Mais ainda, na interpretação da especificação e das reivindicações contempladas, J todos os termos devem ser interpretados no modo mais amplo possível con- : sistentes com o contexto. Especificamente, os termos "compreende" e . 15 "compreendendo" devem interpretados como referindo a elementos, compo- nentes, ou etapas em um modo não-exclusivo, indicando que os elementos, os componentes, ou as etapas referidos podem ser presentes, ou utilizados, ou combinados com outros elementos, componentes, ou etapas que não expressamente referidos. Mais ainda, em que uma definição ou utilização de um termoem uma referência, a qual está aqui incorporada por referência é inconsistente ou contrário à definição daquele termo aqui provido, a defini- ção daquele termo aqui provido aplica-se e a definição daquele termo na referência não aplica-se.
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