BRPI0800511A2 - sistema gerador de vapor de fundo de poço para recuperação de petróleo - Google Patents

Abstract

SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POçO PARA RECUPERAçãO DE PETRóLEO. Refere-se a presente invenção a um processo de geração de vapor, no fundo do poço, com retorno dos gases da combustão para a superfície em contra fluxo com a água que irá transformar-se em vapor num processo termodinâmico de transferência de calor. Esse vapor será injetado na formação portadora de hidrocarbonetos (2). A água será conduzida até o fundo do poço através de anular (11) formado por duas colunas concêntricas (6) e (13) e os gases da combustão retornam, desde a câmara de combustão (12), para a superfície através da coluna (13) mais interna. O combustível e o comburente são conduzidos, individualmente, até o bico misturador (26) da câmara de combustão (12) através de duas colunas (14) e (15), que descem pelo anular entre as colunas concêntricas (6) e (13). O processo de ignição será feito através de um ignidor/sensor de temperatura (21) que será levado até a câmara de combustão (12) na extremidade de um cabo elétrico (25). A grande vantagem sobre os processos convencionais de injeção de vapor com o objetivo de recuperação de petróleo, é a economia de energia. Outra vantagem é a redução da energia para injeção do vapor que, nos processos convencionais é injetado como um fluido de baixíssimo peso específico desde a superfície até o fundo do poço (baixa pressão hidrostática), enquanto no processo proposto, é injetada água (fluido de elevado peso especifico em comparação com o vapor) que só irá se transformar em vapor mais próximo do fundo do poço. Onde elevadas vazões de vapor são necessárias, poços especialmente projetados serão perfurados conforme FIGURA 2 com revestimento composto (1) e (44) para receberem as colunas (6), (13), (14) e (15) e a câmara (12) com a geometria necessária. A utilização de um orifício ajustável (38) conforme FIGURA 1, permitirá um controle do perfil de temperatura, dentro do poço permitindo uma otimização do processo termodinâmico, o mesmo acontecendo com a utilização de um orifício (34) na extremidade da coluna (6) que irá evitar uma evaporação prematura da água nos poços que recebem com baixa pressão.

Description

"SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO"

Refere-se a presente invenção a um processo de geração devapor, no fundo do poço, com retorno dos gases da combustão para asuperfície em contra fluxo com a água que irá transformar-se em vapornum processo termodinâmico de troca de calor. Esse vapor será injetadona formação portadora de hidrocarbonetos (2).

A água será conduzida até o fundo do poço através de anular(11) formado por duas colunas concêntricas (6) e (13) e os gases dacombustão retornam, desde a câmara de combustão (12), para asuperfície através da coluna mais interna (13).

O combustível e o comburente são conduzidos,individualmente, até a câmara de combustão (12) através de duascolunas (14) e (15), que descem pelo anular (11) entre as colunasconcêntricas.

O processo de ignição será feito através de um ignidor/sensor detemperatura (21) que será levado até a câmara de combustão (12) naextremidade de um cabo elétrico (25).

A grande vantagem sobre os processos convencionais deinjeção de vapor com o objetivo de recuperação de petróleo, é aeconomia de energia.

Dentre os métodos térmicos para recuperação de petróleos dealta viscosidade, a injeção de vapor, de forma continua ou cíclica, é omais difundido.

O método utilizado mais freqüentemente é aquele que o vapor éproduzido, na superfície, num gerador de vapor e conduzido até o poçoou poços injetores e através destes até a formação portadora dehidrocarbonetos (2). A perda de energia durante o percurso do vapordesde o gerador até o poço e, no poço, desde a superfície até aformação portadora de hidrocarbonetos (2) é grande. O gerador de vaporde fundo de poço visa maximizar o aproveitamento da energia térmicaresultante da combustão.A distância entre o sítio onde estão instalados os geradores devapor e o poço injetor, mais o percurso desde a cabeça do poço até aformação portadora de hidrocarbonetos (2), faz com que a injeção devapor seja transformada, em alguns casos, em injeção de água quente.

Esse gerador de vapor colocado no fundo do poço possibilitaráaproveitar, praticamente, toda a energia térmica gerada pela combustão.

Nesse processo, o poço é transformado em um trocador decalor em que o calor gerado dentro da câmara de combustão (12) nofundo do poço é transferido para a água e por esta carreado para aformação portadora de hidrocarbonetos (2).

Algumas tentativas para minimizar a perda de energia doprocesso que se caracterizam por injetarem na formação portadora dehidrocarbonetos (2), junto com o vapor, os gases de combustão forampropostas. No entanto, devido às dificuldades e riscos operacionais oseu uso não foi disseminado.

Para atender as condições do processo proposto, foidesenvolvido o esquema para equipar os poços representados pelaFIGURA 1.

A invenção poderá ser melhor compreendida através dadescrição detalhada do processo em consonância com a FIGURA 1:

Na FIGURA 1, o revestimento (1) mais interno é o tubo de açoque reveste o poço desde a superfície ate a formação portadora dehidrocarbonetos (2) que será submetida à injeção de vapor e tem seuinterior em contato com esta formação (2) através de furos(canhoneados) (3). Os outros revestimentos mais externos e mais curtosnão foram representados por não serem relevantes ao processo queestamos descrevendo. Na superfície, no topo do revestimento (1), estaconectada a cabeça de revestimento (4) em alguns casos chamada decabeça de produção e que tem a função básica de servir de ponto deapoio para ancorar, manter suspensos, os equipamentos a seremdescidos no poço. Esses componentes descritos até agora fazem partedo esquema básico de um poço perfurado nos campos de petróleo comas mais diversas finalidades.

Para compor a configuração necessária aos objetivos doprocesso, dentro do revestimento (1) é descida uma coluna (6) com umobturador térmico (5), conhecido na indústria do petróleo como "packertérmico". Imediatamente abaixo do obturador térmico (5) é descido umnipple (33) para assentamento de tampão provisório para realização deteste de estanqueidade da coluna (6). Logo acima do obturador térmico(5), são instaladas juntas de expansão térmica (19) que têm a função deabsorver as variações de comprimento da coluna externa (6) decorrentede variações de temperatura. A redução (7) compatibiliza a extremidadeda coluna externa (6) com as juntas de expansão térmica (19). OObturador Térmico (5) tem a finalidade de promover o isolamento entre acâmara (8) e o anular (9) entre a coluna externa (6) e o revestimento (1).

A coluna externa (6) fica suspensa na cabeça de revestimento (4)através do suspensor de coluna (10) que também promove a vedação doanular (9) formado pelo revestimento do poço (1) e a coluna externa (6)no nível da cabeça de revestimento (4), isolando-o do contato com osfluidos do anular (11).

Dentro da coluna externa (6), na extremidade da coluna interna(13) é descida a câmara de combustão (12). A coluna interna (13) é oduto por onde retornarão para a superfície os gases da combustão queocorre, durante o processo, na câmara de combustão (12) e estásuspensa através do suspensor de coluna (16) que por sua vez estáapoiada sobre o suspensor de coluna (10). O acesso ao interior da coluna interna (13) é controlado pelas válvulas (22) e (36). A coluna (14)é o duto por onde é conduzido o combustível ate o bico misturador (26)da câmara de combustão (12). A coluna (15) é o duto por onde éconduzido o comburente até o bico misturador (26) da câmara decombustão (12). As colunas (13), (14) e (15) estão conectadas no fundodo poço à câmara de combustão (12) e na superfície estão suspensaspelo suspensor de coluna (16). O suspensor de coluna (16) é alojado noadaptador especial (17) e junto com este promovem o isolamento(vedação) do anular (11) formada pelas colunas externa (6) e interna(13), do ambiente. Sobre esse adaptador especial (17) é colocado oprotetor (28), cuja única função é proteger o flange superior desseadaptador especial (17) das intempéries. A válvula (18) é a que permite oacesso ao anular (11) e através da qual é injetada a água tratada que irase transformar em vapor no seu percurso ate a formação portadora dehidrocarbonetos (2). A válvula (20) permite o acesso ao anular (9)formado pelo revestimento do poço (1) e a coluna externa (6). Esteanular (9) durante a operação do sistema estará com nitrogênio ou vapore, em ambos os casos, na pressão atmosférica. Nessas condições esteanular (9) funcionará como isolante térmico, minimizando as perdas decalor.

Nesse processo, o inicio da combustão será feito através doignidor/sensor de temperatura (21) descido a cabo, que após a igniçãoserá retirado do poço.

Os parafusos prisioneiros (27) são os elementos fixadores dossuspensores de coluna (10) e (16) nas suas respectivas sedes.

As luvas conectoras (29) que fazem a conexão dos tubos dacoluna (13) são ao mesmo tempo elementos centralizadores dessacoluna (13) e guias das colunas (14) e (15).

A seguir, faremos a descrição do processo de geração de vapordentro do poço representado pela FIGURA 1.

O primeiro passo é abrir a válvula (20) para comunicar o anular(9) com a atmosfera. Esse anular, com gases na pressão atmosférica,tem a função de promover o isolamento térmico, minimizando a troca decalor do vapor gerado ao longo do seu percurso até o fundo do poço coma rocha que envolve o poço representado pela FIGURA 1.

O segundo passo é iniciar a injeção de água tratada através daválvula (18) para o anular (11) e por esse anular (11) até o fundo do poçoonde através dos canhoneados (3) é injetada na formação portadora dehidrocarbonetos (2).

O terceiro passo é iniciar a injeção de ar através da válvula (24)para a coluna (15) e através dessa até o bico misturador (26) da câmarade combustão (12) onde, misturado com gás ou óleo vaporizado, será ocomburente do processo de combustão.

O quarto passo será descer o ignidor/sensor de temperatura(21) com o cabo elétrico (25) até a câmara de combustão (12).

O quinto passo é iniciar a injeção de gás ou óleo através daválvula (23) para a coluna (14) e através dessa até o bico misturador (26)da câmara de combustão (12) onde, misturado com oxigênio do ar, seráo combustível do processo de combustão. O ignidor/sensor detemperatura (21) iniciará e indicará o início do processo de combustão.

Depois de iniciada a combustão, as vazões de comburente, combustívele água serão ajustadas e o controle do processo será realizado pelaanálise dos gases coletados na válvula (39) na superfície e pelo perfil datemperatura dos gases desde a superfície até profundidadespredeterminados na coluna (13). Estabilizada a combustão, a água queestá sendo injetada através do anular (11) num processo de troca decalor será aquecida e transformada no vapor que transportará a energiada combustão para a formação portadora de hidrocarbonetos (2).

O sexto passo é transformar o anular (9) em isolante térmicopermitindo que, com o processo em andamento, os fluidos existentes noanular (9), se água seja evaporada até atingir o equilíbrio termodinâmicoespecífico para as condições de temperatura e pressão atmosférica, senitrogênio expandir até atingir esse equilíbrio. Em ambos os casos,estarão rarefeitos e o anular (9) funcionará como isolante térmico.

Atingido esse equilíbrio, a temperatura do anular (9) será elevadapropositadamente, reduzindo-se a vazão da água e aguardando que osfluidos do anular (9) atinjam o novo equilíbrio termodinâmico. Atingidoesse novo equilíbrio, a vazão de água é aumentada para a vazão normalprevista no projeto. Com isso, a temperatura no anular (9) cairá e aválvula de retenção (30), instalada na entrada da válvula (20) irá garantirque a pressão no anular (9) será menor do que a pressão atmosférica,conferindo ao anular (9) boas características de isolamento térmico(vácuo parcial). Essa válvula de retenção (30) também impedirá que, emcaso de paradas do processo com conseqüente resfriamento do anular(9) o ar atmosférico elimine a rarefação desse anular (9), garantindoisolamento térmico desde o reinicio do processo.

Compressores serão responsáveis pelo suprimento de ar e gásdo processo e uma bomba de pistão, dimensionada em função dapressão e vazão necessárias para o poço, injetará a água tratada queserá transformada em vapor no seu percurso até o fundo do poço.

Em alguns casos, a pressão de injeção é muito baixa e avaporização da água irá ocorrer a baixas temperaturas prejudicando atroca de calor e o transporte de energia pela água para dentro doreservatório (2). Neste caso, a instalação de um orifício (34) naextremidade da coluna (6) ira manter a pressão dentro da mesmaacrescida da perda de carga calculada para ser obtida com a vazãoesperada passando por aquele orifício (34). Com isso, cada unidade demassa de água irá transportar mais energia e a vaporização ocorreráabaixo do orifício (34) e praticamente dentro da formação (2).

Para evitar corrosão na coluna (13) pela qual são escoados osgases que retornam da combustão, a temperatura deve ser mantidaelevada reduzindo-se a vazão da água injetada. Para evitar que aenergia transportada por esses gases se perca, um trocador de calor(40) é instalado para promover o aquecimento prévio da água que seráinjetada no poço. Nesse trocador de calor (40), os gases aquecidos quesaem do poço através da válvula (22) e do orifício ajustável (38)aquecem a água fria que vai ser injetada no poço e são lançados naatmosfera através da válvula (43). Essa água passa pelo trocador decalor (40) entrando pela válvula (41), saindo pelo duto (42) do trocadorde calor (40) e entrando no poço pela válvula (18). As válvulas (22) e(36) permitem as operações de ignição e outras operações que foremnecessárias com arames ou cabos.

Para otimizar o processo, mudar o perfil de temperatura dentroda coluna (13) e adequar esse perfil à melhor troca de calor possível,permitindo incremento no transporte de energia, foi desenvolvido einstalado no retorno dos gases na extremidade da coluna (13) umsistema de orifício regulável (38) que induzindo uma perda de cargaaumenta a pressão dentro da coluna (13) com conseqüente elevação datroca de calor permitindo inclusive um controle do perfil de temperaturadentro do poço.

Em alguns campos, as vazões necessária de vapor sãoelevadas e a instalação do processo proposto, para o caso de poçosexistentes, não possibilita uma geometria que permita os fluxos de gás,ar e água e trocas de calor necessárias. Para atender essasnecessidades, novos poços com geometria variável conforme a FIGURA2 poderão ser perfurados baseados em projetos de perfuração quepermitam a decida de colunas (6), (13), (14) e (15) e de uma câmara decombustão (12) com diâmetros e geometria adequados. Para melhorcompreensão, como proposta básica, podemos identificar na FIGURA 2o poço com revestimento composto dos revestimentos (1) e (44), sendoa parte superior (1) de maior diâmetro projetado para atender asnecessidades de descida de colunas (6), (13), (14) e (15) e câmara decombustão (12) de maiores diâmetros e a parte inferior (44), abaixo dacâmara de combustão (12), de menor diâmetro com o objetivo deotimização de custos.

Claims (10)

1.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por tornar o poço,que normalmente seria simplesmente o poço injetor do vapor produzido porum gerador externo na superfície, no próprio gerador de vapor conforme oesquema da FIGURA 1.

2.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por sua câmarade combustão (12) localizada no fundo do poço conforme a FIGURA 1.

3.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por um sistemade combustão onde o combustível e o comburente são levados até o bicomisturador (26) dentro da câmara de combustão (12) onde ocorrerá aqueima e pelo retorno dos gases de combustão desde a câmara decombustão (12) para superfície através da coluna (13).

4.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado pela geração devapor a partir de um processo de troca de calor em que a água descedesde a superfície pelo anular (11) passando externamente pela câmarade combustão (12), em contra fluxo com os gases de combustão quesobem através da coluna interna (13) para superfície desde a câmara decombustão (12), e é injetada (já na forma de vapor) na formação portadorade hidrocarbonetos (2).

5.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado pelo fato que osdutos que conduzem o ar, combustível e gases da combustão,representados respectivamente pelas colunas (15), (14) e (13), estãoimersos na água e com uma pressão interna inferior a pressão do anular(11). Esse fato é importante sob o aspecto de segurança operacional umavez que, em caso de vazamentos, a água invadiria os dutos representadospelas colunas (13), (14) e (15), inundando a câmara de combustão (12)levando a uma interrupção do processo.

6.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por possuir umanular (9) entre a coluna externa (6) e o revestimento (1) que durante aoperação ficará com nitrogênio ou vapor rarefeito e aberto para aatmosfera com o objetivo de funcionar como isolante térmico durante oprocesso, conforme o relatório descritivo.

7.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por permitir quequando forem necessárias altas vazões de vapor, poços com geometriaadequada às necessidades sejam perfurados para permitir a descida decâmaras de combustão (12) com os diâmetros e comprimentos adequados,não ficando limitado a poços já existentes. A FIGURA 2 representa essaconfiguração.

8.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por permitir acolocação de orifício (34) indutor de perda de carga na extremidade dacoluna externa (6) condutora de água, dimensionado para que, dentrodessa coluna (6) e acima do orifício (34), a pressão seja elevada demaneira que a água não evapore permitindo um maior transporte deenergia por massa de água para dentro do reservatório (2). A pressão nacabeça do poço e a perda de carga no orifício (34) irão manter a pressãoalta o suficiente para evitar a vaporização da água. A vaporização só iraocorrer depois do orifício (34), praticamente dentro do reservatório (2).

9.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por utilizar umtrocador de calor (40) para aproveitar a energia dos gases que retornam nasuperfície, para fazer um aquecimento prévio da água que será injetada nopoço para geração de vapor.

10.) "SISTEMA GERADOR DE VAPOR DE FUNDO DE POÇOPARA RECUPERAÇÃO DE PETRÓLEO", caracterizado por possuir umsistema de orifício regulável (38) instalado na coluna (13) que transporta osgases da combustão para superfície e que induzindo uma perda de cargaaumenta a pressão dentro da coluna (13) com conseqüente elevação datemperatura dentro da mesma, aumentando a troca térmica e permitindoinclusive um controle do perfil de temperatura dentro do poço.