BRPI0806146A2 - medição de esforço, tensão e fadiga de tubulação de poço - Google Patents

Abstract

MEDIçãO DE ESFORçO, TENSãO E FADIGA DE TUBULAçãO DE POçO. Descreve-se um sistema para monitorar tensão em um revestimento de poço incluindo um ou mais medidores que são fixados a uma superfície externa do revestimento de poço. Cada medidor inclui uma ou mais aberturas. Durante a operação, variações no formato e espaçamento das aberturas são monitoradas e utilizadas para determinar um nível de tensão no revestimento de poço.

Description

"MEDIÇÃO DE ESFORÇO, TENSÃO E FADIGA DE TUBULAÇÃO DE POÇO"

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

A presente invenção reivindica o beneficio dadata de depósito do pedido provisional norte-americanonúmero de série 60/944.895, depositado em 19/6/2007, cujadescrição é aqui incorporada a titulo de referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

Essa descrição refere-se, em geral, à medição detensão, esforço e fadiga de equipamento tubular de poços degás e petróleo e, particularmente, a condutos localizadosno interior de um alojamento de cabeça de poço.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma vista em corte de uma quartaparte de uma porção de um conjunto de cabeça de poçosuperficial de um poço offshore mostrada tendo um sistemade medição de acordo com uma modalidade exemplificativa.

A figura 2 é uma vista em elevação lateralesquemática de uma porção do suspensor de revestimento doconj unto de cabeça de poço da figura 1.

A figura 3 é uma vista ampliada ilustrando umcalibre de medição que é ligado ao suspensor derevestimento como ilustrado na figura 2.

A figura 4 é uma vista em corte esquemáticailustrando a inserção de uma leitora sob um ambiente de pressão controlada para ler um dos medidores da figura 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Nos desenhos e descrição que se seguem, partessimilares são marcadas em todo relatório descritivo edesenhos com os mesmos números de referência,,respectivamente. Os desenhos não são necessariamente emescala. Certas características da invenção podem sermostradas exageradas em escala ou em forma de um certo modoesquematico e alguns detalhes de elementos convencionaispodem não ser mostrados no interesse de clareza ebrevidade- A presente invenção é suscetível a modalidadesde formas diferentes. Modalidades especificas são descritasem detalhe e são mostradas nos desenhos, com o entendimentode que a presente descrição deve ser considerada umaexemplificação dos princípios da invenção, e não pretendelimitar a invenção àquela ilustrada e aqui descrita. Deveser plenamente reconhecido que os diferentes ensinamentosdas modalidades discutidas abaixo podem ser empregadosseparadamente ou em qualquer combinação apropriada paraproduzir resultados desejados- As várias característicasmencionadas acima, bem como outros aspectos ecaracterísticas descritas em mais detalhes abaixo, serãoprontamente evidentes para aqueles versados na técnica apósleitura da seguinte descrição detalhada das modalidades emediante referência aos desenhos em anexo.

Com referência à figura 1, um aloj amento 11 élocalizado na extremidade superior de um conduto submarino(ri ser) (não mostrado) que se estende para baixo até umconj unto de cabeça de poço submarino. 0 aloj amento 11 émontado de forma estacionaria em uma plataforma offshorenesse exemplo, e a plataforma tem pernas que se estendematé o fundo do mar. 0 conduto submarino e aloj amento 11 sãoestacionários em relação à plataforma e não sujeitos amovimentos de corrente e onda.

Outro componente do conjunto de cabeça de poçosuperficial inclui uma cabeça de revestimento 13 montada ncalojamento 11 por um conector 15. A cabeça de revestimento13 é um elemento tubular que tem um furo 17 se estendendoatravés do mesmo. A cabeça de revestimento 13 tem umapluralidade de ressaltos de carga 19 que, nesse exemplo,são retrateis. Cada ressalto de carga 19 é retraido por umconjunto cie parafuso 21 nessa modalidade. Enquanto naposição estendida mostrada na figura 1, os ressaltos decarga 19 se projetam para dentro do furo 17.Alternativamente, os ressaltos de carga 19 poderiamcompreender um único ressalto de carga fixo.

Um suspensor de revestimento 23 é sustentado emressaltos de carga 19. 0 suspensor de revestimento 23sustenta uma coluna de revestimento 2 5 que tem umaextremidade inferior que trava ou liga por extensão em umsuspensor de revestimento submarino no alojamento de cabeçade poço submarino no fundo do mar. 0 operador desejaaplicar tensão ao revestimento 25 a um nivel desejado emanter o revestimento 25 naquela quantidade de tensão. Aaplicação e manutenção de tensão podem ser lidadas deformadas diferentes. Por exemplo, um mecanismo dedeslocamento pode ser empregado. 0 mecanismo dedeslocamento permite que parte do suspensor de revestimentodesloque para cima em relação à cabeça de revestimento,porém não para baixo de modo a manter a tensão. Nessamodalidade, entretanto, o suspensor de revestimento 23 temum corpo externo 27 que se fixa em roscas externas 29 nosuspensor de revestimento 23. 0 suspensor de revestimento23 tem também um conj unto de roscas interiores 31 ou umperfil para fixar-se em uma ferramenta de assentamento (nãomostrado). Enquanto uma porção da ferramenta deassentamento puxa tensão sobre o suspensor de revestimento23 para fornecer a quantidade desej ada de tensão norevestimento 25, outra porção da ferramenta de assentamentogira o corpo externo 27 para baixo para contato com osressaltos de carga 19. Na figura 1, a extremidade superiordo corpo externo 27 é mostrada espaçada abaixo de umressalto voltado para baixo 32 na porção superior dosuspensor de revestimento 23. Enquanto sendo iniciado, aextremidade superior do corpo externo 27 estará em contatocom o ressalto voltado para baixo 32. Um anel de batente 33localizado na extremidade inferior das roscas 29 fornece umlimite sobre quão distante para baixo o corpo externo 27pode ser girado.

Além disso, nessa modalidade, um mecanismo podeser opcionalmente incluído para evitar qualquer movimentoascendente do suspensor de revestimento 23 em relação àcabeça de revestimento 13 após instalação. Esse mecanismoinclui um anel de travamento 35 que é um anel fendilhado oqual é expandido para fora para dentro de um perfil casado36 por intermédio de um anel de energizamento af ilado 37'.Após o corpo externo 27 ter sido girado para baixo paracontato com ressaltos de carga 19, a ferramenta deassentamento empurra o anel de energizamento 37 para baixopara mover o anel de travamento 35 para dentro do perfil 36.

Após o revestimento 25 ter sido tensionado e ocorpo externo 27 aj ustado, o operador removeria tipicamentea ferramenta de assentamento, a seguir instalaria umavedação 41. A vedação 41 está localizada na extremidadesuperior de um espaçador 39 que contata a extremidadesuperior do anel de energizamento 37. A vedação 41 pode serde vários tipos, quer de metal com metal ou elastomérica. Avedação 41 veda entre o diâmetro externo da porção superiordo suspensor de revestimento 23 e o furo da cabeça derevestimento 17.

Nesse exemplo, duas colunas de revestimentoadicionais 43 são mostradas se estendendo através dorevestimento 25. Cada coluna 43 pode ser tencionada esustentada similarmente em cabeças de revestimentolocalizadas acima da cabeça de revestimento 13. Também, unacoluna de tubo de produção 45 é mostrada se estendendoatravés da coluna de revestimento interno 43- A coluna detubo de produção 4 5 pode ser também tensionada e sustentadaem uma cabeça de tubulação do mesmo modo.

Ao instalar colunas de revestimento 25, 43 e tubode produção 4 5, seria vantaj oso ser capaz de conhecer atensão e a quantidade de tensão que existe após ajuste dossuspensores de revestimento ou suspensor de tubulação. Alémdisso, de tempos em tempos seria útil monitorar a tensãopara .determinar se a tensão inicial diminuiu, como poderiaocorrer se a plataforma assentar. Fadiga pode ocorrerdevido a ciclos de tensão, a partir de alterações térmicasou outros fatores. Embora a cabeça de revestimento 13 e osvários alojamentos para as colunas de revestimento 43 etubo de produção 4 5 sej am localizadas em uma plataformaacima- do mar, colunas de revestimento 25, 4 3 e tubo deprodução 4 5 são ocultadas nos aloj amentos e outroselementos tubulares. Conseqüentemente, não é possível medi::convencionalmente a tensão do mesmo modo como seria feitocom condutos acessíveis.

Nessa modalidade exemplificativa, uma pluralidadede medidores 47 é montada no suspensor de revestimento 23abaixo das roscas 2 9. Cada medidor 47 é de um tipo quefornecerá uma indicação de tensão sem exigir quaisquer fiosou bateria. Como mostrado esquematicamente na figura 3,cada medidor 47 é um filme delgado de um polimero que érevestido com um adesivo para ligação a um conduto demetal- Alternativamente, cada medidor 47 poderia sergravado a laser diretamente sobre o corpo de aço dosuspensor de revestimento 23. Cada medidor 47 tem uma.pluralidade de aberturas 4 6 que são usinadas a laser em umpadrão geométrico. Aberturas 4 6 são separadas uniformementeentre si em uma fileira e são preferivelmente de tamanhoidêntico. Nesse exemplo, aberturas 4 6 se estendemaxialmente ao longo de uma borda lateral do medidor 47 ehorizontalmente ao longo de outra borda lateral. Quando seaplica tensão, o medidor 47 estira levemente, mudando oespaçamento entre as aberturas 46. Essa mudança emespaçamento é detectável e prove uma indicação do esforçosendo aplicado e a tensão que ocorre.

Opcionalmente, cada medidor 4 7 pode ter uma ouduas fileiras de aberturas 4 8 que são separadas entre si emdiferentes proporções e têm larguras diferentes paradefinir um código de barras contendo informações. Nesseexemplo, aberturas 48 se estendem ao longo de outra bordalateral axial e outra borda horizontal a partir deaberturas 46. Opcionalmente, uma abertura central 50 podeser cortada no filme de medidor 47, porém isso não énecessário.

Uma leitora 51 lê opticamente aberturas 46, 48 domedidor 4 7 e fornece medição direta de tensão e outrasinformações. A leitora 51 tem uma lente, uma fonte de luzde anel e software de medição de tensão. A leitora 51 élocalizada dentro de um orifício de observação 49 que seestende através da parede lateral da cabeça de revestimento13. Preferivelmente, o orifício de observação 49 élocalizado em uma linha radial do eixo geométrico da cabeçade revestimento 13. Um flange 53 cavilha no exterior dacabeça de revestimento 13 em torno do orifício deobservação 4 7. Um condutor elétrico 57 se estende atravésde um conjunto de vedação 55 do flange 53 e se estende atéum processador e mostrador 59 que pode ser localizado emoutro nivel na plataforma, como no piso da sonda. 0processador 59 contém algoritmos que fornecerão uma leiturade tensão diretamente baseada na leitura óptica da leitora51. Medidores 47, leitora 51 e processador 5 9 sãocomercialmente disponíveis. Um fabricante é DirectManufacturing, Inc., Columbia, Carolina do Sul.

Como o operador não saberá antecipadamenteexatamente quanto estiramento existirá no revestimento 25após ser tensionado, preferivelmente uma pluralidade demedidores 47 é montada no suspensor de revestimento 23 eaxialmente separados entre si. A figura 2 mostra trêsfileiras de medidores 47 e os mesmos são axialmenteespaçados de modo que com a quantidade minima deestiramento esperada, a fileira superior será visivel àleitora 51. Com a quantidade máxima de estiramento esperadono revestimento 25, a fileira inferior de medidores 47seria legível pela leitora 51.

Além disso, tipicamente enquanto assenta orevestimento 25, o operador não orienta o suspensor derevestimento 23 para qualquer posição rotacional especificaem relação à cabeça de revestimento 13. Embora a orientaçãopossa ser feita, uma alternativa é montar um número demedidores 47 em fileiras horizontais que se estend6?mtotalmente em torno do suspensor de revestimento 23. Pelomenos um dos medidores 4 7 estará sempre alinhado com aleitora 51, independente da orientação do suspensor derevestimento 23. Além disso, mais do que um orifício deobservação 4 9 é preferivelmente empregado, com os orifíciosde observação sendo espaçados circunferencialmente em tornoda cabeça de revestimento 13. Os orifícios de observaçãoadicionais 49 permitem que um operador insira a leitora 51e faça leituras a partir de lados diferentes do suspensorde revestimento 23.

Na modalidade preferida, uma leitora 51 éposicionada na cabeça de revestimento 13 enquanto orevestimento 25 está sendo tensionado. 0 operador serádesse modo capaz de ler a tensão diretamente a partir dodisplay do processador 59 enquanto o procedimento detensionamento está ocorrendo. 0 operador saberá desse modoo nivel de tensão que existe no revestimento 25 após aferramenta de assentamento ter sido desconectada dosuspensor de revestimento 23 e o corpo externo 27aterrissado em ressaltos de carga 19. Posteriormente, ooperador pode remover a leitora 51 e utilizar a mesma paratensionar colunas de revestimento internas 4 3 e tubo deprodução 45, cada uma das quais conterá medidores 47fixados em seus suspensores em um modo similar.

Além disso, periodicamente o operador podeinserir a leitora 51 em um dos orifícios de observação 49para monitorar a tensão em anos subseqüentes. Essainformação permite que o operador determine a tensão efadiga. Se controle de pressão for necessário, isso podeser facilmente manipulado pelo uso de um conj unto delubrificante 61, mostrado esquematicamente na figura 4. 0operador insere a leitora 51 no orifício de observação 49em uma ferramenta de inserção 63. A ferramenta de inserção63 compreende uma haste tubular através da qual o condutor57 estenderá. O conj unto de lubrificante tem uma válvula65, em sua extremidade interna e uma cabeça de injeção 67em sua extremidade externa. 0 operador fecha a válvula 65 einsere a leitora 51 em uma câmara localizada entre aválvula 65 e a injeção 67. A cabeça de injeção 67 é ummecanismo de vedação convencional que emprega, tipicamente,uma bomba que bombeia graxa em torno de um elemento tubularpara formar uma vedação e simultaneamente permitir que oelemento tubular seja movido ao longo de seu eixogeométrico. Nesse pedido, a cabeça de injeção 67 é acionadapara manter uma vedação em torno da ferramenta de inserção63 enquanto a válvula 65 é aberta e a ferramenta deinserção 63 é empurrada para dentro para empurrar a leitora51 para proximidade estreita com um dos medidores 47. Apósfazer uma leitura, o operador inverte o procedimento pararemover a leitora 51.

Deve ser entendido que variações podem ser feitasno acima descrito sem se afastar do escopo da invenção.Embora modalidades especificas tenham sido mostradas edescritas, modificações podem ser feitas por uma pessoaversada na técnica sem se afastar do espirito ouensinamento da presente invenção. As modalidades comodescrito são somente exemplificativas e não sãolimitadoras. Muitas variações e modificações são possíveise estão compreendidas no escopo da invenção. Porconseguinte, o escopo de proteção não é limitado àsmodalidades descritas, porém é limitado somente pelasreivindicações que se seguem, cuj o escopo incluirá todos osequivalentes da matéria das reivindicações.

Claims (15)

1. Sistema para monitorar uma condiçãooperacional em um revestimento de poço, compreendendopelo menos um medidor adaptado para ser afixadoem uma superfície externa do revestimento de poço,uma cabeça de revestimento que define umapassagem para receber o revestimento de poço que definepelo "menos um orifício de observação radialmente orientado;pelo menos uma leitora óptica posicionada dentrode cada orifício de observação adaptado para visualizar omedidor; eum controlador acoplado operativamente àsleitoras ópticas adaptado para processar a visão do medidorpara determinar uma condição operacional do revestimento depoço.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, enque o sistema compreende uma pluralidade de medidores.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, emque uma pluralidade dos medidores é posicionada ao longo dasuperfície externa do revestimento de poço em uma direçãolongitudinal e circunferencial.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, emque a condição operacional compreende pelo menos um dentretensão, esforço e fadiga.

5. Método para monitorar uma condição operacionalem um revestimento de poço, compreendendo:afixar pelo menos um medidor em uma superfícieexterna do revestimento de poço;sustentar uma extremidade do revestimento de poçodentro de uma cabeça de revestimento que define pelo menosum orifício de observação orientado radialmente;posicionar uma ou mais leitoras ópticas dentro decada orifício de observação em relação oposta acrevestimento de poço;operar as leitoras ópticas para gerar vistas domedidor; edeterminar uma condição operacional do revestimento de poço utilizando a vista do medidor.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, emque uma pluralidade de medidores é afixada a uma superfícieexterna do revestimento de poço.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, emque uma pluralidade de medidores é afixada a uma superfícieexterna do revestimento de poço em uma direção longitudinale circunferencial-

8. Método, de acordo com a reivindicação 5, emque a condição operacional compreende pelo menos um dentretensão, esforço e fadiga.

9. Conjunto de suspensor de revestimento de poço,compreendendo:um suspensor de revestimento de poço; epelo menos um medidor acoplado a uma superfícieexterna do suspensor de revestimento de poço.

10. Conjunto, de acordo com a reivindicação 9, emque uma pluralidade de medidores é afixada à superfícieexterna do suspensor de revestimento de poço.

11. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10,em que uma pluralidade de medidores é afixada à superfícieexterna do suspensor de revestimento de poço e estendida çmuma pluralidade de direções.

12. Conjunto, de acordo com a reivindicação 9, emque uma pluralidade de medidores é afixada à superfície externa do suspensor de revestimento de poço e estende-seem uma pluralidade de direções.

13. Conjunto de cabeça de revestimento,compreendendo:uma cabeça de revestimento que define umapassagem para receber um revestimento de poço que definepelo menos um orificio de observação orientado radialmente;epelo menos uma leitora óptica posicionada dentrode cada orifício de observação adaptado para ver orevestimento de poço.

14. Conjunto de cabeça de revestimento, de acordocom a reivindicação 13, compreendendo adicionalmente:um processador acoplado operativãmente à leitoraóptica para processar a visão do revestimento de poço paradeterminar uma condição operacional do revestimento de poço.

15. Conjunto de cabeça de revestimento, de acordocom a reivindicação 14, em que a condição operacionalcompreende pelo menos um dentre tensão, esforço e fadiga.