BRPI0919251B1 - aparelhos para o bombeamento de fluido de poço e método de bombeamento de um fluido subterrâneo a partir de um furo de poço - Google Patents

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Abstract

aparelhos para o bombeamento de fluido de poço e método de bombeamento de um fluido subterrâneo a partir de um furo de poço uma bomba rotativa que tem mancais de escora inclui um sistema para a equalização do carregamento sobre os mancais de escora. os mancais de escora são suportados, cada um, em pistões que estão em comunicação de fluido com um circuito hidráulico. o circuito hidráulico tem substancialmente a mesma pressão por todo ele, desse modo flutuando cada pistão à mesma pressão para a provisão de uma força de suporte igual a cada mancal de escora através de cada pistão.

Description

APARELHOS PARA O BOMBEAMENTO DE FLUIDO DE POÇO E MÉTODO DE BOMBEAMENTO DE UM FLUIDO SUBTERRÂNEO A PARTIR DE UM FURO DE POÇO
Campo da Invenção
A presente exposição se refere em geral a bombas de poço submersíveis elétricas, e, em particular, a um sistema e um método para a distribuição igualmente de forças aplicadas a mancais de escora em uma bomba centrífuga.
Antecedentes da Invenção
As bombas submersíveis elétricas (ESP) são normalmente instaladas na extremidade de fundo de uma tubulação de produção com junta em um furo de poço revestido e acionadas por um cabo de energia tipicamente afixado ao exterior da tubulação de produção. Nesta configuração, um espaço anular é formado entre a tubulação e o revestimento de furo de poço, e os fluidos produzidos são bombeados na tubulação de produção até a superfície.
As bombas ESP tipicamente têm um número grande de estágios, cada estágio tendo um difusor estacionário e um propulsor rotativo. Os propulsores rotativos exercem um empuxo para baixo, conforme o fluido é movido para cima. A força para baixo geralmente é suportada por um mancal de escora montado radialmente no eixo da bomba. Restrições de tamanho em um poço de produção limitam o diâmetro de mancal de escora e, assim, sua capacidade de suporte de carga. Para se evitar uma sobrecarga do mancal em algumas bombas, mancais de escora adicionais têm sido adicionados em localizações diferentes ao longo do comprimento do eixo. Tentativas para a distribuição da carga igualmente para os mancais incluem o uso de molas e ligações. Contudo, estas
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2/11 tentativas não foram capazes de proverem uma distribuição de carregamento igual.
Sumário da Invenção
É mostrado aqui um aparelho para a manipulação do empuxo axial imposto por uma bomba rotativa em um eixo motor. O aparelho inclui um alojamento, um eixo motor para acionamento de uma bomba rotativa que se estende para o alojamento, e conjuntos de pistão no alojamento. Cada conjunto de pistão tem um arranjo de pistão e de cilindro no alojamento. Um fluido está no cilindro e os cilindros estão em comunicação de fluido com cada outro. Mancais de escora também são incluídos, que são acoplados ao eixo motor. Cada mancal de escora é suportado em um conjunto de pistão, onde cada mancal recebe e transfere o empuxo através do fluido no cilindro para o alojamento. A força exercida sobre cada mancal de escora é equalizada por uma pressão comunicada através do fluido. O aparelho ainda pode incluir um circuito hidráulico para manipulação do fluido e direcionamento dele para os conjuntos de pistão. Um pleno pode ser formado no alojamento como parte do circuito hidráulico.
Também é descrito aqui um aparelho alternativo para bombeamento de fluido de poço. O aparelho inclui uma bomba rotativa, um eixo motor adaptado para ser acionado por uma fonte de potência e localizado em um alojamento para acionamento da bomba. Também são incluídos conjuntos de pistão no alojamento, os conjuntos de pistão podem incluir um pistão em um cilindro, e onde o cilindro tem um fluido no interior. Um circuito hidráulico provê uma comunicação de fluido entre os cilindros, de modo que cada cilindro
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3/11 esteja substancialmente à mesma pressão. Esta modalidade pode incluir um pleno na parede de alojamento com portas entre o pleno e os cilindros. Os mancais de escora são incluídos no alojamento acoplado ao eixo motor. Um conjunto de pistão é montado em cada mancal de escora para o recebimento do empuxo e a transferência do empuxo através do fluido no cilindro para o alojamento. Cada mancal de escora pode incluir uma corrediça de escora conectada ao eixo motor. As corrediças de escora rodam com o eixo motor em uma base de mancal de escora de combinação, a base de mancal de escora não rodando em relação ao alojamento. Cada pistão está em encaixe cooperativo com as bases de mancal de escora.
Breve Descrição dos Desenhos
A Figura 1 é uma vista em corte parcial lateral de um exemplo de um sistema de bombeamento submersível elétrico em um furo de poço revestido.
A Figura 2 é uma vista em corte lateral de um sistema para a distribuição de força entre os mancais de escora de bomba.
Descrição Detalhada da Invenção
A presente invenção será descrita, agora, mais plenamente a partir deste ponto, com referência aos desenhos associados, nos quais as modalidades da invenção são mostradas. Esta invenção pode ser concretizada, contudo, de muitas formas diferentes e não deve ser construída como limitada às modalidades ilustradas estabelecidas aqui; contudo, estas modalidades são providas de modo que esta exposição seja abrangente e completa, e levará plenamente o escopo da invenção àqueles versados na
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4/11 técnica. Números iguais se referem a elementos iguais por toda ela. Por conveniência na referência às figuras associadas, termos direcionais são usados para referência e ilustração apenas. Por exemplo, os termos direcionais, tais como superior, inferior, acima, abaixo e similares estão sendo usados para a ilustração de uma localização relacional.
É para ser entendido que a invenção não está limitada aos detalhes exatos de construção, operação, materiais exatos ou modalidades mostradas e descritas, já que modificações e equivalentes serão evidentes para alguém versado na técnica. Nos desenhos e no relatório descritivo, foram mostradas modalidades ilustrativas da invenção e, embora termos específicos sejam empregados, eles são usados em um sentido genérico e descritivo apenas e não para fins de limitação. Assim sendo, a invenção é para ser limitada, portanto, apenas pelo escopo das reivindicações em apenso.
Com referência, agora, à FIG. 1, um exemplo de um sistema de bombeamento submersível elétrico (ESP) 20 é mostrado em uma vista em corte parcial lateral. O ESP 20 é disposto em um furo de poço 5 que é revestido com um revestimento 7. Na modalidade mostrada, o ESP 20 compreende um motor 22, uma seção de selo 24 afixada na extremidade superior do motor 22, e uma bomba 30 acima do selo 24. As entradas de fluido 26 mostradas no alojamento externo da bomba 30 provêem uma entrada para um fluido de furo de poço 9 no furo de poço 5 entrar na seção de bomba 30. Um separador de gás (não mostrado) poderia ser montado entre a seção de selo 24 e a seção de bomba 30.
Em uma operação de exemplo, o motor de bomba 22 é
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5/11 energizado através de um cabo de energia (não mostrado) e roda um conjunto de eixo afixado 34 (mostrado em um contorno tracejado). Embora o eixo 34 seja ilustrado como um membro único, deve ser destacado que o eixo 34 pode compreender múltiplos segmentos de eixo. O conjunto de eixo 34 se estende a partir do motor 22 através da seção de selo 24 até a seção de bomba 30. Propulsores 36 (também mostrados em um contorno pontilhado) na seção de bomba 30 são acoplados à extremidade superior de conjunto de eixo 34 que roda em resposta a uma rotação do eixo 34. Os propulsores 36 compreendem uma pilha vertical de membros individuais interespaçados de forma alternada entre difusores estáticos (não mostrados) . O fluido de furo de poço 9, o qual pode incluir um hidrocarboneto líquido, um hidrocarboneto gasoso e/ou água, entra no furo de poço 5 através de perfurações 8 formadas através do revestimento
7. O fluido de furo de poço 9 é aspirado para a bomba 30 a partir das entradas 26 e pressurizado conforme os propulsores rotativos 36 forçam o fluido de furo de poço 9 através de um labirinto helicoidal para cima através da bomba 30. O fluido pressurizado é dirigido para a superfície através da tubulação de produção 32 afixada à extremidade superior da bomba 30.
Conforme discutido acima, a operação dos propulsores 36 produz uma força para baixo resultante sobre o eixo 34 que é realizada pelos mancais de escora no ESP 20. Um empuxo para cima como esse também pode ocorrer durante uma partida da bomba. A FIG. 2 ilustra uma modalidade de conjunto de mancal de escora 40 em uma vista em corte lateral que tem os mancais de escora em tandem 50, 76
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6/11 configurados para suportarem cargas axiais exercidas pelo eixo 34. Um alojamento tubular 42 envolve o conjunto de mancal de escora 40 ali. Embora dois mancais de escora 50, 76 sejam mostrados na FIG. 2, o sistema e o método descrito aqui incluem modalidades tendo mais de dois mancais de escora. Mais ainda, o conjunto de mancal de escora 40 pode ser provido em qualquer ponto no eixo 34 entre o motor 22 e os propulsores 36. Por exemplo, o conjunto de mancal de escora 40 poderia estar localizado na seção de selo 24 ou no motor 22. Uma câmara 25 é mostrada (em um contorno tracejado) incluída na seção de selo 24 para a equalização das pressões interna e externa do sistema de ESP 20. A superfície externa de câmara 25 é contatada pelo fluido de furo de poço 9 e um fluido dielétrico contra a superfície interna da câmara 25 se comunica com o motor 22. A câmara 25 comunica a pressão de fluido 9 para o interior do sistema 20 através do fluido dielétrico, sem permitir um vazamento do fluido 9 para o fluido dielétrico.
Uma das vantagens apresentadas aqui é a carga axial para baixo do eixo 34 referida aqui e ilustrada como a força F, que é distribuída de forma substancialmente igual para cada mancal de escora. Conforme citado acima, a força F, a qual é largamente transferida ao longo do eixo geométrico de 34 Ax, inicia-se a partir da ação dos propulsores 36 sobre o fluido sendo bombeado. A força axial F é transferida a partir do eixo 34 através de corrediças espaçadas de escora conformadas anulares 44, 75. As corrediças de escora 44, 75 são mostradas acopladas à circunferência externa de eixo motor 34 com chavetas alongadas 48, 74 que afixam radialmente as corrediças 44,
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7/11 ao eixo 34. Recessos correspondentes nas corrediças de escora 44, 75 e no eixo 34 são formados para o recebimento de chavetas 48, 74 ali. As corrediças de escora 44, 75 se estendem para fora a partir do eixo 34 e terminam próximas da circunferência interna de alojamento 42, sem um selo contra ele. Forças axiais para baixo no eixo 34 são transferidas para as corrediças de escora 44, 75 através de anéis de encaixe 46, 72 mostrados se encaixando no eixo 34 em uma ranhura adjacente à superfície superior de corrediças de escora 44, 75.
Cada um dos mancais de escora 50, 7 6 inclui uma base
51, 77 que circunscreve o eixo 34 abaixo das respectivas corrediças de escora 44, 75. A base 51, 77 pode compreender um calço formado a partir de um material compósito para suportar uma ação de rotação das corrediças de escora 44,
75. Neste exemplo, cada base de mancal de escora 51, 77 tem um diâmetro externo menor do que o diâmetro externo de corrediça de escora 44, 75. Os mancais de escora 50, 76 ainda incluem um colar anular 52, 78 suportando as bases de mancal de escora 51, 77, o colar 52, 78 tendo uma extremidade superior com um diâmetro interno maior do que o diâmetro interno das bases de mancal de escora 50, 76, no exemplo mostrado. O colar 52, 78 tem um diâmetro externo menor do que o diâmetro externo dos mancais de escora 50,
76. O diâmetro interno do colar 52, 78 inclui uma transição de diâmetro interno reduzido em um ponto ao longo de seu eixo geométrico; o diâmetro interno de colar 52, 78 é constante abaixo da transição. O diâmetro externo do colar
52, 78 é constante ao longo do comprimento axial inteiro.
Cada colar 52, 78 é mostrado suportado em respectivos
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8/11 conjuntos de pistão 53, 79, cada conjunto de pistão 53, 79 compreendendo um pistão 54, 80. Cada pistão 54, 80 compreende uma base de pistão tipo de anel 56, 82 em sua extremidade superior e um eixo de pistão 58, 84 se estendendo para baixo a partir da seção média da base de pistão 56, 82. Cada largura de base de pistão 56, 82 excede à respectiva largura de eixo de pistão 58, 84, desse modo se proporcionando a cada pistão 54, 80 uma seção transversal em formato de T. Cada eixo de pistão 58, 84, conforme mostrado, é um membro cilíndrico. O colar 52, 78 pode ser acoplado em sua extremidade inferior a cada base 56, 82, tal com por um rabo de andorinha (não mostrado). Os eixos de pistão 58, 84 são mostrados inseridos em cilindros anulares conformados correspondentemente 64, 90 formados em respectivos alojamentos de cilindro 60, 86. Os alojamentos de cilindro 60, 86 compreendem uma seção interna 61, 89 e uma parede externa 62, 88. Cada seção interna 61, 89 circunscreve o eixo 34 ao longo de um comprimento axial e tem um flange em sua extremidade inferior que se estende radialmente para fora a partir do eixo 34, desse modo proporcionando às seções internas 61, 89 uma seção transversal em formato de L. Na modalidade mostrada, as paredes externas 62, 88 são membros em formato de anel tendo uma extremidade inferior acoplada de forma selante com a borda externa do flange das seções internas 61, 89. Cada parede externa 62, 88 tem uma superfície externa em cooperação de vedação com a circunferência interna de alojamento 42. As passagens 63, 91 se estendem lar através de cada parede externa 62, 88 localizada adjacente às extremidades inferiores dos cilindros 64, 90 e em
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9/11 comunicação de fluido com os cilindros 64, 90.
Os alojamentos de cilindro 60, 86 são suportados, cada um, em anéis de suporte 66, 92, que são mantidos no alojamento 42 no topo de anéis de encaixe com pressão 68, 94. As circunferências externas de anéis de suporte 66, 92 combinam largamente com a superfície interna de alojamento 42, e cada anel de pressão 68, 94 tem um diâmetro externo que se estende para uma ranhura formada na circunferência interna de alojamento 42.
Um pleno 43 é mostrado formado na parede de alojamento 42 que se estende axialmente a partir de acima do conjunto de pistão superior 53 até abaixo do conjunto de pistão inferior 79. O curso angular de pleno 43, conforme ilustrado, é menor do que 360°, mas existem modalidades em que o curso angular de pleno 43 se estende até 360°. Ranhuras circulares 45, 75 são providas na parede de alojamento 42 que atravessa circunferencialmente a circunferência interna de alojamento 42 que se alinham com as passagens 63, 91. O alinhamento das passagens 63, 91 com as ranhuras 45, 75 provê uma comunicação de fluido entre os cilindros 64, 90 e o pleno 43. O pleno 43 preferencialmente contém um fluido incompressível que pode ser introduzido em uma conexão (não mostrada) que conecta a superfície externa do alojamento 42 e ao pleno 43. O fluido pode estar à pressão ambiente ou ser pressurizado. A introdução de um fluido, tal como um fluido hidráulico ou dielétrico, nos cilindros 64, 90 e no pleno 43 desse modo forma um circuito hidráulico, onde a pressão de circuito hidráulico é substancialmente consistente por todo ele.
Em operação, a força F sobre o eixo 34 força ambas as
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10/11 corrediças de escora 44, 75 para baixo contra os mancais de escora 50, 76. A força F então se transmite através do colar 52, 82 e do pistão 54, 80 para um fluido na cavidade 64, 90. Ambas as cavidades 64, 90 estão em comunicação de fluido e de pressão uma com a outra através do pleno 43, desse modo tendo uma pressão substancialmente igual. A pressão substancialmente igual em cada cavidade 64, 90 resulta em uma força para cima substancialmente igual de forma correspondente em cada pistão 54, 80. Cada pistão 54, 80 tem uma força reativa substancialmente igual, desse modo equalizando a força experimentada em cada mancal de escora 50, 76. A força equalizada reduz um carregamento desigual em qualquer mancal 50, 76, para melhorar a vida do mancal. Um aumento na força para baixo empurra ambas as corrediças de escora 44, 75 para baixo ao longo do eixo 34. Isto, por sua vez, força o fluido para cima para o pleno 43 e para o interior da seção de selo 24 e comprime ligeiramente a câmara 23.
A presente invenção descrita até agora é bem adaptada, portanto, para a realização dos objetivos e a obtenção das finalidades e vantagens mencionadas, bem como outras inerentes aqui. Embora uma modalidade presentemente preferida da invenção tenha sido proporcionada para fins de exposição, existem numerosas mudanças nos detalhes e nos procedimentos para a realização dos resultados desejados. Estas e outras modificações similares prontamente se sugerirão para aqueles versados na técnica, e pretende-se que estejam englobadas no espírito da presente invenção mostrada aqui e no escopo das reivindicações em apenso. Embora a invenção tenha sido mostrada em apenas uma de suas
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11/11 formas, deve ser evidente para aqueles versados na técnica que ela não está limitada desta forma, mas é suscetível a várias mudanças, sem que se desvie do escopo da invenção. Por exemplo, o dispositivo descrito aqui é empregável em 5 uma bomba rotativa montada na superfície, em outras bombas rotativas além das centrífugas, bem como em bombas de cavidade progressiva.

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES
1. Aparelho para bombeamento de fluido de poço, caracterizado pelo fato de compreender:
um conjunto de bomba rotativa submersível tendo um eixo motor rotativo acionado por um motor;
um alojamento que faz parte do conjunto de bomba, o
eixo motor se estendendo para o alojamento; primeira e segunda câmaras anulares que são fixadas no alojamento em locais estratégicos ao longo de um eixo do eixo motor; primeiro e segundo pistões anulares que se estendem de
forma selante nas primeira e segunda câmaras, respectivamente, e um fluido disposto em cada uma das câmaras;
uma passagem de comunicação que comunica o fluido na primeira câmara com o fluido na segunda câmara;
primeira e segunda corrediças de escora montadas ao eixo de modo axial e rotativo; e primeira e segunda bases de mancal de escora anulares dentro do alojamento e estando encaixadas de forma rotativa pela primeira e segunda corrediças de escora, respectivamente, a primeira e a segunda bases de mancal de escora sendo movidas axialmente com o primeiro e o segundo pistões, respectivamente, em que a escora é imposta para baixo pela bomba sobre o eixo, através das primeira e segunda corrediças de escora, transfere à primeira e segunda bases de mancal de escora e através do fluido nas primeira e segunda câmaras ao alojamento.
2/6 estende através de uma parede do alojamento em comunicação de fluido com cada das câmaras.
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de comunicação se
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3/6 radialmente espaçada do eixo motor, estando a parede interna concentricamente localizada dentro da parede externa e definindo uma das câmaras entre as paredes interna e externa para receber um dos pistões.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o conjunto de bomba rotativo submersível ainda compreender:
uma seção de selo (24) localizada entre a bomba e o motor e contendo uma câmara (25) para equalizar a pressão do lubrificante no interior do motor com a pressão do fluido de poço sobre um exterior do motor; e em que o alojamento compreende um componente da seção de selo (24).
4/6 cilindros;
pistões anulares superiores e inferiores, cada um tendo uma porção inferior se estendendo de forma selante para uma extremidade superior de uma das câmaras e um fluido disposto em cada uma das câmaras;
um pleno formado dentro de uma parede lateral do alojamento e portas fornecidas na parede lateral do alojamento e no cilindro externo de cada um dos conjuntos de cilindros entre o pleno e as câmaras;
corrediças de escora superior e inferior acopladas axial e rotativamente ao eixo motor; e bases de mancal de escora superior e inferior dentro do alojamento e estando encaixadas de forma rotativa pelas corrediças de escora superior e inferior, respectivamente, estando as bases se encaixando de forma cooperativa com os pistões para movimento axial com os pistões; e em que as corrediças axiais transferem a escora imposta para baixo no eixo motor pela bomba às bases de mancal de escora, que transferem a escora para baixo através dos pistões e o fluido nas câmaras para o alojamento.
10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de cada dos pistões compreende uma porção superior tendo uma largura radial maior que a largura radial de sua respectiva câmara, de modo a limitar o movimento para baixo da porção inferior do pistão na câmara; e em que
a porção superior de cada um dos pistões está em encaixe de forma cooperativa com uma das bases de mancal de escora. 11 . Aparelho, de acordo com a reivindicação 9,
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4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de comunicação ainda compreender um pleno formado no interior de uma parede do alojamento, e portas fornecidas em uma parede entre o pleno e as câmaras.
5/6 caracterizado pelo fato de o fluido ser incompressível.
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender um colar anular disposto entre cada base de mancal de escora e o pistão correspondente, em que cada dos colares transfere escora para baixo de uma das bases de mancal de escora para um dos pistões.
13. Método de bombeamento de um fluido subterrâneo a partir de um furo de poço, o método caracterizado pelo fato de compreender:
a provisão de um sistema de bombeamento no furo de poço em uma tubulação de produção, o sistema tendo um motor, uma bomba rotativa com propulsores, um eixo motor acoplado entre os propulsores e o motor, e um sistema de mancal de escora anular posicionado dentro de um alojamento, o sistema de mancal de escora tendo corrediça de escora anulares cada corrediça de escora encaixada axial e rotativamente com o motor eixo e em encaixe de rotação com uma base de mancal de escora anular, cada das bases de mancal de escora estando em encaixe cooperativo com um pistão anular, cada dos pistões se estendendo de forma selante em uma câmara fixada ao alojamento e sendo axialmente móvel relativo ao alojamento e as câmaras, e câmaras estando conectadas uma as outras por um circuito hidráulico tendo fluido substancialmente na mesma pressão em todo o circuito;
ativar o motor, desse modo se rodando o eixo motor e os propulsores acoplados, o que cria uma escora para baixo no eixo motor; e transferir a escora para baixo no eixo motor para as
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5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o fluido em cada das câmaras estar sob uma pressão carregada selecionada quando não existe nenhuma escora axial.
6/6 corrediças de escora, que, por sua vez, transferem a escora para baixo através das bases de mancal de escora para os pistões, os pistões transferindo a escora para baixo através do fluido dentro de cada uma das câmaras para o 5 alojamento.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de ainda compreender a provisão de uma comunicação de pressão entre o fluido no circuito hidráulico e as condições ambientes.
6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender colares anulares disposto entre e em contato com uma das bases de mancal de escora e um dos pistões, cada dos colares sendo axialmente móvel em uníssono com o pistão correspondente.
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada das câmaras compreender:
uma parede externa cilíndrica em encaixe com um diâmetro interno do alojamento; e uma parede interna cilíndrica que circunscreve e
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8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada pistão compreender um membro cilíndrico tendo extremidades superior e inferior abertas, o eixo motor se estendendo através das primeira e segunda extremidades abertas de cada um dos pistões; e em que a extremidade superior está em encaixe cooperativo com uma das bases de mancal de escora e a extremidade inferior se estende de forma selante em uma das câmaras.
9. Aparelho para o bombeamento de fluido de poço, caracterizado pelo fato de compreender:
uma bomba rotativa;
um eixo motor adaptado para ser acionado por uma fonte de potência e se estendendo através de um alojamento entre o motor e a bomba, o eixo motor se encaixando de forma cooperativa na bomba para acionamento da bomba;
um conjunto de cilindro superior e um conjunto de cilindro inferior dispostos ao longo de um eixo do eixo motor dentro do alojamento;
cada um dos conjuntos de cilindros compreendendo um cilindro externo em contato com um diâmetro interno do alojamento e um cilindro interno localizado concentricamente dentro do cilindro externo;
uma placa que se estende entre as extremidades inferiores dos cilindros interno e externo de cada dos conjuntos de cilindros, definindo uma câmara entre os cilindros interno e externo de cada um dos conjuntos de
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10 15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o fluido no circuito hidráulico e as câmaras serem substancialmente incompressível.
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