BRPI0902281B1 - válvula de bocal para gas-lift - Google Patents

Abstract

VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT. É relatado na presente invenção a concepção de uma válvula de bocal (GL) para gas-lift de modo que esta válvula possa substituir as convencionais válvulas de orifício (VO). A válvula de bocal (GL) para gás lift da presente invenção apresenta um corpo (1) com orifícios de admissão (2), e, logo abaixo destes, um recesso (3) leve no diâmetro interno do corpo onde é adaptado um bocal (4) convergente para regulagem da vazão de gás que passa pelo interior da válvula de bocal (GL) em direção à saida (5) desta última.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra-se no campo das válvulas de injeção de gás em tubulações de produção em poços de petróleo subterrâneos que utilizam técnicas de elevação artificial por meio de “gas-lift”. Mais particularmente, a invenção se refere a bocais adaptados no interior de um corpo de válvula para controle do escoamento de gás em substituição às convencionais válvulas equipadas com placa de orifício.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Um sistema de extração e produção de petróleo pode variar de acordo com a formação geológica do reservatório e as características de seus fluidos. Após ser determinada a localização de um reservatório, poços são perfurados com a utilização de sondas, ou torres de perfuração.

Um poço atravessa várias formações rochosas e normalmente nele é inserida e cimentada uma tubulação de aço chamada de “revestimento” ou “casing”. Dentro do revestimento insere-se ao menos uma tubulação de menor diâmetro, chamada de coluna de produção ou “tubing”, por dentro da qual fluem os fluidos do(s) reservatório(s).

Se a pressão que se encontra acumulada no reservatório for grande o suficiente, o petróleo pode ser naturalmente expulso do reservatório através dos poços, bastando para isso que seja instalada uma tubulação que comunique este reservatório com o meio externo. Esses poços são conhecidos como "surgentes".

Pode ser, também, que a pressão no reservatório seja muito baixa, resultando numa produção com uma vazão aquém da desejada, ou mesmo nula. Neste caso é necessário que o poço sofra uma intervenção externa para que o petróleo do reservatório seja extraído. Esses poços são conhecidos como "produtores por elevação artificial". Essa intervenção compreende meios como a extração mecânica por meio de bombas dentro do poço ou o “gas-lift”, que é a injeção de gás no fundo do poço, suplementando o gás naturalmente presente na corrente de fluidos do reservatório.

Em uma configuração usual para este último método, gás natural à alta pressão é injetado em um espaço do poço, conhecido como espaço anular, que é formado entre o revestimento deste poço e a coluna de produção.

Em alguns pontos posicionados ao longo da coluna de produção, são instaladas válvulas, conhecidas como “válvulas de gas-lift”, que têm como função principal permitir de uma forma controlada o escoamento de gás injetado no espaço anular para o interior desta coluna de produção.

As válvulas são instaladas em acessórios da tubulação chamados de mandris. Há basicamente dois tipos de mandris: convencionais e de bolsa lateral (“side pocket mandrel”). Os mandris convencionais são aqueles para os quais a substituição da válvula após o poço equipado só pode ser feita acompanhada da remoção da coluna de produção. Já para os mandris de bolsa lateral a remoção da válvula pode ser feita através de uma operação por cabo de aço conhecida por “wireline” ou “operação com arame” sem necessidade de remoção da coluna de produção. Os mandris de bolsa lateral, portanto, apresentam uma vantagem considerável e, assim, são os mais usados. Há algumas pequenas diferenças construtivas entre as válvulas destinadas a um tipo de mandril ou outro, mas os elementos internos são basicamente os mesmos e para os versados na técnica basta a descrição de uma válvula para um tipo de mandril para que fique claro as necessárias adaptações para uso com o outro tipo de mandril.

Na verdade, nem todas estas válvulas são utilizadas em um caso de operação normal. Algumas delas só são abertas em casos de descarga do poço após uma intervenção com sonda, ou quando há necessidade eventual de uma retomada de produção por motivo de parada da produção do poço, seja esta acidental ou preventiva.

Normalmente, a injeção de gás do espaço anular para o interior da coluna de produção é feita por uma válvula de “gas-lift” apenas, em geral a que se encontra em localização mais profunda dentro do poço, conhecida como válvula operadora.

Embora a configuração com várias válvulas de descarga e uma operadora seja muito comum, há situações práticas em que apenas uma única válvula de “gas-lift” é colocada no poço sendo que essa válvula, então, cumpre tanto as funções de válvula operadora quanto as de válvula de descarga, quando requerido.

Ao entrar em contato com os fluidos do interior da coluna de produção o gás injetado se expande, promove uma redução da densidade aparente da mistura multifásica e permite que o escoamento dos fluidos provenientes do reservatório se realize em uma determinada vazão.

Além das válvulas de “gas-lift” dentro do poço, também é usual colocar-se algum tipo de válvula de controle fora do poço para regular a pressão de injeção do gás no anular. Muitas vezes, essa válvula é um simples “choke” de injeção de gás.

O gás pode ser injetado de maneira contínua, ininterrupta, o que é chamado de “gas-lift” contínuo. Ou pode ser injetado de maneira descontínua, seguindo ciclos de injeção e repouso, o que é chamado de “gas-lift” intermitente. Esta última forma é geralmente usada em poços que drenam reservatórios de baixa produtividade, enquanto a forma contínua é usada naqueles de alta produtividade. Em ambas as maneiras de injeção, contínua ou intermitente, as válvulas de “gas-lift” são as mesmas ou muito similares.

Em configurações usuais de poços com sistema de “gas-lift” contínuo, os modelos de válvulas operadoras mais convencionais empregam, adaptado em um recesso interno do corpo desta válvula, um elemento regulador da vazão de injeção de gás na forma de um pequeno disco ou placa em forma cilíndrica no centro da qual encontra-se um orifício circular com diâmetro determinado. Esse disco é também chamado de “placa de orifício” ou “sede” da válvula. O orifício apresenta cantos vivos ou levemente chanfrados.

Já os modelos convencionais de válvulas de descarga, além do elemento regulador já referido (placa de orifício), apresentam um mecanismo de abertura e fechamento, em geral um fole carregado com nitrogênio, que de acordo com as pressões do espaço anular e da coluna de tubos comanda uma haste cuja ponta esférica ou cônica promove a vedação do orifício da sede, impedindo a injeção de gás, ou permanece numa posição recolhida em que a injeção é possível numa certa vazão.

As válvulas de “gas-lift” são também providas de pelo menos uma válvula de retenção (“check valve”), localizada a jusante do orifício, de maneira a se evitar que ocorra um indesejado vazamento de petróleo do interior da coluna de produção em direção ao espaço anular nas situações em que o diferencial de pressão seja favorável a esse fluxo reverso, como pode ocorrer em uma parada de produção.

A conformação da placa de orifício naturalmente acarreta o aparecimento de vórtices. Com isso, o fluxo de gás passa a apresentar um alto grau de irreversibilidade e a promover uma perda de carga em escala expressiva.

Como desafio adicional a ser superado, encontra-se a geração de grandes dificuldades tanto em relação a cálculos de vazão de gás através do disco vazado quanto em relação à modelagem e análise de resultados do próprio projeto.

A evolução das pesquisas em torno de uma solução para os problemas mencionados acima, levou a requerente a conceber uma válvula de “gas-lift” que utiliza um venturi em substituição ao disco vazado com cantos vivos.

Com efeito, foi observado que as irreversibilidades do escoamento de gás tornaram-se muito menores e que o difusor promovia uma grande recuperação da pressão. Como consequência, o escoamento crítico de gás é atingido com menor diferencial de pressão através da válvula do que aquele necessário em uma válvula de orifício tradicional e, com isso, a vazão de gás é mantida constante com uma maior facilidade.

No entanto, em uma válvula de “gas-lift” que utiliza um venturi, doravante chamada apenas por válvula de venturi, a chamada região sub- crítica da curva de desempenho é muito estreita e, assim, não se pode operar nessa região, uma vez que as variações de vazão de injeção de gás em função de variações na pressão de tubo são enormes e a indução de instabilidades no escoamento representa um grande perigo para a operação.

A válvula de venturi, portanto, pode ser encarada na prática como um dispositivo para injeção de uma vazão constante de gás, isto é, para operar na região crítica. Já nas válvulas de orifício o diferencial de pressão necessário ao escoamento crítico é muito elevado para os padrões práticos e a operação ocorre na região sub-crítica.

Embora a válvula de venturi seja uma solução para problemas importantes dentro desta técnica de elevação, introduz um grande problema em relação à flexibilidade operacional da instalação, já que não é possível obter variações relativamente grandes de vazão de gás variando-se a pressão no revestimento, que é a maneira de ajuste das características dos poços no sentido de produzirem em sua vazão ótima econômica com emprego de “gas-lift” contínuo.

Na prática, devido a essa menor flexibilidade, os projetistas têm preferido utilizar as antigas válvulas de orifício em situações nas quais são requeridas variações relativamente grandes de vazão de injeção de gás ao longo da vida produtiva do poço e não se deseja lançar mão de uma dispendiosa intervenção para troca de válvula.

Seria desejável que a técnica desenvolvesse uma válvula para utilização em operações de “gas-lift” que apresentasse alto desempenho aliado a uma flexibilidade de aplicação em várias situações de projeto.

TÉCNICA RELACIONADA

A técnica que se relaciona com a presente invenção está diretamente ligada a documentos de patente que são propriedade da própria requerente, os quais encontram-se resumidamente citados abaixo meramente como referência.

O documento PI 9300292-0 (Alcino Resende de Almeida) diz respeito a um aperfeiçoamento que foi introduzido nas válvulas de orifício, onde foi utilizada uma geometria otimizada de sede que aproximou o fluxo de gás dentro da válvula a um fluxo isentrópico de forma a reduzir bastante os efeitos desvantajosos das válvulas de orifício. A configuração em forma de um venturi compacto é resultante de um acoplamento de um bocal convergente com um difusor cônico, ou seja, um bocal venturi.

A invenção introduziu melhorias significativas em relação à técnica anterior de uso de válvula de orifício como operadora ao permitir a operação na região crítica (vazão de injeção constante) com um diferencial de pressão muito pequeno.

O documento PI 0100140-0 (Alcino Resende de Almeida) descreve um aperfeiçoamento nas válvulas de venturi ao propor um venturi de corpo central no qual o escoamento de gás se dá através de um anular entre um alojamento cilíndrico ou cônico e um corpo central de diâmetro variável formando um bocal anular, uma garganta anular e um difusor anular.

Esse dispositivo introduziu melhorias importantes, pois, ao contrário de uma válvula de venturi normal, detritos eventualmente existentes na corrente de gás não apresentam o risco de um bloqueio total do escoamento de gás através da válvula. Além disso, a fabricação é facilitada e os custos reduzidos. Em uma das alternativas construtivas, o corpo central pode se movimentar longitudinalmente e trabalhar contra uma sede formando assim uma segunda válvula de retenção, o que aumenta a confiabilidade da válvula em termos de evitar o indesejado escoamento de petróleo do interior da coluna de produção em direção ao espaço anular.

As características da válvula de bocal para “gas lift”, objeto da presente invenção, serão melhor percebidas a partir da descrição detalhada que se fará a seguir, a mero título de exemplo, associada aos desenhos abaixo referenciados, os quais são parte integrante do presente relatório.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A Figura 1 é uma representação de um gráfico que mostra a comparação de curvas de desempenho entre uma válvula de orifício e uma válvula de venturi do estado da técnica.

A Figura 2 é uma representação de uma válvula de orifício do estado da técnica.

A Figura 3 é uma representação de uma válvula de fole carregado do estado da técnica.

A Figura 4 é uma representação de uma válvula de venturi do estado da técnica.

A Figura 5 é uma representação de uma válvula de venturi de corpo central do estado da técnica.

A Figura 6 é uma representação de uma primeira concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 7 é uma representação de uma segunda concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 8 é uma representação de uma terceira concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 9 é uma representação de uma quarta concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 10 é uma representação de uma quinta concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 11 é uma representação de uma sexta concretização para o bocal de acordo com a presente invenção.

A Figura 12 é uma representação de um gráfico comparativo de curvas de desempenho entre uma válvula de orifício, uma válvula com bocal e uma válvula de venturi convencional.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É objetivo da presente invenção, a concepção de uma válvula de bocal para “gas-lift” de modo que esta válvula possa substituir as convencionais válvulas de orifício.

O objetivo desta invenção é alcançado por meio da construção de bocais convergentes a serem adaptados internamente a um corpo de válvula. Esses bocais, por sua configuração geométrica, fazem com que a válvula possua as características desejadas existentes nas válvulas de orifício, com a vantagem de apresentar um coeficiente de descarga próximo ao valor unitário e uma razão crítica real próxima à razão crítica teórica. Estas características modificadas diminuem em muito as incertezas no cálculo da vazão de gás injetada na coluna de produção e contribuem de forma mais efetiva para um dimensionamento, operação e automação do poço.

Devido ainda às suas características construtivas, a válvula de bocal da presente invenção apresenta maior resistência à erosão e, consequentemente, favorece uma descarga mais rápida dos poços.

Uma concretização preferida, genericamente compreende um bloco cilíndrico a ser adaptado em um corpo de válvula, com uma face circular superior e uma face circular inferior, e, alinhada à geratriz do bloco cilíndrico, uma abertura toroidal que começa ampla na face superior do bloco cilíndrico e termina em um orifício na face inferior do bloco cilíndrico.

O bocal e a válvula da presente invenção não têm seu uso limitado às operações de elevação artificial de poços produtores de petróleo por “gas-lift”, podendo esta válvula de bocal ser empregada em poços produtores de gás, em poços injetores de água, gás ou de vapor e em outras aplicações substituindo as válvulas de orifício originalmente empregadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição detalhada da válvula de bocal para “gas-lift”, objeto da presente invenção, será feita de acordo com a identificação dos componentes que a formam, com base nas figuras acima citadas.

Refere-se a presente invenção à concepção de uma válvula de bocal para “gas-lift” de modo que esta válvula possa substituir as convencionais válvulas de orifício.

O objetivo desta invenção é alcançado por meio da construção de bocais convergentes a serem adaptados internamente a um corpo de válvula. Esses bocais, por sua configuração geométrica, fazem com que a válvula possua as características desejadas existentes nas válvulas de orifício, com a vantagem de apresentar um coeficiente de descarga próximo ao valor unitário e uma razão crítica real próxima à razão crítica teórica. Estas características modificadas diminuem em muito as incertezas no cálculo da vazão de gás injetada na coluna de produção e contribuem para facilitar um dimensionamento, operação e automação do poço.

A relação entre a vazão de gás que passa através da válvula e o diferencial de pressão existente entre a admissão e a descarga da válvula é usualmente chamado de “comportamento” ou “desempenho dinâmico” de uma válvula. A Figura 1 apresenta um gráfico que compara uma curva de desempenho de uma válvula de orifício (VO) com uma curva de desempenho de uma válvula de venturi (Vv).

Para o levantamento dos valores geradores das curvas de desempenho, testes foram realizados em uma unidade de testes específicos para válvulas de “gas-lift” utilizando gás natural sob condição de pressão manométrica à montante fixada em 140 bar e, tanto os diâmetros do orifício quanto da garganta do venturi tinham iguais dimensões.

Pode ser observado a partir do aspecto das curvas no gráfico que o comportamento das duas válvulas é bem distinto. A válvula de venturi (Vv) atinge um escoamento crítico com uma diferença de pressão (montante- jusante) menor do que 10% da pressão à montante.

A válvula de orifício (VO) necessita de um diferencial de pressão com valores entre 35% a 45%, dependendo da geometria exata da válvula.

Como já foi mencionado anteriormente, a válvula de venturi (Vv) é uma solução importante para alguns problemas operacionais, pois é uma válvula que proporciona uma vazão de gás praticamente constante e elimina quase totalmente, por exemplo, o fenômeno conhecido como “casing heading” que é uma instabilidade de características oscilatórias que ocorre em certos poços e que pode causar severas dificuldades operacionais e cujas outras medidas de controle conhecidas na técnica do “gas-lift” podem impor significativas perdas de produção em um poço ou resultar em importante aumento nos custos operacionais e na complexidade do sistema.

No entanto, deve ser lembrado que no “gas-lift” contínuo o método mais empregado para ajuste operacional da vazão de injeção, independentemente da existência ou não de uma instabilidade, é a variação da pressão do espaço anular (também chamada de “pressão do revestimento”). A válvula de venturi (Vv), ao contrário da válvula de orifício (VO), apresenta pouca sensibilidade à pressão do revestimento, isto é, a vazão de injeção de gás varia muito pouco com o aumento ou diminuição da pressão de revestimento, considerando as faixas práticas de variação dessa pressão. Por conta disto, projetistas de instalações de “gas-lift” muitas vezes optam por válvulas de orifício (VO) para não abrir mão da flexibilidade operacional que as mesmas proporcionam e, na eventualidade de um escoamento instável, aplicam alguma medida corretiva.

O cálculo da vazão de gás que passa por uma válvula de “gas-lift” é essencial tanto para o projeto quanto para operação e automação de poços que utilizem esse método de elevação artificial.

Os modelos matemáticos para uma válvula de venturi (Vv) permitem uma extrapolação razoavelmente precisa para o caso real. O escoamento através desse tipo de válvula se aproxima em muito do adiabático reversível, ou seja, isentrópico e mesmo quando está estabelecido o regime de escoamento crítico, o escoamento pode ser considerado isentrópico até a garganta do venturi. Como não há necessidade prática de se modelar o escoamento no difusor quando estabelecido o escoamento crítico através da válvula, a abordagem de cálculo considerando escoamento isentrópico até a garganta é bastante razoável. A conformação do bocal faz com que o coeficiente de descarga seja próximo do unitário. Assim, o modelo isentrópico fornece valores teóricos de vazão bastante próximos dos reais, requerendo apenas uma calibração mínima com dados experimentais.

No caso das válvulas de orifício, a dificuldade de modelagem é muito maior, pois a geometria que as mesmas apresentam introduz uma gama de irreversibilidades muito grande ao escoamento. Os diferenciais de pressão através da placa de orifício são elevados e os diâmetros dos orifícios e diâmetros internos da própria válvula são muito pequenos. A “vena contracta” (região do fluxo de fluido após a passagem pelo orifício caracterizada por o fluido ainda manter uma contração no seu fluxo com diâmetro, menor ou pelo menos igual, ao diâmetro do mesmo fluxo de fluido imediatamente após a passagem pelo orifício) é difícil de ser modelada neste caso. A razão crítica também apresenta muita variação pois a recuperação de pressão após o orifício, que ainda existe, embora seja pequena, é de difícil previsão.

O valor dessa razão crítica em válvulas de venturi não apresenta necessidade de ser conhecido com grande precisão em termos de modelagem, uma vez que apenas define o diferencial de pressão mínimo requerido para operação em escoamento crítico. Ou seja, define o diferencial mínimo que o projetista da instalação deve levar em conta para que a válvula de venturi opere na situação desejada, isto é, em escoamento crítico, nunca em escoamento subcrítico. Diante disso, o interesse da modelagem se volta para a avaliação da vazão crítica apenas.

Para o caso de válvulas de orifício, o conhecimento do valor da recuperação de pressão com precisão é necessário, uma vez que na grande maioria dos casos a operação se realiza em regime de escoamento subcrítico. A obtenção de estimativas não muito correspondentes a uma situação real em termos da recuperação de pressão e estimativas sobre a “vena contracta” introduzem erros significativos em relação à estimativa da vazão, já que só são conhecidas as pressões à montante e à jusante da válvula como um todo. Uma avaliação experimental abrangente é necessária e o coeficiente de descarga se afasta muito do unitário e de maneira pouco previsível com modelos de uso prático.

Diante do que foi exposto, observa-se que um projetista fica obrigado a escolher entre dois extremos, quais sejam, uma válvula com escoamento próximo do ísentrópico com razão crítica e coeficiente de descarga próximos da unidade, de fácil modelagem, mas com pouca flexibilidade operacional ou uma válvula com escoamento praticamente adiabático, mas com grande grau de irreversibilidade, com flexibilidade operacional, mas de modelagem difícil.

A presente invenção propõe solucionar esta questão por meio de uma válvula de bocal para “gas-lift” onde a conformação deste bocal de regulagem de vazão de gás apresenta vantagens como: - em termos de modelagem, a manutenção de uma previsibilidade quanto ao comportamento dinâmico; - manter a flexibilidade de controle de vazão de gás semelhante a uma válvula de orifício; e - adicionalmente apresentar uma geometria suave que induz uma aceleração gradual do fluido enquanto aumenta a tolerância à erosão e outros danos de origem mecânica.

Apenas a título de esclarecimento, as válvulas ilustradas nas Figuras 2, 3 e 4 e descritas a seguir, terão seus componentes referenciados alfabeticamente por serem válvulas presentes no estado da técnica.

A Figura 2 mostra esquematicamente uma vista em corte longitudinal de uma válvula de “gas-lift” de orifício (VO) do estado da técnica para uso com mandris de bolsa lateral.

A válvula de orifício (VO) apresenta um corpo (C) com orifícios de admissão (OA) e um recesso (R) no diâmetro interno do corpo onde é adaptada uma placa de orifício (PR) para regulagem da vazão de gás. O gás proveniente do espaço anular passa pelos orifícios do mandril (não mostrado), penetra na válvula de orifício (VO) através de orifícios de admissão (OA), passa por um orifício (O), pela válvula de retenção (VR) e sai por orifícios de saída (OS) do bico da válvula de orifício (VO), misturando-se a partir daí com os fluidos provenientes do reservatório dentro de uma coluna de produção (CP).

A válvula de retenção (VR) ou “check valve” mostrada é do tipo “interna” e encontra-se representada na posição aberta, permitindo a passagem de gás no sentido anular para coluna de produção (CP). Caso haja uma parada de injeção de gás e fluidos do interior da coluna de produção (CP) comecem a escoar no sentido inverso, um dardo (D) da válvula de retenção (VR) é arrastado até que haja o contato da cúpula do dardo (D) com a sede de vedação (SV), impedindo o prosseguimento deste escoamento indesejável.

A Figura 3 mostra esquematicamente uma vista em corte longitudinal de uma válvula de “gas-lift” de fole carregado pertencente e conhecida no estado da técnica, e também é chamada de “válvula de pressão”.

A válvula de fole carregado (VF) é similar à válvula de orifício (VO), mas possui adicionalmente uma haste (H) com uma ponta (Ph), em geral esférica e de material de grande dureza, que na posição mostrada na Figura 3 promove a vedação do orifício (O), impedindo escoamento de fluido do anular para a coluna de produção e vice-versa. A haste (H) está conectada a um fole (F) cujo espaço interior se comunica com um pequeno pulmão, chamado “domo” (Dv) da válvula. O domo (Dv) e, consequentemente, o fole (F) contém um gás, em geral nitrogênio, a uma pressão determinada. Com isso, a ponta (Ph) da haste (H) é mantida pressionada contra o orifício (O). De acordo com a resultante das forças agindo na haste (H), forças essas devido basicamente à ação das pressões do gás no fole (F), do gás no espaço anular e do fluido na coluna de produção (CP), a haste (H) pode se manter na posição da Figura 3, em que a válvula de fole carregado (VF) encontra-se fechada, ou deslocar-se no sentido de comprimir o fole (F), permitindo a passagem do gás pelo orifício (O), situação essa em que se diz que a válvula de fole carregado (VF) está aberta. Quando a ponta (Ph) da haste (H) está suficientemente afastada do orifício (O) de modo que a mesma não interfira no escoamento de gás, a válvula de fole carregado (VF) apresenta um comportamento dinâmico similar ao da válvula de orifício (VO).

A Figura 4 mostra esquematicamente uma vista em corte longitudinal de uma válvula de “gas-lift” de venturi (Vv) do estado da técnica para uso com mandris de bolsa lateral. A válvula de venturi (Vv) apresenta um corpo (C) com orifícios de admissão (OA) e um recesso (R) no diâmetro interno do corpo (C) onde é adaptado um venturi compacto ou bocal venturi (Bv) para regulagem da vazão de gás. O orifício do venturi pode ser didaticamente dividido em três partes a saber, o bocal (B), a garganta (G) e o difusor (Di). A garganta (G) corresponde à menor área de passagem aberta ao fluido que escoa através do venturi. Pode ter um comprimento infinitesimal sendo apenas uma seção reta de transição entre o bocal e o difusor ou pode ter um comprimento finito.

A válvula de retenção (VR) mostrada é do tipo “externa” e encontra- se representada na posição fechada. O dardo (D) é mantido na posição mostrada por uma mola. Se for aplicado um diferencial de pressão entre anular e coluna de produção (CP) que vença a resistência da mola, o dardo (D) é deslocado para uma posição inferior, permitindo a passagem de gás no sentido do espaço anular para o interior da coluna de produção (CP). Caso haja uma parada de injeção de gás e fluidos do interior da coluna de produção (CP) comecem a escoar no sentido inverso, o dardo (D) da válvula de retenção (VR) volta para sua posição original sendo a cúpula deste dardo (D) pressionada contra uma sede de vedação (SV), impedindo esse escoamento indesejável.

A Figura 5 mostra esquematicamente uma vista em corte longitudinal de uma válvula de “gas-lift” de venturi de corpo central (VCC) do estado da técnica para uso com mandris de bolsa lateral.

A única diferença em relação à válvula de venturi (Vv) da Figura 4 é a substituição do venturi convencional (V) por um venturi de corpo central (Vc) que é um venturi anular com um bocal (B), uma garganta (G) e um difusor (Di) que apresentam as mesmas funções das partes correspondentes no venturi convencional (V). Da mesma forma, a garganta (G) pode ter comprimento infinitesimal ou um comprimento finito.

Embora possa haver variações, em geral a geometria do corpo central (Cc) é tal que se comparando um venturi convencional com um venturi de corpo central (Vc), com a mesma área de passagem na garganta (G), a área do anular entre o alojamento e o corpo central (Cc) numa seção reta a uma certa distância da garganta (G) é igual à área da seção reta do venturi convencional (V) para a mesma distância da garganta (G). Assim, o perfil de variação de área do venturi convencional (V) é mantido sendo que a área passa a ser anular.

A válvula de bocal (GL) para “gas-lift” da presente invenção apresenta um corpo (1) com orifícios de admissão (2), e, logo abaixo destes, um recesso (3) leve no diâmetro interno do corpo (1) onde é adaptado um bocal (4) convergente para regulagem da vazão de gás que passa pelo interior da válvula em direção à saída (5) desta última.

O bocal (4) convergente, que será tratado a partir de agora como bocal (4) apenas, terá as concretizações preferidas descritas a seguir.

Uma primeira concretização para o bocal (4) da presente invenção a ser adaptado em uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift” encontra-se ilustrado na Figura 6 e pode ser observado que ele compreende um bloco (40) cilíndrico vazado em formato toroidal com uma abertura maior (41) na face superior (42) do bloco (40) próxima aos orifícios de admissão (2) da válvula e uma abertura menor (43), ou garganta, na face inferior (44) do bloco (40) voltada para uma válvula de retenção (VR) (45) localizada na saída (5) (ou bico) da válvula.

O gás proveniente do espaço anular do poço passa pelos orifícios de um mandril (não mostrado), penetra na válvula por meio dos orifícios de admissão (2), a seguir passa através do bocal (4), passa pela válvula de retenção (45) e sai pela saída (5) da válvula, misturando-se a partir daí com os fluidos provenientes do reservatório dentro da coluna de produção (não mostrado).

Em uma segunda concretização para o bocal (4) da presente invenção a ser adaptado em uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift”, que se encontra ilustrado na Figura 7, pode ser observado que ele compreende um bloco (40) cilíndrico vazado em formato toroidal com a abertura maior (41) na face superior (42) próxima aos orifícios de admissão (2) da válvula e a abertura menor (43) com uma continuidade devido ao acréscimo de uma pequena garganta cilíndrica (46) de mesmo diâmetro desta abertura menor (43) que termina na face inferior (44) voltada para uma válvula de retenção (45) localizada na saída (5) (ou bico) da válvula.

Em uma terceira concretização para o bocal (4) da presente invenção a ser adaptado em uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift”, ilustrado na Figura 8, pode ser observado que ele compreende um bloco (40) cilíndrico vazado em formato de um bocal de corpo central (41) que, por sua vez compreende um centralizador superior (411), vazado com furos (412) seguido de um corpo central (413) que aumenta seu diâmetro a partir do centralizador superior (411) e forma um espaço anular (414) que apresenta uma redução gradativa da área de passagem do escoamento desde uma abertura maior voltada para os orifícios de admissão de gás até uma abertura menor que define uma menor área de passagem ao escoamento, voltada para a válvula de retenção (VR) (45) e para a saída (5) (ou bico) da válvula.

Em uma quarta concretização para o bocal (4) da presente invenção a ser adaptado em uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift”, ilustrado na Figura 9, pode ser observado que ele compreende um bloco (40) cilíndrico vazado em formato de um bocal de corpo central (41) que, por sua vez compreende um centralizador superior (411), vazado com furos (412) seguido de um corpo central (413) que aumenta seu diâmetro a partir do centralizador superior (411) e forma um espaço anular (414) que apresenta uma redução gradativa da área de passagem do escoamento desde uma abertura maior voltada para os orifícios de admissão de gás até uma abertura menor que define uma menor área de passagem ao escoamento acrescido de uma pequena garganta cilíndrica (415) de comprimento finito, que define a menor área de passagem ao escoamento, voltada para a válvula de retenção (45) e para a saída (5) (ou bico) da válvula.

A válvula de bocal para “gas-lift” do tipo fole carregado (FC) da presente invenção apresenta um corpo (1) com orifícios de admissão (2), logo abaixo destes orifícios de admissão (2) encontra-se um recesso (3) leve no diâmetro interno do corpo (1) onde é adaptado um bocal (4) convergente para regulagem da vazão de gás que passa pelo interior da válvula (FC) em direção à saída desta última e, acima dos orifícios de admissão (2) uma haste (6) ligada a um fole (7) atuador.

Em uma quinta concretização para o bocal (4) da presente invenção ser adaptado em uma válvula de bocal para “gas-lift” do tipo fole carregado (FC) encontra-se ilustrado na Figura 10 e pode ser observado que ele compreende um bloco (40) cilíndrico vazado em formato toroidal com uma abertura maior (41) na face superior (42) do bloco (40) próxima aos orifícios de admissão (2) da válvula e uma abertura menor (43), ou garganta, na face inferior (44) do bloco (40) onde, no interior do qual é que há a atuação da haste (6) ligada ao fole (7) da válvula de “gas-lift” do tipo fole carregado (FC).

Em uma sexta concretização para o bocal (4) da presente invenção ser adaptado em uma válvula de bocal para “gas-lift” do tipo fole carregado (FC) encontra-se ilustrado na Figura 11 e pode ser observado que ele compreende um bloco (40) destinado a substituir uma placa de orifício convencional conhecida na técnica como “choke”, cilíndrico vazado em formato toroidal com uma abertura maior (41) na face superior (42) do bloco (40) e uma abertura menor (43), ou garganta, com um diâmetro que pode tanto ser menor quanto pode ser igual ao diâmetro da abertura da sede convencional da válvula de “gas-lift" do tipo fole carregado (FC).

A presente invenção apresenta flexibilidade de aplicação em relação às válvulas convencionais de “gas-lift” podendo substituir um ou mais componentes em termos de necessidade de restrição de fluxo de gás, inclusive conjugando as concretizações descritas acima, como por exemplo, em uma válvula de “gás-lift” de fole carregado (FC), a sede principal e o "choke" podem ser substituídos pelo bocal da primeira concretização.

As válvulas de retenção (45) mostradas na maioria das Figuras são do tipo “externa” o que significa apenas uma construção preferencial. Nada impede que seja usada uma válvula de retenção “interna” ou até mesmo os dois tipos de válvulas de retenção simultaneamente. Também outros tipos de válvulas de retenção, diversos aos mostrados exemplarmente, poderiam ser usados em qualquer uma das concretizações.

As concretizações de bocais (4) mostrados apresentam um perfil geométrico em corte preferencial usando arcos de circunferência, mas nada impede que outras geometrias conhecidas, em que a área de passagem é progressivamente diminuída, possam ser usadas. Os bocais (4) podem ser cônicos, os arcos podem ser de elipse, de parábola, de hipérbole ou de outra curva considerada conveniente por motivos construtivos ou outros de ordem prática ou operacional.

Testes com protótipos da primeira concretização e segunda concretização foram realizados em uma unidade de testes específica para válvulas de “gas-lift” utilizando gás natural em uma pressão manométrica à montante fixada em 140 bar.

Foi feito um teste de desempenho com uma válvula de “gas-lift” equipada com um orifício convencional onde este orifício tinha um diâmetro de 5,2 mm. O mesmo teste foi repetido para uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift” equipada com um bocal toroidal como na primeira concretização onde a abertura menor tinha um diâmetro de 5,2 mm e, a seguir foi testada uma válvula de venturi (Vv) convencional onde o diâmetro da garganta era de 5,2 mm. Os valores obtidos durante o teste foram transformados em curvas de desempenho sendo: uma curva de desempenho para a válvula de orifício (VO), uma curva de desempenho para uma válvula de bocal (GL) e uma curva de desempenho para uma válvula de venturi (Vv), que encontram-se ilustradas na representação gráfica comparativa da Figura 12.

Os coeficientes de descarga em relação às vazões calculadas por um modelo de escoamento isentrópico de gás natural tiveram seus valores como de 0,85 para a válvula de orifício (VO), 0,94 para a válvula de bocal (GL) e 0,95 para a válvula de venturi (Vv).

Diante dos valores acima, conclui-se que, em termos de coeficiente de descarga, o bocal (4) se comporta de uma maneira idêntica ou quase idêntica ao venturi (V), com um escoamento muito mais isentrópico até a garganta (G) do que o verificado em uma placa de orifício (PR). O que diferencia o comportamento dinâmico como um todo é que no venturi (V) há a presença de um difusor que proporciona uma recuperação de pressão. Desta forma, quando a pressão à jusante do venturi (V) é de 120 bar, por exemplo, a pressão em sua garganta (G) é de, aproximadamente 75 bar e o escoamento na garganta (G) é crítico (sônico). Já em um bocal (4) que não tenha recuperação de pressão na expansão brusca, a pressão na abertura menor será bem próxima de 120 bar e o escoamento é subcrítico.

Para as condições do teste anterior, o modelo teórico de escoamento isentrópico de gás aponta para uma razão crítica teórica no valor de 0,53. O teste mostrou um valor de razão crítica experimental igual a 0,64 para o bocal, igual a 0,56 para o orifício e igual a 0,94 para o venturi (V). Isso mostra que o bocal (4), mesmo sem a existência de um difusor, apresenta uma recuperação de pressão a jusante da garganta (G) maior do que aquela do orifício (O) (11% comparado com 3% do orifício). Para ajustar o valor da razão crítica tornando-o próximo do valor teórico pode-se usar uma garganta (G) cilíndrica de comprimento finito.

Testes experimentais realizados nas mesmas condições do teste anterior com um bocal (4) equipado com uma garganta (G) cilíndrica de certo comprimento mostraram o mesmo coeficiente de descarga e uma razão crítica igual à teórica que neste caso tem o valor de 0,53. Comprimentos menores podem ser usados para se ajustar a razão crítica a um valor intermediário entre o teórico e o obtido com o bocal (4) simples sem garganta (G) de comprimento finito. Comprimentos maiores podem ser usados para se obter uma razão crítica ainda menor do que a teórica, ampliando o tamanho da região subcrítica na curva de desempenho.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em sua forma de realização preferida, o conceito principal que norteia a presente invenção que é uma válvula de bocal (GL) para “gas-lift” de modo que esta válvula possa substituir as convencionais válvulas de orifício por meio da construção e acoplamento no corpo desta última de bocais convergentes que, por sua configuração geométrica, mantém as características desejadas existentes nas válvulas de orifício, com a vantagem de apresentar um coeficiente de descarga próximo ao valor unitário e uma razão crítica real próxima à razão crítica teórica, se mantém preservado quanto ao seu caráter inovador, onde aqueles usualmente versados na técnica poderão vislumbrar e praticar variações, modificações, alterações, adaptações e equivalentes, cabíveis e compatíveis ao meio de trabalho em questão, sem, contudo se afastar da abrangência do espírito e escopo da presente invenção, que estão representados pelas reivindicações que se seguem.

Claims (9)

1. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, que compreende um corpo (1) com orifícios de admissão (2), e, abaixo destes, um recesso (3) no diâmetro interno do corpo onde é adaptado um bocal (4) convergente para regulagem da vazão de gás que passa pelo interior da válvula (GL) em direção à saída (5) desta última, caracterizado por o bocal (4) compreender um bloco (40) cilíndrico vazado formando um bocal convergente com a abertura maior (41) próxima aos orifícios de admissão (2) da válvula de bocal (GL) e a abertura menor (43) na face inferior (44) do bloco (40) voltada para a saída (5) da válvula de bocal (GL).

2. VALVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o bocal (4) compreender um bloco (40) cilíndrico vazado em formato toroidal com a abertura maior (41) na face superior (42) do bloco (40) e a abertura menor (43) na face inferior (44) do bloco (40.

3. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por o bocal (4) ainda compreender uma continuidade devido ao acréscimo de uma pequena garganta cilíndrica (46) de mesmo diâmetro da abertura menor (43) na face inferior (44) do bloco (40).

4. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o bocal (4) compreender um bloco (40) cilíndrico vazado em formato de um bocal de corpo central (41) que, por sua vez compreende um centralizador superior (411), vazado com furos (412) seguido de um corpo central (413) que aumenta seu diâmetro a partir do centralizador superior (411) e forma um espaço anular (414) que apresenta uma redução gradativa da área de passagem do escoamento desde uma abertura maior até uma abertura menor.

5. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o bocal (4) ainda compreender uma pequena garganta cilíndrica (415) de comprimento finito que define a menor área de passagem ao escoamento.

6. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o bocal (4) ainda compreender uma válvula de “gás-lift” de fole carregado (FC), acima dos orifícios de admissão (2) uma haste (6) ligada a um fole (7) atuador, que atua no interior do bloco cilíndrico vazado (40).

7. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LlFT, de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3, caracterizado por o bocal (4) ainda uma válvula de “gas-lift" do tipo fole carregado (FC), acima dos orifícios de admissão (2) com uma haste (6) ligada a um fole (7) atuador que atua sobre uma sede convencional, formando um estrangulador com uma abertura maior de diâmetro que pode ser menor ou igual ao diâmetro a abertura da sede convencional.

8. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os bocais (B) (4) apresentarem um perfil geométrico em corte usando arcos que podem ser escolhidos entre: de circunferência, cônicos, de elipse, de parábola e de hipérbole.

9. VÁLVULA DE BOCAL PARA GAS-LIFT, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as válvulas de retenção (45) poderem ser escolhidas entre os tipos: externa, interna e combinação de ambos os tipos.

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