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Die vorliegende Erfindung betrifft die Produktion
bzw. das Fördern von Erdöl, und insbesondere ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Fördern extrem viskosen Rohöls von
unterirdischen Lagerstätten bzw. Speichern.
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In kleinen Schritten erschöpfen sich die bequem
aufgefundenen und bequem geförderten Erdölenergiereserven der
Welt. Demgemäß müssen, um den wachsenden Energieanforderungen
der Welt zu genügen, Wege gefunden werden, um viel weniger
zugängliche und weniger erwünschte Erdölquellen zu orten und zu
fördern. Es werden Bohrlöcher nunmehr routinemäßig auf Tiefen
gebohrt, die nur einige wenige Jahrzehnte zuvor unvorstellbar
waren. Es werden Wege gefunden, Reserven auszunutzen und
wirtschaftlich zu fördern, die zuvor als nicht förderbar angesehen
wurden (beispielsweise wegen extrem hoher Temperatur, hohem
Druck, Korrosion, Sauerkeit, usw.). Sekundäre und tertiäre
Gewinnungsverfahren werden entwickelt, um Restöle von älteren
Bohrlöchern zu gewinnen, die als erschöpft angesehen wurden,
nachdem sich die primären Gewinnungsmethoden erschöpft hatten.
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Gewisse Rohöle (oder allgemeiner gesagt,
Lagerstätten- bzw. Speicherfluide) haben eine geringe Viskosität und
sind aus dem unterirdischen Speicher relativ leicht zu pumpen.
Andere haben eine relativ niedrige Viskosität bei erhöhten
Speichertemperaturen, wobei sie jedoch viskos werden, wenn sie
während der Förderung abkühlen. Noch andere haben sehr hohe
Viskositäten selbst unter Speicherbedingungen. Es ist daher
nicht unüblich, Bohrlöcher zu finden mit beträchtlichen Mengen
wertvollen Rohöls oder Erdöls, die dennoch geschlossen worden
sind, weil es zu teuer war, das viskose Rohöl durch Auspumpen
zu fördern.
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Es verbleibt daher ein Bedürfnis für eine neue und
verbesserte Vorrichtung, welche die Wirtschaftlichkeit der
Förderung solcher hochviskosen Rohöle so ändert, daß diese
wertvollen Energiereserven wirtschaftlich und wirksam produziert
bzw. gefördert werden können. Vorzugsweise ist eine solche
Vorrichtung unkompliziert und einfach in der Gestaltung und der
Arbeitsweise, vielseitig, dauerhaft und bequem geeignet zur
Verwendung im weitestmöglichen Bereich des Gebietes des Pumpens
von viskosem Erdöl.
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Die US-A-4 056 335 offenbart eine Vorrichtung zum
Fördern viskoser Rohöle von einem Produktionsbohrloch,
umfassend eine Tauchpumpe, die mit einer Abschirmung versehen ist,
welche unter dem Pumpeneinlaß angeordnet ist, wobei die
Abschirmung an ihrem Boden mit einem Einlaß für
Lagerstättenbzw. Speicherfluide, welche viskose Erdöle enthalten, versehen
ist, und eine Leitung zum Führen von Verdünnungsmittel von der
Oberfläche zu dem Abschirmungseinlaß. Bei der bekannten
Vorrichtung wird die Tauchpumpe durch eine übliche
Oberflächenantriebsvorrichtung angetrieben.
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Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zum Fördern viskoser Crude oder Erdöle von einem
Produktionsbohrloch zu schaffen, die eine eintauchbare
Pumpenantriebseinrichtung hat.
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Hierfür ist die Vorrichtung zum Fördern viskoser
Crude oder Erdöle von einem Produktionsbohrloch gemäß der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein
elektrisches Tauchpumpenhebesystem aufweist, umfassend eine Pumpe
und einen Elektromotor, der stromabwärts der Pumpe angeordnet
ist, die Abschirmung das elektrische Tauchpumpensystem im
wesentlichen umgibt und sich nach unten unter dieses erstreckt,
die Vorrichtung Mittel umfaßt die mit der Leitung verbunden
sind, um Flüssigkeit von dieser in den Abschirmungseinlaß zu
injizieren, um Flüssigkeit mit den Lagerstätten- bzw.
Speicherfluiden zu mischen, die durch den Abschirmungseinlaß eintreten,
und daß sie einen statischen Mischer aufweist, der in der
Abschirmung angeordnet ist, um injizierte Flüssigkeit mit den
Lagerstätten- bzw. Speicherfluiden in dem Fließweg zwischen dem
Abschirmungseinlaß und dem Einlaß zu dem elektrischen
Tauchpumpensystem zu mischen, um ein im wesentlichen homogenes Gemisch
von in Flüssigkeit dispergiertem Öl zum Einführen in das
Pumpensystem zu erzeugen.
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Ein Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung
besteht darin, daß die Anordnung der Abschirmung wirksames Kühlen
des Elektromotors durch das Gemisch aus Flüssigkeit und
Speicherfluid ermöglicht.
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Es wird Bezug genommen auf die veröffentlichte
britische Patentanmeldung Nr. 2 166 472, die ein System mit einer
eintauchbaren Strahlpumpe offenbart zum Fördern viskoser Crude
oder Erdöle aus einem Produktionsbohrloch, wobei die
Strahlpumpe durch Wasser angetrieben wird, weiches einen Emulgator
enthält, um eine Öl enthaltende Emulsion zu erhalten, die zur
Oberfläche gepumpt wird. Diese Veröffentlichung betrifft kein
elektrisches Tauchpumpenhebesystem.
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Das Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung gemäß
der Erfindung umfaßt: Induzieren eines künstlichen
Wasseranteils in die viskosen Crude oder Erdöle, um die Wirkungen der
Viskosität auf Komponenten des Tauchpumpenhebesystems zu
verringern; Vergrößern des Volumens und der Wärmekapazität der
Fluide in Berührung mit dem Motor des Tauchpumpenhebesystems
durch den induzierten künstlichen Wasseranteil, um seine
Betriebstemperatur verringern, und Fördern des injizierten
Wassers und der viskosen Crude oder Erdöle durch das
Tauchpumpenhebesystem.
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Es ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung, daß Wasser injiziert und mit viskoser Crude oder Erdöl in
einer Haube oder Abschirmung an der Basis der Tauchpumpe
gemischt wird, um dadurch die wirksame Viskosität der geförderten
Fluide zu verringern und weiterhin die Betriebstemperatur der
Pumpe zu kontrollieren bzw. zu steuern.
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Elektrische Tauchpumpenhebesysteme werden in gewissen
Umgebungen bevorzugt, beispielsweise bei Umgehungsbohrlöchern
oder gekrümmten, wie sie üblicherweise bei Offshore-Situationen
angetroffen werden, wo eine Mehrzahl von Bohrlöchern von einer
einzigen Plattform gebohrt wird. In einem gekrümmten Bohrloch
ist eine Stangenpumpe sehr schwierig zu verwenden, und zwar
teilweise weil die Stange das Bestreben hat, an dem Futterrohr
und den Rohrleitungen zu reiben, und teilweise, weil der
wirksame Pumpenhub beträchtlich verkürzt ist, wenn die Stange in
dem Futterrohr einmal je Kreislauf aufwärts und abwärts
schwingt bzw. flattert. Weiterhin ist an Offshore-Plattformen
die Oberflächenausrüstung für ein mit Stangenpumpe versehenes
Bohrloch viel zu massig und aufwendig.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung hat ein elektrisches Tauchpumpenhebesystem
eine im wesentlichen zylindrische Abschirmung, welche den
unteren Teil des Pumpensystems vollständig umgibt. Zusätzlich zu
dem üblichen Förderstrang oder der Förderleitung zum Tragen der
geförderten Bohrlochfluide zur Oberfläche, ist die Vorrichtung
gemäß der Erfindung im Betrieb weiterhin mit einem zweiten
Strang oder einer solchen Rohrleitung verbunden, durch welchen
hindurch bzw. durch welche hindurch Injektionswasser nach unten
zur Basis der Abschirmung getragen wird. An der Basis der
Abschirmung wird das Wasser dann in das ankommende Rohöl
injiziert derart, daß das Rohöl und das Wasser gemischt werden,
bevor sie in den Pumpeneinlaß eintreten. Es wird genügend Wasser
verwendet (ein Wasseranteil von 55 % oder mehr ist
erforderlich), um eine kontinuierliche wasserbenetzte Dispersion oder
Emulsion aus dem viskosen Rohöl und dem Wasser zu erzeugen. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der
Erfindung wird dieses Mischen erleichtert dadurch, daß
veranlaßt wird, daß das anfängliche kombinierte Gemisch aufwärts
durch einen statischen Mischer fließt.
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Das Wasser befindet sich üblicherweise auf
Temperaturen unterhalb der Temperatur der Formation, und die
Wärmekapazität des Wassers ist weiterhin größer als diejenige des
Rohöls. Vorteilhaft wird daher die wasserbenetzte Emulsion als
nächstes veranlaßt in Berührung mit dein Pumpenmotor zu
gelangen, um das Verringern seiner Betriebstemperatur zu
unterstützen. Die wasserbenetzte Emulsion tritt dann in den Pumpeneinlaß
ein zwecks Pumpens zu der Oberfläche durch den Förderstrang.
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Diese und andere Zwecke und Vorteile der Erfindung
werden aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf
die begleitende Zeichnung ersichtlich, in welcher
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Fig. 1 eine in großem Ausmaß vereinfachte
schematische teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer
Vorrichtung zum Fördern viskoser Crude oder Rohöle gemäß der
Erfindung ist, wobei die Vorrichtung in einem ausgefutterten
Produktionsbohrloch bzw. Förderbohrloch angeordnet ist.
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Fig. 2A ist eine etwas verkürzte detaillierte Ansicht
des oberen Teils einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.
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Fig. 2B ist eine Fortsetzung der Fig. 2A, wobei der
untere Teil der Vorrichtung dargestellt ist.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 3-3
der Fig. 2A.
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 4-4
der Fig. 2A.
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Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 5-5
der Fig. 2B.
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 6-6
der Fig. 2B.
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Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 7-7
der Fig. 2B.
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Die Gesamtauslegung bzw. Gesarntgestaltung der
Vorrichtung gemäß der Erfindung ist aus Fig. 1 ersichtlich, gemäß
welcher ein elektrisches Tauchpumpengebilde 10, bestehend aus
einem Motor 11, einer Dichtung 12 und einer Pumpe 13, unterhalb
eines Dichtungsstücks 14 im Futterrohr 15 eines Ölbohrloches
aufgehängt ist. Fluide, welche aus dem Pumpengebilde 10
austreten, werden über einen üblichen Förderstrang 17 zur Oberfläche
gefördert.
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Das elektrische Tauchpumpengebilde 10 ist von einer
Abschirmung bzw. Umhüllung 20 umgeben. Bei der bevorzugten
Ausführungsform erstreckt sich die Abschirmung 20 vollständig rund
um und unter das Pumpengebilde 10, so daß die Fluide, die durch
dieses gepumpt werden, an dem Pumpenmotor 11 vorbei und in
Berührung mit diesem fließen. Demgemäß hat die Abschirmung 20
einen Einlaß 25 an ihrem Boden für die Bohrlochfluide 27.
Weiterhin ist am Boden oder der Basis der Abschirmung 20 ein
Wasserinjektor 30 angeordnet zum Injizieren von Wasser 32, welches
von der Oberfläche zu ihm gefördert wird durch einen
Injektionswasserstrang 33. Wenn es zweckmäßig ist, kann der
Injektor 30 so gestaltet werden, daß das Wasser 32 als Strahl in
das ankommende Speicherfluid 27 im Einlaß 25 der Abschirmung 20
abgegeben wird.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, wird das
Injektionswasser 32 demgemäß in die Bohrlochfluide injiziert, wenn diese
in die Abschirmung 20 eintreten, und zwar stromaufwärts (obwohl
körperlich unter) der Pumpe und dem Pumpeneinlaß. Der Zweck
besteht darin, die wirksame Viskosität der Fluide zu verringern
durch Erzeugen einer kontinuierlichen Dispersion oder Emulsion
mit Wasser, welche relativ inniges Mischen des viskosen Rohöls
27 und des Wassers 32 fordert. Ein solches Mischen findet
selbstverständlich letztlich in der Pumpe 13 statt. Jedoch wird
es bei der bevorzugten Ausführungsform als erwünscht angesehen,
daß die Emulsion vernünftig gut gebildet wird, bevor sie zu dem
Pumpenlaufrad gelangt, so daß das Arbeiten des Pumpenlaufrades
wirksamer wird, wie es später weiter beschrieben wird. Die
bevorzugte Ausführungsform umfaßt demgemäß einen statischen
Mischer 35 in dem Fließweg zwischen dem Einlaß 25 der
Abschirmung und dem Pumpeneinlaß 37. Der statische Mischer 35 ist bei
der bevorzugten Ausführungsform irgendein zweckmäßiger im
Handel verfügbarer statischer Diffusor. Die Besonderheiten des
Diffusors sind nicht kritisch und sie können geändert werden
nach Wunsch oder nach Zweckmäßigkeit.
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Das Injizieren des Wassers und das anfängliche
Mischen mit den Bohrlochfluiden 27 wird bei der bevorzugten
Ausführungsform weiterhin erleichtert, indem diese gleichzeitig
durch einen umgekehrten Kreuzungsdiffusor 38 geführt werden,
und zwar durch einen Diffusor eines 513 Series Centrilift
Separators (der von Baker/Hughes Centrilift factory, Huntington
Beach, California, USA erhältlich ist), der leichter bzw.
bequemer und weniger teuer ist als auf Bestellung hergestellte
Einspritzdüsen.
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Die Arbeitsweise der Erfindung ist demgemäß sehr
unkompliziert. Der zweite Strang 33 bringt das Einspritzwasser 32
zu der Abschirmung 20, wo wirksames Mischen der Bohrlochfluide
27 mit dem zusätzlichen Einspritzwasser 32 stattfindet. Die
gemischten Fluide fließen dann aufwärts an dem elektrischen
Pumpenmotor 11 vorbei, um diesen zu kühlen, und sie treten dann in
den Pumpeneinlaß 37 ein zwecks Pumpens zur Oberfläche durch den
Förderstrang 17 hindurch.
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Vorteilhaft kann genügend Wasser 32 anfänglich
zugeführt werden derart, daß die elektrische Tauchpumpe 13
gestartet werden kann mit einem Wasseranteil von 100 % bzw. mit 100 %
Wasser.
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Das Mischen des hochviskosen Rohöls 27 mit dem
zusätzlichen Einspritzwasser 32 hat mehrere beträchtliche
Vorteile. Die tatsächliche Viskosität des Öls selbst bleibt
selbstverständlich unverändert. Jedoch wird die "wirksame" Viskosität
des zu pumpenden Fluids beträchtlich verringert, wenn genügend
Wasser verwendet wird, um eine wirksame wasserbenetzte Emulsion
zu erzeugen. In einem solchen Fall schniiert das Wasser die
Pumpe, und die Pumpenlaufräder sehen im wesentlichen Wasser und
nicht das darin suspendierte oder emulgierte Öl. Die Belastung
an der Pumpe ist auf diese Weise sehr beträchtlich verringert,
weil sie nicht den beträchtlichen Zug bzw. die beträchtliche
Schleppe eines hochviskosen Rohöls zu überwinden hat. Bei der
bevorzugten Ausführungsform ist ein Wasseranteil von etwa 55 %
oder mehr als hochwirksam und als im wesentlichen unabhängig
von der Viskosität des geförderten besonderen Rohöls 27
gefunden worden. Der Pumpenenergieverbrauch ist auf diese Weise
beträchtlich verringert, die Pumpenwirksamkeit ist demgemäß
verbessert, die Erwärmung der Pumpe und die Anforderungen zum
Kühlen der Pumpe sind entsprechend verringert, und eine viskose
Schleppe bzw. der Strömungswiderstand der Fluide, welche durch
den Förderstrang 17 zur Oberfläche fließen, ist ebenfalls in
sehr großem Ausmaß verringert.
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Als ein Beispiel der Wirksamkeit der vorliegenden
Erfindung ist sie erfolgreich verwendet worden, um bei
wirtschaftlich annehmbaren Nettoraten und Kosten, im Durchschnitt
35 m³ Öl je Tag aus einem Bohrloch zu fördern, welches zuvor
während eineinhalb Jahren geschlossen war. Tatsächlich wurde
das Bohrloch geschlossen als Folge der ungünstigen
Wirtschaftlichkeit des Förderns des hochviskosen Rohöls in dem Bohrloch.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei etwa 50 bis 200
m³ Wasser je Tag (58 % - 84 % zugemischter Wasseranteil)
injiziert wurden, ist das Bohrloch nunmehr wirtschaftlich
erfolgreich.
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Wie daher ersichtlich ist, hat die vorliegende
Erfindung zahlreiche Vorteile. Durch das Einführen eines
zweckentsprechenden Fluids von der Oberfläche in das
Produktionsbohrloch werden die schädlichen Wirkungen des viskosen Öls auf die
Leistung einer elektrischen Tauchpumpe wesentlich verringert.
Ein Seitenstrang für Einspritzwasser ist zusammen mit einer
modifizierten Motorabschirmung vorgesehen, um ein homogenes
Gemisch aus in Wasser dispergiertem Öl zu erzeugen, dieses in den
Pumpeneinlaß einzuführen, und weiterhin zu bewirken, daß es
entlang der Außenseite des Motors wandert, um verbesserte
Motorkühlung zu erleichtern. Schädliche Wirkungen von viskosen
Rohölen auf die elektrische Tauchpumpe sind auf diese Weise
verringert, und die Lebensdauer des Elektromotors für die
Tauchpumpe ist dementsprechend verlängert. Die Lebensdauer des
Pumpenmotors ist weiter verlängert als Folge seiner
verbesserten Kühlung. Der Rückdruck auf die Pumpe ist verringert und
Rohrleitungsreibungsverluste während der Förderung werden
ebenfalls verringert. Zusätzlich ermöglicht die Erfindung eine
positive bzw. zwangsläufige Steuerung des erzeugten oder
geförderten Wasseranteils. Weiterhin kann die Pumpenwahl mit
größerer Genauigkeit ausgeführt werden und ohne die Notwendigkeit
für große Viskositätskorrekturfaktoren. Weiterhin kann das
Einspritzwasser 32 für gesteuerte Zugabe von Chemikalien verwendet
werden, beispielsweise von solchen zum Verhindern von
Anlagerungen wie Kesselstein, Steuerung oder Kontrolle von Korrosion,
und/oder für weitere Viskositätsverringerung.