DE60004506T2

DE60004506T2 - Bohrlochwerkzeug zur steuerung von flüssigkeitsströmungen in einem bohrloch

Info

Publication number: DE60004506T2
Application number: DE60004506T
Authority: DE
Inventors: Josephus Johannis DEN BOER; Astrid Hartwijk; Gerald Sommerauer; Foreman John STEWART
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: ID30403A; OA11878A; EP1171684B1; EA003112B1; EP1171684A1; CN1349586A; EA200101145A1; BR0010101A; CN1222679C; DE60004506D1; AU760852B2; AR023790A1; AU5212300A; CA2370159A1; ATE247220T1; WO2000066880A1; NZ514724A; EG22755A; GC0000131A; CA2370159C

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrlochvorrichtung zur Steuerung eines Flüssigkeitsstromes durch ein Kohlenwasserstofffluid-Förderbohrloch.
Es existieren viele Vorrichtungen zur Steuerung des Fluidstromes in Bohrlöchern. Diese Vorrichtungen umfassen im allgemeinen einen Ventilkörper, der einen Fluiddurchgang in Abhängigkeit von der Betätigung des Ventilkörpers durch einen elektrischen oder hydraulischen Motor öffnet oder schließt.
Da der Fluiddruck und die Druckunterschiede über das Bohrlochventil im allgemeinen hoch sind, sind leistungsstarke elektrische oder hydraulische Motoren erforderlich, die einen beträchtlichen Platz in dem im allgemeinen engen Bohrloch und den Einsatz von hoher Leistung und hoher Spannung oder hohem Druck von elektrischen oder hydraulischen Energieversorgungsleitungen erfordern.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Steuerung des Fluids in einem Bohrloch für die Anwendung in einem Kohlenwasserstoff-Förderbohrloch zu schaffen, die kompakt ist und ohne eine hohe Spannung oder Hochdruck-Energieversorgungsleitungen betrieben werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Bohrlochvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt eine verformbare Kammer, die ein stimuliempfindliches Gel enthält, welches Gel ein Volumen hat, das sich in Abhängigkeit von Variationen eines ausgewählten physikalischen Stimulationsparameters verändert, und einen Fluiddurchgang aufweist, der in Abhängigkeit von einer Vergrößerung des Volumens zumindest ei nes Teiles des Gels in der verformbaren Kammer abgeschlossen wird.
Vorzugsweise ist das Gel ein auf ein elektromagnetisches Feld ansprechendes Gel, das Wasser freisetzt, wenn ein elektromagnetisches Feld einer bestimmten Feldstärke an das Gel angelegt wird, und das Wasser bei Abwesenheit eines elektromagnetischen Feldes absorbiert, wobei die Vorrichtung mit einem elektromagnetischen Feldtransmitter ausgerüstet ist, der dazu vorgesehen ist, ein elektromagnetisches Feld einer ausgewählten Feldstärke an das Gel anzulegen.
Geeignete auf elektromagnetische Felder ansprechende Gels sind Polyacrylamid-Gels und Polymethylacrylsäure-Gels. Auf elektromagnetische Felder ansprechende Gels dieser Art sind durch das US-Patent Nr. 5,100,933, die internationale Patentanmeldung WO 9202005 und das japanische Patent Nr. 2711119 bekannt geworden. Diese vorbekannten Druckschriften offenbaren, daß auf elektromagnetische Felder ansprechende Gels für verschiedene Anwendungen verwendet werden können, wie z. B. Mikrokapseln von Farbstoffen oder Medikamenten, mechanisch-chemische Speicher oder Schalter, Sensoren, Stellorgane, Meßwertaufnehmer, Speicher, gesteuerte Freigabesysteme und selektive Pumpen.
Die bekannten Anwendungen sind auf Oberflächenausrüstungen und Anwendungen in relativ kleinen mechanischen Baugruppen, die in einer kontrollierten Umgebung betrieben werden, beschränkt.
Die Anmelderin hat jedoch überraschenderweise entdeckt, daß solche Gels bei einer Bohrungs-Strömungssteuerungsvorrichtung angewendet werden können, die bei hohen Drücken und Temperaturen in einem Bohrloch betrieben wird. Die Gels können durch ein elektromagnetisches Feld zwischen 0,5 und 50 Volt pro cm Länge der verformbaren Kammer aktiviert werden, so daß die erforderliche Energie im Vergleich zu mechanischen Ventilen klein ist und leicht durch eine Bohrlochbatterie, Leistungszelle, Generator erzeugt und/oder über die Wand der Bohrlochverrohrung übertragen werden kann.
Es wird bevorzugt, daß das Gel in einem flexiblen Balg enthalten ist, der den Fluiddurchgang in Abhängigkeit von einer Volumsvergrößerung zumindest eines Teiles des Gels in der Kammer abdichtet.
Geeigneterweise weist der flexible Balg eine toroidförmige Gestalt auf und umgibt eine Öffnung in einem Förderrohr in dem Einstrombereich einer Öl- und bzw. oder Gasförderbohrung, wobei das Gel in dem flexiblen Balg zum Schwellen angeregt wird, so daß der Balg die Öffnung in Abhängigkeit von der Erfassung des Einströmens von Wasser in das Bohrloch über die Öffnung abdichtet.
Alternativ kann der flexible Balg eine toroidförmige Gestalt aufweisen und in einem ringförmigen Raum zwischen zwei koaxialen Förderverrohrungsabschnitten angeordnet sein, von denen die Wände nahe einem Ende des ringförmigen Raumes perforiert sind, derart, daß die Perforationen in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Volumens zumindest eines Teiles des Gelkörpers innerhalb des Balges abgeschlossen sind, wobei die Perforationen in Abhängigkeit von einer Verminderung des Volumens zumindest eines Teiles des Gelkörpers innerhalb des Balges offen sind.
Es sei bemerkt, daß die internationale Patentanmeldung WO 97/0330 eine Bohrzusammensetzung offenbart, die Nicht-Polyampholyt-Polymere und Gels einschließt, die ihren Hydratationszustand in Abhängigkeit von Umgebungsauslösern ändern.
Die bekannte Bohrzusammensetzung blockiert selektiv die Poren eines Stratums, das das Bohrloch umgibt und bezieht sich daher auf die Behandlung eines Stratums außerhalb des Bohrloches im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, die sich auf eine Bohrloch-Strömungssteuerungsvorrichtung bezieht, die innerhalb des Bohrloches angeordnet ist.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigen:
1A eine Vorichtung gemäß der Erfindung mit einem mit Gel gefüllten Balg in der Offenstellung;
1B die Vorrichtung nach 1A, bei der der mit Gel gefüllte Balg den Fluiddurchgang abschließt;
2A eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Offenstellung;
2B die Vorrichtung nach 2A in der Schließstellung;
3A eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Offenstellung;
3B eine Vorrichtung gemäß 3A in der Schließstellung;
Die 4A und 4B eine schematisch Draufsicht und dreidimensionale Ansicht von geringfügigen Modifikationen der Vorrichtung nach den 3A und 3B;
5 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung entsprechend den 4A und 4B in einem Bohrlochrohr; und
6 eine dreidimensionale Ansicht des Bohrlochrohres der 5, bei der eine Vielzahl von Vorrichtungen gemäß der Erfindung eingebettet sind.
Es wird nun auf die 1A und 1B Bezug genommen, in denen ein Öl- und bzw. oder Gas-Förderbohrloch 1 dargestellt ist, das eine Öl und bzw. oder Gas enthaltende Formation 2 durchsetzt.
Eine Bohrungsverrohrung 3 bildet eine Auskleidung der Förderbohrung, und Perforationen 10 in der Verrohrung 3 erlauben, daß Öl und/oder Gas aus der umgebenden Formation in das Förderbohrloch 1 fließen.
Eine Muffe 4 ist innerhalb der Bohrungsverrohrung 3 mittels eines Paares von aufblasbaren Dichtungsstücken 5 beweglich gehalten.
Die Muffe 4 weist einen ringförmigen Raum 6 auf, der zwischen einer inneren und äußeren Wand 7 und 8 der Muffe 4 ausgebildet ist, und in der rechten Seite der Zeichnung des ringförmigen Raumes 6 weisen sowohl die inneren als auch die äußeren Wände der Muffe Perforationen 9 auf.
Ein mit Gel gefüllter Balg 11 ist in dem ringförmigen Raum 6 angeordnet. Der Balg 11 umfaßt zwei Segmente 11A und 11B, die durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 12 ist für Wasser durchlässig, aber undurchlässig für das auf ein elektromagnetisches Feld ansprechende Gel in dem Balg 11.
Die Muffe 4 ist mit einer wiederaufladbaren Batterie 14 und einem elektrischen Energieempfänger und/oder Transmitterbaugruppe 15 ausgestattet, die so ausgebildet ist, daß ein elek trisches Feld entweder auf das erste oder das zweite Segment 11 oder 11B des Balges angelegt wird.
In 1A wird das elektromagnetische Feld auf das erste Segment 11A angelegt und Wasser aus dem Gel 13, das in diesem enthalten ist, durch die Trennwand 12 hindurch in das zweite Segment 11B ausgetrieben, in dem das Gel 13 Wasser absorbiert. Als Ergebnis wird der Balg 11 nach der rechten Seite der Zeichnung gedrückt und schließt die Perforationen 9 ab, so daß das Einströmen eines Fluids in das Innere der Muffe 4 verhindert wird. Druckausgleichsleitungen 17 erlauben eine freie Bewegung des Balgsegmentes 11A und 11B durch den ringförmigen Raum 6.
In 1B wird das elektromagnetische Feld an das zweite Segment 11B angelegt und daher Wasser von dem Gel 13, das in diesem enthalten ist, ausgetrieben und in das erste Segment 11A eingebracht, so daß sich der Balg nach links bewegt und es ermöglicht, daß das Förderfluid über die Perforationen 9 und 10 aus der Formation 2 in das Förderbohrloch 1 fließt.
2 zeigt eine Vorrichtung, die im wesentlichen ähnlich jener nach 1 ist, und in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, mit der Ausnahme, daß in dem Balg zwei wasserpermeable Trennwände 12A und 12B angeordnet sind, zwischen denen ein Körper von freiem Wasser 16 vorhanden ist, um eine leichte Strömung zwischen den Segmenten 11A und 11B zu ermöglichen.
2A zeigt die Vorrichtung in der Offenstellung und 2B in der Schließstellung.
Es wird nun auf die 3A und 3B Bezug genommen, in denen eine andere Ausführungsform einer Bohrloch-Fluidsteuervorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist, die, wie in 6 dargestellt ist, in einer Öffnung der Bohrlochverrohrung eingebettet sein kann.
3A zeigt eine Vorrichtung 30 in der Offenstellung, so daß es dem Fluid möglich ist, in das Förderbohrloch zu fließen, wie durch den Pfeil 31 dargestellt ist.
Die Vorrichtung 30 umfaßt ein scheibenförmiges Gehäuse 32, in dem ein scheibenförmiger Hohlraum 33 vorhanden ist.
Ein toroidförmiger Balg 34 ist in dem Gehäuse 32 angeordnet, derart, daß eine zentrale Öffnung 33 in dem Balg 34 mit einem zentralen Fluiddurchgang 36 in dem Gehäuse 32 fluchtet. Ein Sandsieb 31 ist am Einlaß des Fluiddurchganges 36 angeordnet, um das Einströmen von Sand und anderen festen Partikel in die Förderbohrung zu verhindern.
Der Balg 34 ist von einem toroidförmigen Körper aus Schaum 38 umgeben, dessen Poren mit Wasser gefüllt sind. Der Schaum enthält auch Zellen oder Körner, die mit einem expandierbaren Gas gefüllt sind. Der Balg 34 ist mit einem auf ein elektromagnetisches Feld ansprechendes Gel 39 gefüllt und weist eine zylindrische Außenwand 40 auf, die für Wasser durchlässig, aber für das Gel 39 undurchlässig ist.
Eine elektrische Spule 41 ist in dem Körper aus Schaum 38 eingebettet. Die Spule 41 bildet einen Teil eines elektrischen Kreises 42, der einen elektrischen Schalter 43 und eine elektrische Versorgung 44 in Form einer in situ wiederaufladbaren Batterie umfaßt. Die Batterie kann durch einen Durchfluß eines elektrischen Niederspannungsstromes durch die Wand der Bohrungsverrohrung und/oder durch einen Bohrloch-Leistungsgenerator (nicht dargestellt) versorgt werden, der durch ein kleines Flügelrad oder eine Turbine angetrieben ist, das bzw. die selbst durch den Fluidstrom gedreht wird, der durch das Bohrloch strömt.
In 3A ist der Schalter 43 offen, so daß kein elektrischer Strom durch die Spule 41 fließt. Daraus ergibt sich, daß kein elektromagnetisches Feld an das Gel 39 angelegt wird und das Gel Wasser freigibt, das durch die wasserpermeable äußere Wand 40 des Balgs 34 sickert und von dem Schaum 38 absorbiert wird. Dies verursacht ein Schrumpfen des Gels 38, so daß sich der Balg 34 in Richtung der zylindrischen äußeren Wand 40 desselben zusammenzieht und eine zentrale Öffnung 35 entsteht, durch die das Fluid in das Förderbohrloch fließen kann, wie dies durch den Pfeil 31 angezeigt ist.
In 3B ist der Schalter 43 geschlossen, so daß die elektromagnetische Spule 41 ein elektromagnetisches Feld in dem Gel 39 induziert. Daraus ergibt sich, daß das Gel 39 Wasser aus dem Schaum 38 über die zylindrische äußere Wand 40 des Balges 34 absorbieren wird. Dies bedingt, daß das Gel 39 aufquillt, so daß sich der Balg 34 ausdehnt und dadurch den zentralen Fluiddurchgang 36 abschließt.
Der Schalter 43 kann mit einem Bohrlochsensor (nicht dargestellt) verbunden sein, der den Schalter schließt, wenn ein Einströmen von Wasser durch die Vorrichtung erfaßt wird. Der Sensor kann auch Teil einer Sensor-Baugruppe sein, die einen Bereich von Parametern aufzeichnet und die mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, die programmiert ist, um die Förderung von Kohlenwasserstofffluiden aus der Lagerstätte zu optimieren.
4A und 4B zeigen eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher das Gehäuse 50 eine rechteckige oder elliptische Form aufweist. Wie in 4A dargestellt, kann in diesem Fall der mit Gel gefüllte Balg 51 von einem Paar von Körpern aus mit Wasser gefülltem Schaum 52 durch ein Paar von wasserpermeablen Trennwänden 53 separiert sein. Der zylindrische Fluiddurchgang kann eine zylindrische oder elliptische Form haben und enthält ein Sandsieb 54, wobei die elektrische Spule (nicht dargestellt) in dem Gehäuse 50 eingebettet ist.
5 zeigt eine Querschnittsansicht der Vorrichtung nach den 4A und 4B, welche in der Wand der Bohrlochverrohrung 55 eingebettet ist. 6 ist eine dreidimensionale Ansicht der Bohrlochverrohrung 55 nach 5, bei der ein Paar von Einströmsteuerungsvorrichtungen, wie sie in den 4A, 4B und 5 dargestellt sind, eingebettet sind.
Die Gehäuse 50 der Vorrichtungen, die in 6 dargestellt sind, sind in bezug auf die Bohrlochverrohrung in Längsrichtung ausgerichtet, um es zu ermöglichen, daß die Gehäuse 50 eine im wesentlichen flache Form aufweisen, wodurch der Herstellungsprozeß vereinfacht wird.
Es ist verständlich, daß der mit Gel gefüllte Balg eine wasserpermeable Wand aufweisen kann, die in Kontakt mit den Bohrlochfluiden steht, und die es ermöglicht, daß das Gel Wasser aus und in die Bohrlochfluide absorbiert und freigibt. In einem solchen Fall sollte die Wand des Balges für Wasser permeabel sein, aber undurchlässig für das Gel und das geförderte Öl und/oder Gas.
Es ist ebenso verständlich, daß das auf das elektromagnetische Feld ansprechende Gel durch ein anderes auf Stimuli ansprechendes Gel ersetzt werden kann, wie ein auf Temperatur ansprechendes Gel, und daß der Balg durch eine andere verformbare Kammer ersetzt werden kann, wie eine zylindrische Kammer, in der das Gel einen Kolben veranlaßt, sich in Abhängigkeit von Änderungen des Volumens des Gels nach oben und unten zu bewegen.

Claims

Bohrlochvorrichtung zur Steuerung des Stromes von Fluiden durch ein Kohlenwasserstofffluid-Förderbohrloch, wobei die Vorrichtung eine verformbare Kammer aufweist, die ein auf Stimuli ansprechendes Gel (13) enthält, welches Gel ein Volumen hat, das sich in Abhängigkeit von Veränderungen eines ausgewählten physikalischen Stimulationsparameters verändert, und die Vorrichtung weiter einen Fluiddurchgang (9) aufweist, der in Abhängigkeit von der Volumenvergrößerung zumindest eines Teiles des Gels und der verformbaren Kammer (11) abgeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gel (13) ein auf ein elektromagnetisches Feld ansprechendes Gel ist, das Wasser freisetzt, wenn ein elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Feldstärke an das Gel (13) angelegt wird und das Wasser bei Abwesenheit eines elektromagnetischen Feldes absorbiert, wobei die Vorrichtung mit einem Transmitter (15) für ein elektromagnetisches Feld ausgerüstet ist, der dazu ausgelegt ist, um ein elektromagnetisches Feld mit einer ausgewählten Feldstärke an das Gel anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher das Gel (13) aus einer Gruppe von Polyacrylamid-Gels und Polymethylacrylsäure-Gels ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gel in einem flexiblen Balg (11) enthalten ist, der den Fluiddurchgang in Abhängigkeit von einer Vergrößerung des Volumens zumindest eines Teiles des Gels in der Kammer (11) abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der flexible Balg (11) eine toroidförmige Gestalt aufweist und eine Öffnung (3, 10) in einer Förderauskleidung (3) im Einströmbereich eines Öl- und/oder Gasförderbohrloches umgibt, wobei das Gel in dem flexiblen Balg (11) zum Quellen angeregt wird, so daß der Balg (11) eine Öffnung in Abhängigkeit von der Erfassung eines Einströmens von Wasser in das Bohrloch, über eine Öffnung abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der flexible Balg (11) eine toroidförmige Gestalt aufweist und in einem ringförmigen Raum zwischen zwei koaxialen Förderverrohrungsabschnitten angeordnet ist, von denen die Wände nahe einem Ende des ringförmigen Raumes perforiert sind, derart, daß die Perforationen in Abhängigkeit von einer Vergrößerung des Volumens zumindest eines Teiles des Gels (13) innerhalb des Balges (11) abgeschlossen werden und die Perforationen in Abhängigkeit von einer Verminderung des Volumens zumindest eines Teiles des Körpers aus Gel innerhalb des Balges offen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der flexible Balg zwei Segmente (11A, 11B) aufweist, die durch mindestens eine Trennwand (12) voneinander getrennt sind, die undurchlässig für das Gel und zumindest temporär permeabel für Wasser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die zumindest eine Trennwand (12) aus einem Material hergestellt ist, das permeabel für Wasser ist, wenn ein elektromagnetisches Feld an der Trennwand angelegt ist, und die undurchlässig ist für Wasser, wenn kein elektromagnetisches Feld an der Trennwand anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher zumindest eine Trennwand (12) zwei Segmente des flexiblen Balges trennt, von denen jeder ein Gel nach den Ansprüchen 2 und 3 um faßt, und die Vorrichtung eine oder mehr elektromagnetische Quellen aufweist, die so ausgebildet sind, daß selektiv ein elektromagnetisches Feld auf eines der Segmente der Kammer und/oder der Trennwand anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der flexible Balg zwei mit Gel gefüllte Segmente aufweist, die durch ein Paar von für das Gel undurchlässige Trennwände (12A, 12B) getrennt sind, die durch ein Zwischensegment der Kammer, das mit Wasser (16) gefüllt ist, getrennt sind.