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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bohrlochsystem mit einem
Hauptbohrloch und mehreren Zweigbohrlöchern, die in einer Erdformation
ausgebildet sind. Ein solches Bohrlochsystem wird im allgemeinen
als Zweigbohrlochsystem oder mehrseitiges Bohrlochsystem bezeichnet.
Es versteht sich, daß im
Kontext der vorliegenden Erfindung der Bohrlochabschnitt, der sich
von der Oberfläche
zu der ersten Bohrlochabzweigung unterhalb der Oberfläche erstreckt,
als Hauptbohrloch bezeichnet wird, und daß die anderen Bohrlochabschnitte
als Zweigbohrlochabschnitte bezeichnet werden. Wenn das Bohrlochsystem
beispielsweise aus einem vertikalen Bohrloch besteht, das sich in
einem Reservoir weg erstreckt, und einem Zweigbohrloch, das sich von
einer Abzweigung des Hauptbohrloches in ein anderes Reservoir erstreckt,
dann wird der Teil des vertikalen Bohrloches unterhalb der Abzweigung
als Zweigbohrloch bezeichnet, und der Teil des vertikalen Bohrloches
oberhalb der Abzweigung als Hauptbohrloch.
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In
konventionellen mehrseitigen Bohrlochsystemen ist versucht worden,
die Fluidförderung durch
ein Förderventil
zu steuern, das am Bohrlochkopf oberhalb des Hauptbohrloches angeordnet
ist. Ein inhärentes
Problem besteht bei der Verwendung eines Förderventils am Bohrlochkopf
darin, daß die selektive
Förderung
aus verschiedenen Reservoirs unmöglich
ist. Ein anderes Problem tritt auf, wenn in einem der Reservoirs
ein höherer
Fluiddruck herrscht als in dem anderen Reservoir, so daß Kohlenwasserstofffluid
aus dem Hochdruckreservoir in das Niederdruckreservoir statt zum
Bohrlochkopf strömt.
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Das
Bohrlochsystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 96/30625
bekannt. Bei dem bekannten System sind Ventile an den Abzweigpunkten eines
mehrseitigen Bohrschachtes angeordnet. Wenn der Fluiddruck in den
verschiedenen Zweigschächten
verschieden ist, müssen
einige der Ventile während
ausgedehnter Zeitspannen in einer halboffenen Position gehalten
werden, was eine starke Abnützung
und Erosion des Ventils bewirkt. Die internationale Patentanmeldung
WO 97/37102 offenbart ein anderes steuerbares Bohrlochventil, das
einer starken Abnützung
unterliegt, wenn das Ventil während einer
langen Zeitspanne im halboffenen Zustand verbleibt.
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Es
ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Bohrlochsystem zu schaffen, welches die Probleme des Standes der Technik
vermeidet.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Bohrlochsystem geschaffen, das in einer Erdformation ausgebildet
ist, die zumindest ein Kohlenwasserstofffluid-Reservoir aufweist,
wobei das Bohrlochsystem ein Hauptbohrloch und mehrere Zweigbohrlöcher umfaßt, welches
Bohrlochsystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gekennzeichnet ist.
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Durch
Anordnung der Förderventile
gemäß der Erfindung
in den Zweigbohrlöchern
wird erreicht, daß die
Strömungsrate
des geförderten
Kohlenwasserstofffluids aus den verschiedenen Zweigbohrlöchern individuell
gesteuert werden kann. Außerdem kann
der Druckabfall über
jedes Förderventil
auf eine Weise gesteuert werden, daß der Druck im Fluidstrom in
dem entsprechenden Zweigbohrloch stromabwärts des Förderventils derart ist, daß die Strömung aus
einem Reservoir in ein anderes Reservoir verhindert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter und an einem Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben,
in denen
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1 schematisch
eine Ausführungsform
eines Förderventils
zeigt, das in einem Bohrlochsystem gemäß der Erfindung angewendet
wird;
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2 schematisch
ein erstes Detail der Ausführungsform
nach 1 zeigt;
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3 schematisch
ein zweites Detail der Ausführungsform
nach 1 zeigt;
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4 schematisch
ein drittes Detail der Ausführungsform
nach 1 zeigt;
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5 schematisch
ein Detail eines alternativen Energieerzeugers zur Verwendung in
einer modifizierten Version der Ausführungsform nach 1 zeigt;
und
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6 schematisch
einen Querschnitt nach der Linie 6-6 in 5 zeigt.
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1 zeigt
ein Förderventil 1,
das innerhalb einer Auskleidung 2 eines Bohrloches (nicht
gezeigt) mittels eines Verriegelungsdornes 4 fix angeordnet ist,
welcher das Förderventil 1 gegen
die Auskleidung 2 abdichtet und welcher befähigt ist,
akustische Signale von der Auskleidung 2 an das Förderventil 1 zu übertragen.
Das Bohrloch bildet eines einer Vielzahl von Bohrlochzweigen eines
verzweigten Bohrlochsystems zur Förderung von Erdgas. Das verzweigte Bohrlochsystem
ist aus einem Hauptbohrloch und mehreren Zweigbohrlöchern gebildet,
wobei sich jedes Zweigbohrloch von dem Hauptbohrloch in ein Erdgasreservoir
erstreckt, wobei die verschiedenen Reservoirs untereinander verschiedene
Fluiddrücke haben.
Das Hauptbohrloch ist mit einer Hauptauskleidung versehen, und jedes
Zweigbohrloch ist mit einer Zweigauskleidung ähnlich der Auskleidung 2 versehen,
wobei jede Zweigauskleidung gegen die Hauptauskleidung abgedichtet
ist und mit dieser in metallischem Kontakt steht.
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Das
Förderventil 1 umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 6,
das mit einem steuerbaren Ventil A, einem Ventilbetätigungsmodul
B und einem Enenergieerzeuger C versehen ist.
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2 zeigt
detaillierter das steuerbare Ventil A, das eine Symmetrieachse 8 hat,
wobei an der Oberseite der Achse 8 das steuerbare Ventil
A in geöffneter
Stellung gezeigt ist, und an der Unterseite der Achse 8 das
steuerbare Ventil in der Schließstellung
gezeigt ist. Das steuerbare Ventil A umfaßt einen Durchflußkanal 10 und
ein Schließelement 12, das
in axialer Richtung relativ zum Durchflußkanal 10 zwischen
einer Offenstellung, in welcher das Schließelement 12 den Durchflußkanal offen
läßt, und
einer Schließstellung,
in welcher das Schließelement 12 den
Durchflußkanal 10 verschließt, beweglich
ist. Zu diesem Zweck ist das Schließelement 12 mit einem kegelstumpfförmigen Oberflächenteil 14 versehen, der
in der Schließstellung
des Schließelementes
in abdichtender Berührung
mit einer entsprechend geformten Sitzfläche 16 steht, welche
den Durchflußkanal 10 umgibt.
Der Durchflußkanal
steht mit zwei Einlaßöffnungen 18 und
einem Auslaß 19 in
Fluidverbindung, wobei die Einlaßöffnungen 18 so ausgebildet sind,
daß diese
allmählich
vom Schließelement 12 bedeckt
werden, wenn das letztere sich aus der Offenstellung in die Schließstellung
bewegt. Ein geschlitztes Rohr 20 ist an einem seiner Enden
mit dem dem Oberflächenteil 14 gegenüberliegenden
Ende des Schließelementes 12 verbunden,
wobei das Rohr 20 an seinem anderen Ende mit einer ringförmigen Schulter 22 versehen
ist. Das Gehäuse
ist im Inneren mit einem Anschlagring 24 versehen, der
so angeordnet ist, daß die
Ringschulter 22 des Rohres 20 den Anschlagring 24 berührt, wenn
sich der kegelstumpfförmige
Oberflächenteil 14 des
Schließelementes 12 nur
in einem sehr kleinen Abstand von der Sitzfläche 16 befindet. Wenn
somit das Schließelement 12 gegen
die Sitzfläche 16 gedrückt wird, übt das Rohr 20 eine
Zugkraft auf das Schließelement 12 aus
und wirkt dadurch als Feder. Eine ringförmige Drossel 26 ist
im Strömungsdurchgang 10 derart
angeordnet, daß das
in das Gehäuse 6 über die
Einlaßöffnungen 18 einströmende Fluid über die
ringförmige
Drossel 26 zum Auslaß 19 strömt. Ein
Verriegelungsring ist mit dem Gehäuse in Gewindeeingriff und verriegelt
die Drossel 26 an ihrem Platz.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 3 ist in dieser detaillierter
der Betätigungsmodul
B gezeigt, der einen elektrischen Schrittmotor 30 mit einer
Antriebswelle 32 aufweist, die mit einem ersten Getrieberad 34 versehen
ist, welches ein zweites Getrieberad 36 antreibt. Eine
rohrförmige
Spindel 38 erstreckt sich in radialer Richtung durch das
zweite Getrieberad 36, wobei die Spindel 38 und
das zweite Getrieberad 36 zusammenwirkende Gewinde (nicht
gezeigt) haben, so daß sich
beim Drehen des zweiten Gewinderades 36 die Spindel 38 in
axialer Richtung bewegt. Ein Führungszapfen 40 ist
in dem Gehäuse durch
eine Fixierscheibe 42 derart fix angeordnet, daß der Führungszapfen
sich in axialer Richtung durch die rohrförmige Spindel 38 erstreckt,
um die Spindel 38 bei ihrer Axialbewegung zu führen. Das von
der Fixierscheibe 42 entfernte Ende der Spindel 38 ist
mit dem Schließelement 12 durch
geeignete Verbindungsmittel (nicht gezeigt) verbunden. Der Betätigungsmodul
B weist ferner ein Steuersystem 44 auf, das mit einer Batterie
(nicht gezeigt) versehen ist, um den Elektromotor und einen Mikroprozessor (nicht
gezeigt) mit einem akustischen Fühler
anzutreiben. Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er die
Arbeitsweise des Schrittmotors in Abhängigkeit von kodierten Akustiksignalen
steuert, die vom akustischen Fühler
empfangen werden. Die verschiedenen Teile der Antriebsanordnung
B sind im Gehäuse 6 über vier
Verriegelungsringe 46a, 46b, 46c und 46d verriegelt.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 4 umfaßt der Energieerzeuger C eine
Turbine mit einem Gehäuseelement 48,
das mit dem rohrförmigen
Gehäuse 6 durch
eine Gewindeverbindung 50 fest verbunden ist. Eine Welle 52 erstreckt
sich konzentrisch durch das Gehäuseelement 48,
wobei die Welle in einem Keramiklager 53 drehbar angeordnet
und mit einem Laufrad 54 versehen ist, das an dem dem Betätigungsmodul
B gegenüberliegenden
Ende der Welle 52 angeordnet ist. Das andere Ende der Welle 52 ist mit
einem Axiallager 56 versehen, das eine Axialbewegung der
Welle 52 relativ zum rohrförmigen Gehäuse 6 verhindert.
Mehrere Magnete 58 sind mit der Welle 52 in regelmäßigen Abständen über den
Umfang der Welle 52 fest verbunden. Eine glasabgedichtete
Spule 60 ist in dem Gehäuseelement 48 fix angeordnet
und erstreckt sich um die Magnete 58. Die Spule ist elektrisch
mit dem Steuersystem derart verbunden, daß die Spule 60 die
Batterie lädt,
wenn die Welle 52 gedreht wird.
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In
den 5 und 6 ist ein alternativer Energieerzeuger 60 zum
Einbau in dem Förderventil von 1 statt
des Energieerzeugers C gezeigt. Der alternative Energieerzeuger 60 bildet
einen fluid-elektrischen Generator mit einem Generatorkörper 62,
der einen äußeren Körperteil 62a und
einen inneren Körperteil 62b aufweist,
der fix im äußeren Körperteil 62a angeordnet
ist. Der äußere Körperteil 62a ist
mit einer Gewindeverbindung 64 zum Einschrauben des Energieerzeugers 60 in
das Gehäuse 6 und mit
einer Fluidkammer 66 mit einem Fluideinlaß 68 und
zwei Fluidauslässen 70, 72 versehen,
die sich in divergierenden Richtungen erstrecken. Ein Magnetoszillator 74 ist
in der Fluidkammer 66 angeordnet, wobei der Oszillator 74 mit
zwei Abstützungen 76 von dreieckiger
Querschnittsform versehen ist, wobei jede Abstützung eine Kante hat, die in
einer Nut (nicht gezeigt) ruht, welche im inneren Körperteil 62b in
einer Weise vorgesehen ist, daß eine
Winkeloszillierung des Oszillators 74 relativ zur Kante
ermöglicht wird.
Somit teilt der Oszillator die Fluidkammer 66 in zwei Fluiddurchgänge 66a, 66b entlang
gegenüberliegender
Seiten des Oszillators 74. Eine Feedbackleitung 79 ermöglicht eine
Fluidverbindung zwischen den Fluiddurchgängen 66a, 66b.
Zwei elektrische Spulen 80, 82 sind im äußeren Körperteil 62a angeordnet,
wobei sich die Spulen um den Magnetoszillator 74 erstrecken
und mit elektrischen Verbindungen (nicht gezeigt) zum Anschluß der Spulen 80, 82 an das
Steuersystem versehen sind, derart, daß die Spulen 80, 82 die
Batterie laden, wenn der Oszillator 74 in der Fluidkammer 66 oszilliert.
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Jedes
der Zweigbohrlöcher
ist mit einem Förderventil ähnlich dem
Förderventil 1 versehen,
außer, daß die Innendurchmesser
der ringförmigen
Drosseln für
die verschiedenen Förderventile
verschieden sind. Die Auswahl der verschiedenen Innendurchmesser
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf den Normalbetrieb des Förderventils 1 erläutert.
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Während des
Normalbetriebes des Ausführungsbeispieles
nach 1 wird Erdgas gleichzeitig aus verschiedenen Reservoirs
gefördert,
wobei für jedes
Reservoir ein Strom des geförderten
Gases über
das entsprechende Zweigbohrloch in das Hauptbohrloch und von dort
zu einer Fördereinrichtung
(nicht gezeigt) an der Oberfläche
strömt.
Somit mischen sich die verschiedenen Ströme im Hauptbohrloch und bilden
einen Hauptstrom des Fördergases.
Die Innendurchmesser der Drosseln 26 der verschiedenen
Förderventile 1 werden
so gewählt,
daß mit
jedem steuerbaren Ventil A im Offenmodus der Gasdruck in den verschiedenen
Strömen
stromabwärts
der entsprechenden Drosseln 26 etwa gleich groß ist. Es
wird dadurch verhindert, daß Gas
aus einem Reservoir unter einem relativ hohen Druck in ein Reservoir
unter relativ niedrigem Druck strömt.
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Solange
es erwünscht
ist, Gas mit einer maximalen Strömungsrate
aus dem Bohrlochsystem zu fördern,
wird jedes steuerbare Ventil A eines entsprechenden Förderventils
1 im Offenmodus gehalten. In diesem Modus strömt das geförderte Gas über die Einlaßöffnungen 18 in
den Strömungsdurchgang 10 mit
maximaler Strömungsrate.
Wenn das Gas entlang des Laufrades 54 strömt, wird
dieses gedreht, was in einer Drehung der Welle 52 und der
Magnete 58 resultiert. Dadurch wird ein elektrischer Strom
in der Spule 60 erzeugt, der über das Steuersystem zur Batterie
strömt
und die Batterie dadurch auflädt.
Da eine kritische Gasströmung
an einer Stelle des Schließelementes 12 nicht
auftritt, sondern statt dessen in der Drossel 26, wird
das Schließelement 12 infolge
der Gasströmung
mit kritischer Strömungsrate entlang
des Schließelementes
keiner erhöhten
Erosion unterworfen.
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Wenn
es erwünscht
ist, die Gasförderung aus
einem oder mehreren der Zweigbohrlöcher zu verringern, wird ein
kodiertes akustisches Signal, das eine Instruktion repräsentiert,
um das Schließelement 12 um
einen bestimmten Abstand in den Strömungsdurchgang 10 zu
bewegen, in der Hauptauskleidung erzeugt. Dies kann beispielsweise
dadurch geschehen, daß ein
metallisches Objekt mit einer bestimmten Sequenz auf die Hauptauskleidung
aufschlägt.
Das akustische Signal wandert über
die Hauptauskleidung, die Zweigauskleidung 2 und den Verriegelungsdorn 4 zu
dem akustischen Fühler,
welcher den Mikroprozessor dazu veranlaßt, den Schrittmotor 30 zu
steuern, um die Antriebswelle 32 in eine vorbestimmte Anzahl
von Umdrehungen zu versetzen, die mit der erforderlichen Bewegung
des Schließelementes übereinstimmt.
Folglich dreht das zweite Getrieberad und bewegt dadurch die Spindel 38 und das
Schließelement 12 um
den gewählten
Abstand in den Strömungsdurchgang 10.
Die Strömungsöffnungen 18 werden
dadurch teilweise bedeckt, so daß das Gas nur mit reduzierter
Strömungsrate über die Einlaßöffnungen 18 zum
Auslaß 19 strömen kann.
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Wenn
es erwünscht
ist, die Gasförderung aus
einem der Zweigbohrlöcher
stillzusetzen, wird die gleiche Prozedur, wie vorstehend zur Verringerung
der Gasförderung
beschrieben, ausgeführt,
mit der Ausnahme, daß das
kodierte akustische Signal nun eine Instruktion repräsentiert,
um das Schließelement 12 gegen
die Sitzfläche 16 des
Gehäuses 6 zu
bewegen. Dadurch wird das Schließelement 12 gegen
die Sitzfläche 16 bewegt,
so daß sich
das steuerbare Ventil A im Schließmodus befindet. In dieser
Position berührt
die Ringschulter 22 des geschlitzten Rohres 20 den
Anschlagring 24, und das Rohr 20 übt eine
Zugkraft auf das Schließelement 12 aus,
die das Schließelement 12 von
der Sitzfläche 16 weg
vorspannt.
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Wenn
es erwünscht
ist, die Verschlußanordnung
in den Offenmodus zurückzubringen,
wird ein kodiertes akustisches Signal, welches eine Instruktion
enthält,
um das Schließelement 12 in
die Offenstellung zu bewegen, in der Hauptauskleidung erzeugt. Die
anfängliche
Bewegung des Schließelementes 12 aus
der Schließstellung
in die Offenstellung wird durch die Zugkraft aus dem geschlitzten Rohr 20 begünstigt.
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Der
Normalbetrieb der modifizierten Version der Ausführungsform nach 1 ist ähnlich dem Normalbetrieb
der Ausführungsform
nach 1, außer,
daß elektrischer
Strom durch einen alternativen Energieerzeuger 60 statt
eines Energieerzeugers C erzeugt wird. Gas, welches in die Fluidkammer 66 über den
Fluideinlaß 68 einströmt, strömt durch
die Fluiddurchgänge 66a, 66b entlang
des Oszillators 74 und weiter durch die Fluidauslässe 70, 72.
Die Feedbackleitung 79 bewirkt einen Coandaeffekt in den Fluiddurchgängen 66a, 66b,
wodurch eine abwechselnde Gasströmung
in die Auslässe 70, 72 bewirkt wird.
Dadurch tritt eine Winkeloszillation des Magnetoszillators 74 um
die Stützränder der
Abstützungen 76 auf.
Ein elektrischer Strom wird dadurch in den Wicklungen 80, 82 erzeugt,
der über
das Steuersystem zur Batterie strömt und damit die Batterie auflädt.