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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Steigern der Produktivität
von Erdgasbohrungen und insbesondere von Erdgasbohrungen, die empfindlich
gegenüber
einer hydraulischen Belastung sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Erdgas
wird üblicherweise
in unterirdischen geologischen Formationen gefunden, wie beispielsweise
Ablagerungen von granularem Material (beispielsweise Sand oder Kies)
oder porösem
Gestein. Die Förderung
von Erdgas aus diesen Formationsarten umfasst üblicherweise das Bohren eines
Bohrlochs einer gewünschten
Tiefe in die Formation, das Installieren einer Verrohrung bzw. eines
Mantelrohrs in dem Bohrloch (um das Bohrloch von einer Verprielung
oder einem Zusammenbruch freizuhalten), Perforieren der Verrohrung
in der Förderungszone,
d. h. dem Abschnitt der Bohrung, welcher die gasführende Formation
durchdringt, so dass Gas in die Verrohrung bzw. in das Mantelrohr
einfließen
kann, und Installieren eines Steigrohrs innerhalb der Verrohrung hinab
in die Förderungszone.
Gas kann dann durch eine Förderungskammer
an die Oberfläche
strömen, bei
welcher es sich entweder um das Steigrohr oder um den Ring zwischen
dem Steigrohr und dem Mantelrohr handeln kann.
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Üblicherweise
sind Formationsflüssigkeiten, einschließlich Wasser, Öl und/oder
Kohlenwasserstoffkondensate, mit Erdgas in einem unterirdischen Reservoir
vorhanden. Aus Gründen,
die nachfolgend detaillierter beschrieben werden, müssen diese
Flüssigkeiten
mit dem Gas nach oben befördert
werden. Damit dies stattfinden kann, muss eine der folgenden Strömungsarten
bei der Bohrung vorhanden sein:
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Druck-induzierte Strömung
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Bei
einer Druck-induzierten Strömungsart
ist der Formationsdruck (d. h. der Druck der in die Bohrung fließenden Flüs sigkeiten)
größer als
der hydrostatische Druck der Fluidsäule (Gas und Flüssigkeiten)
in der Förderungskammer.
Mit anderen Worten, der Formationsdruck ist ausreichend, um die
Flüssigkeiten
mit dem Gas nach oben zu befördern.
Eine Druck-induzierte
Strömung
tritt bei Bohrungen auf, die aus Reservoiren fördern, die einen sich nicht
verminderten Druck aufweisen, d. h. wo der Reservoirdruck hoch genug
ist, dass eine Förderung
aus dem Reservoir nicht zu einem signifikanten Abfalls des Formationsdruckes
führt.
Diese Strömungsart
ist üblich
bei Reservoirs unter fließendem
Wasser oder bei solchen mit einem eine Druckunterstützung bereitstellenden
aktiven Wasserdruck. Herkömmliche Technologie
zum Nachobenbefördern
von Gas kann verwendet werden, um die Strömung bei einer Druck-induzierten
Strömungsart
zu verbessern, indem das hydrostatische Gewicht der Gesamtfluide
in der Förderungskammer
verringert wird. Die Druck-induzierte Strömungsart kommt üblicherweise
bei solchen Bohrungen vor, die primär ölfördernde Bohrungen sind, und
kommt selten bei primär
gasfördernden Bohrungen
vor.
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Geschwindigkeits-induzierte Strömungsart
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Diese
Strömungsart
tritt bei Gasreservoiren auf, die einen nachlassenden Druck aufweisen,
und ist üblich
bei den meisten Gasreservoiren und bei sämtlichen Reservoiren mit Gasentlösungsdruck.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Geschwindigkeits-induzierte
Strömung,
von welcher eine allgemeine Beschreibung folgt.
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Um
die Gesamtvolumen und -geschwindigkeiten der Gasgewinnung aus einem
Gasreservoir zu optimieren, sollte der Strömungsdruck am Bohrlochfuß so gering
wie möglich
gehalten werden. Der theoretisch ideale Fall wäre es, einen negativen Bohrlochfuß-Strömungsdruck
zu haben, um eine hundertprozentige Gasgewinnung aus dem Reservoir
zu vereinfachen, was zu einem Reservoir-Enddruck von 0 führt.
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Wenn
Erdgas in einer Bohrung bzw. einem Bohrloch nach oben strömt, neigen
Formationsflüssigkeiten
dazu, in dem Gasstrom mitgeführt
zu werden, und zwar in der Form von kleinen Tröpf chen. Solange das Gas bei
oder über
einer kritischen Geschwindigkeit strömt (oder „VCR" – wobei dieser Wert von verschiedenen
bohrungsspezifischen Faktoren abhängt), werden die Tröpfchen mit
dem Gas zu dem Bohrlochkopf befördert,
wo die Gas-Flüssigkeitsmischung
mit bekannter Ausrüstung
und Verfahren getrennt werden kann. In dieser Situation stellt die
Gasgeschwindigkeit das Mittel zum Aufwärtsbefördern der Flüssigkeiten
dar, d. h. die Bohrung fördert
Gas durch eine Geschwindigkeits-induzierte Strömung.
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Die
Formationsdrücke
in jungfräulichen
Erdgasreservoirs neigen dazu, relativ hoch zu sein. Daher steigt
das Gas nach einer anfänglichen
Fertigstellung einer Bohrung üblicherweise
durch die Geschwindigkeits-induzierte Strömung an die Oberfläche, vorausgesetzt,
dass die Charakteristika des Reservoirs und des Bohrlochs geeignet
sind, eine stabile Strömung
bereitzustellen (d. h., dass die Gasgeschwindigkeit bei sämtlichen
Orten in der Förderungskammer
gleich oder größer als
die kritische Geschwindigkeit, VCR, ist – mit anderen
Worten, der Geschwindigkeits-induzierten Strömung).
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Wenn
Bohrungen jedoch in das Reservoir eindringen und Gasreserven entfernt
werden, fällt der
Formationsdruck kontinuierlich und unvermeidbar auf ein Level, welches
zu gering ist, Gasgeschwindigkeiten zu induzieren, die hoch genug
sind, eine stabile Strömung
beizubehalten. Daher werden alle von Reservoirs mit nachlassendem
Formationsdruck fördernde
Gasbohrungen schließlich
instabil. Sobald die Gasgeschwindigkeit zum Nachobenbefördern von
Flüssigkeiten
zu gering wird, sammeln sich die Flüssigkeiten in dem Bohrloch,
und die Bohrung wird „flüssigkeitbeladen". Diese Ansammlung
von Flüssigkeiten
führt zu
gesteigerten Bohrlochfuß-Strömungsdrücken und
verminderten Gasförderungen. Diese
Situation erfordert für
eine fortgesetzte Gasförderung
bei der Bohrung die Verwendung von mechanischen Verfahren und Vorrichtungen,
um die Flüssigkeiten
aus dem Bohrloch zu entfernen und eine stabile Strömung wieder
herzustellen.
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Der
Stand der Technik beschreibt zahlreiche Beispiele von Verfahren
und Ausrüstungen,
die darauf gerichtet sind, die Förderungslebensdauer
von Gasbohrungen zu verlängern,
bei welchen Gasgeschwindigkeiten unzureichend sind, um Gas ohne künstliche
Unterstützung
zu dem Bohrlochkopf zu befördern
und welche daher empfindlich gegenüber einer hydraulischen oder
Flüssigkeits-Belastung sind.
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US-Patent Nr. 3,887,008 (Canfield),
erteilt am 03. Juni 1975, beschreibt einen Jet-Kompressor, welcher
innerhalb des Steigrohrs in einer verrohrten Bohrung installiert
werden kann, wobei der Ring bzw. Ringraum in der Nähe des unteren
Teils des Steigrohrs mit einem Packer versiegelt ist. Der Jet-Kompressor weist
einen Niederdruckzugang auf, der im unteren Bereich des Bohrloches
angeordnet ist, so dass er in Verbindung mit der gasführenden
Schicht ist, durch welche die Bohrung getrieben wurde. Ein abwärts durch
den Ring bzw. den Ringraum injiziertes verdichtetes Gas (bei welchem
es sich um Erdgas handeln kann) tritt durch eine Eintrittsöffnung in
den Jet-Kompressor ein, und zwar über entsprechend angeordnete Öffnungen
in der Verrohrung bzw. dem Mantelrohr. Der Jet-Kompressor weist einen Throat-Abschnitt
auf, der konfiguriert ist, eine Überschallströmung des
sich durch diesen nach oben bewegenden Gases zu induzieren. Das
in den Jet-Kompressor eintretende injizierte Gas wird so innerhalb
des Steigrohrs nach oben beschleunigt, wodurch ein Venturi-Effekt
erzeugt wird, der eine Verminderung des Bohrlochfußdruckes
und damit ein Abziehen (von Flüssigkeiten)
aus der gasführenden
Formation induziert.
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US-Patent Nr. 6,158,508 (Lemetayer
et al.), erteilt am 12. Dezember 2000, beschreibt ein Verfahren
zum Fördern
von Kohlenwasserstoffes aus einem Bohrloch, aufweisend einen Förderstrang,
welcher bei seiner Spitze durch eine Leitung erweitert ist, die mit
einem Ölabgabe-Drosselventil
versehen ist, bei optimierten Intervallen entlang des Förderstrangs
angeordnete Gasinjektionsventile, eine Gasinjektions-Pipeline zum
Injizieren von Gas in den Ringraum, der durch den Förderstrang
und das Mantelrohr definiert ist, welches die Außenwand der Bohrung bildet
(die Injektions-Pipeline ist ausgestattet mit einem Injektionsgas-Drosselventil
bzw. -Choke zum Steuern der Strömungsrate
des injizierten Gases), eine ringraumisolierende Dichtung (oder
Packer) bei seinem unteren Ende und einen Sensor stromauf bzw. vor
dem Injektionsgas-Drosselventil (zum Erfassen der Strömungsrate
des injizierten Gases). Das Verfahren nach Lemetayer wird bei einer
entsprechenden Bohrung unter Verwendung einer Vorrichtung implementiert,
welche einen Controller aufweist, welcher von dem Sensor für die Strömungsrate
des injizierten Gases gelieferte Signale empfängt, und als ein Ölausgabe-Drosselventil
bzw. -Choke und als das Gasinjektions-Drosselventil wirkt. Das Verfahren zum
individuellen Steuern der Bohrung, beginnend bei einem Shut-Down/On-Standby-Status,
besteht aus einem Einwirken auf das Ölausgabe-Drosselventil und
das Injektionsgas-Drosselventil, und zwar in einer vorgegebenen
Sequenz, um einen Minimum-Förderungsmodus
einzustellen. Ausgehend von diesem Minimum-Förderungsmodus umfasst das Verfahren
zum Steuern der Bohrung, um in den Förderungsmodus zu wechseln,
ein Führen
der Stellung des Ölausgabe-Drosselventils zu
einem vorgegebenen Wert und ein Einwirken auf das Gasinjektions-Drosselventil,
um die Strömungsrate
des Injektionsgases auf einen bestimmten Wert zu führen, der in
dem Controller in Form eines Steuerparameters gespeichert ist.
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US-Patent Nr. 5,911,278 (Reitz),
erteilt am 15. Juni 1999, offenbart eine Technik, bei welcher ein Fördersteigrohr
innerhalb eines verkleideten Bohrloches hinab zu der Förderungszone
installiert ist, wobei ein flexibler Steigrohrstrang (oder „Makkaroni-Steigrohr") durch das Fördersteigrohr
nach unten verläuft
und gerade oberhalb des unteren Endes davon endet. Das Mantelrohr
ist in der Förderungszone perforiert.
Das untere Ende des Fördersteigrohres
ist versiegelt und mit einem Einwegventil ausgestattet, das es Fluiden
gestattet, in das Fördersteigrohr
zu strömen.
Es gibt keinen Packer, der den Ringraum zwischen dem Fördersteigrohr
und dem Mantelrohr versiegelt, so dass der Ringraum in direkter
Kommunikation mit der Förderungszone
der Bohrung steht. Bei dem Boden der Bohrung vorhandene Flüssigkeiten
können
sich daher in dem Makkaroni-Steigrohr, dem Ringraum zwischen dem
Makkaroni-Steigrohr und dem Fördersteigrohr
und dem Ringraum zwischen dem Förder steigrohr
und dem Mantelrohr ansammeln. Das Mantelrohr, das Fördersteigrohr
und das Makkaroni-Steigrohr haben separate, mit Ventilen versehene
Verbindungen zu dem Ansaugverteiler bzw. der Ansaugleitung eines
Gaskompressors in der Nähe
des Bohrlochkopfes und zu einer Bohrlochkopf-Förderungspipeline für Formationsflüssigkeiten. Ebenso
haben das Fördersteigrohr
und das Mantelrohr separate, mit Ventilen versehene Verbindungen zu
dem Auslassverteiler bzw. der Auslassleitung des Kompressors.
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In
einer Situation, bei welcher das Mantelrohr, das Fördersteigrohr
und das Makkaroni-Steigrohr alle Ansammlungen von Flüssigkeiten
enthalten, kann die Reitz-Vorrichtung in dem „Kompressions"-Zyklus betrieben
werden. Die verschiedenen Ventile der Vorrichtung werden justiert,
das Fördersteigrohr
zu dem Auslassverteiler zu öffnen
(und es zu dem Ansaugverteiler zu schließen), das Mantelrohr zu dem
Ansaugverteiler zu öffnen
(und es zu dem Auslassverteiler zu schließen), das Makkaroni-Steigrohr von dem
Ansaugverteiler zu trennen und alle drei dieser Komponenten von
der Bohrlochkopf-Förderungsleitung
zu trennen. Der verminderte Druck in dem Ringraum zwischen dem Mantelrohr und
dem Fördersteigrohr
(aufgrund der Ansaugung durch den Kompressor) bewirkt, dass weitere
Formationsflüssigkeiten
durch die Perforationen in das Mantelrohr eintreten. Verdichtetes
Gas strömt
von dem Auslassverteiler in das Fördersteigrohr, was aufgrund
der Gegenwart des Einwegventiles bewirkt, dass die Flüssigkeiten
aus dem Fördersteigrohr
in das Makkaroni-Steigrohr bewegt werden. Zur gleichen Zeit strömt Erdgas
durch den Ringraum zwischen dem Mantelrohr und dem Fördersteigrohr
aufwärts
zu dem Ansaugverteiler des Kompressors.
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Der
Kompressionszyklus des Reitz-Systems wird gefolgt von einem Förderungszyklus
und einem Evakuierungszyklus, welche nach einander durch ausgewählte Anpassungen
der verschiedenen Steuerungsventile der Vorrichtung unter Verwendung
eines beliebigen automatischen Controllers initiiert werden. Diese
zusätzlichen
Zyklen sind detaillierter beschrieben in
US-Patent Nr. 5,911,278 .
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Das
vielleicht gebräuchlichste
Verfahren zum Aufrechterhalten oder Wiederherstellen der Gasförderung
bei Bohrungen, die gegenüber
einer hydrostatischen Belastung empfindlich sind, umfasst die Verwendung
einer Pumpe zum Entfernen von Flüssigkeiten.
Bei der Pumpe kann es sich um eine von einem „Pump Jack" betriebene oszillierende Pumpe handeln,
aber andere bekannte Arten von Pumpen können ebenfalls verwendet werden.
Auf jeden Fall wird die Pumpe verwendet, um angesammelte Flüssigkeiten
durch den Steigrohrstrang zu entfernen, wodurch der hydrostatische
Druck bei dem Boden des Bohrloches vermindert wird. Gemäß den zuvor
beschriebenen Prinzipien induziert dies eine weitere Gasströmung aus
der Formation in die Bohrung und aufwärts durch den Ringraum.
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Die
oberhalb beschriebenen bekannten Technologien haben sich als nützlich erwiesen,
die Förderungsdauer
von Gasbohrungen zu verlängern, die
andernfalls, aufgrund der hydrostatischen Belastung, gegebenenfalls
hätten
aufgegeben werden müssen,
jedoch weisen sie eine Reihe von Nachteilen auf. Beispielsweise
verwendet das Canfield-System einen Untertage angeordneten Jet-Kompressor komplexer
Bauart. Wenn dieser Jet-Kompressor
versagt, muss er von dem Steigrohr geborgen werden und dann repariert
oder ersetzt werden, was in beiden Fällen zu Kosten und einem Produktionsausfall führt. Das
Canfield-System
und das Lemetayer-System erfordern ebenfalls die Verwendung von
Packern bei dem unteren Ende des Steigrohrstrangs.
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Obwohl
das Reitz-System keine speziellen Untertage-Einrichtungen oder Packer wie bei dem Canfield-System
verwendet, erfordert es einen zusätzlichen Steigrohrstrang (d.
h. das Makkaroni-Steigrohr), welches innerhalb des Fördersteigrohrs
verläuft,
und ein Einwegventil bei dem unteren Ende des Fördersteigrohrs. Eine Funktionsstörung des
Einwegventils erfordert eine Entfernung und Ersetzung, was zu Kosten
und einem Produktionsausfall führt.
Weitere Nachteile der Reitz-Vorrichtung
umfassen das Erfordernis einer komplexen Anordnung von Ventilen,
welche die verschiedenen Bohrungskammern mit den Ansaug- und Auslassverteilern bzw.
Leitungen des Kompressors verbinden, und das Bedürfnis eines Controllers zum
Beeinflus sen der Ventile gemäß den verschiedenen
Zyklen des Systems. Es ist ebenfalls wert erwähnt zu werden, dass die Gasförderung
unter Verwendung des Reitz-Systems zyklisch und nicht kontinuierlich
ist.
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Die
Verwendung von Pumpen zum Entfernen von angesammelten Flüssigkeiten
aus Gasbohrungen hat ebenfalls Nachteile, insbesondere einschließlich der
Kosten des Bereitstellens, Installierens und Wartens der Pumpausrüstung. Eine
konventionelle oszillierende Pumpe erfordert ein Pumpgestänge mit
nahezu der gesamten Länge
der Bohrung, und wenn ein Gestängebruch
auftritt, muss eventuell das gesamte Gestänge für eine Reparatur entfernt werden,
was Kosten und den Ausfall der Gasförderung mit sich bringt.
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Ein
alternativer Ansatz zum Entfernen von angesammelten Flüssigkeiten
aus einer Gasbohrung kann eine Injektion von verdichtetem Gas in
die Bohrung umfassen. Gas kann in den Ringraum (oder das Steigohr)
unter einem ausreichend hohen Druck injiziert werden, um die Flüssigkeiten
in dem Steigrohr (oder dem Ring) nach oben und aus der Bohrung zu blasen,
wodurch der hydrostatische Druck bei dem Boden des Bohrloches reduziert
oder beseitigt wird. Es mag intuitiv angenommen werden, dass die
Effizienz einer solchen Gasinjektion mit höheren Injektionsraten und -drücken zunehmen
werde, aber dies ist nicht notwendigerweise richtig. Das Strömen von Gas
innerhalb einer Leitung, wie beispielsweise dem Steigrohr oder dem
Ringraum, in einer Bohrung bewirkt eine „Reibungsbelastung" aufgrund der Reibung
zwischen dem strömenden
Gas und der inneren Oberfläche
der Leitung.
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Eine
Reibungsbelastung innerhalb eines Bohrungsmantelrohrs oder -steigrohrstrangs
hat im Wesentlichen den gleichen Effekt wie der durch die hydrostatische
Belastung verursachte hydrostatische Druck, d. h. sie verstärkt den
Bohrlochfußdruck,
und hindert so die Gasströmung
in die Bohrung. Strömungs-induzierte Reibungskräfte nehmen
mit dem Quadrat der Gasgeschwindigkeit zu, so dass Bemühungen zum
Erhöhen
der Gasförderung
bei „marginalen" Bohrungen durch
Erhöhen
der Gasinjektionsdrücke
und -geschwindigkeiten tatsächlich
kontraproduktiv und nutzlos sein kann. Es ist offensichtlich, dass
sämtliche
vorherigen Versuche zum Erhöhen oder
Wiederherstellen der Gasförderung
unter Verwendung lediglich der Gasinjektion keinen Erfolg hatten,
wahrscheinlich da die nachteiligen Effekte erhöhter Injektionsraten nicht
vollständig
bedacht wurden.
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Aus
den vorgenannten Gründen
gibt es ein Bedürfnis
nach verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zum Ausdehnen der
Förderungsdauer
von Gasbohrungen, die einer hydrostatischen Belastung ausgesetzt
oder gegenüber
dieser empfindlich sind, durch Vermindern der Bohrlochfußdrücke, um
Gasströmungen
in die Bohrung zu erhöhen,
und durch Bereitstellen von Mitteln zum Aufrechterhalten der Gasgeschwindigkeit
in der Bohrung bei oder oberhalb der kritischen Geschwindigkeit,
um eine Ansammlung von Flüssigkeiten
in dem Bohrloch zu verhindern. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis nach
verbesserten Verfahren und Vorrichtungen, welche die Injektion von
verdichtetem Gas in die Bohrung umfassen, ohne jedoch eine exzessive
Reibungsbelastung in der Bohrung zu induzieren. Darüber hinaus
gibt es ein Bedürfnis
nach Verfahren und Vorrichtungen, die in der Lage sind, diese Funktionen
kontinuierlich anstatt zyklisch oder auf einer intermetierenden
Basis ausführen.
Es gibt ferner ein Bedürfnis
nach solchen Verfahren und Vorrichtungen, welche nicht die Installation
von Ventilen, Packern, Kompressoren und anderen Geräten unten
im Bohrloch mit sich bringen, und welche nicht mehr als einen Steigleitungsstrang innerhalb
des Mantelrohrs der Bohrung erfordern. Es gibt ein weiteres Bedürfnis nach
Verfahren und Vorrichtungen, welche nicht eine komplexe Anordnung von
Ventilen und zugehörigen
Leitungen bei dem Bohrkopf erfordern. Die vorliegende Erfindung
ist auf diese Bedürfnisse
gerichtet.
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Kurzfassung der Erfindung
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In
allgemeinen Worten betrifft die vorliegende Erfindung ein System
zum Erhöhen
der Förderung einer
Gasbohrung durch Aufrechterhalten einer Geschwindigkeit-induzierten
Strömungsart
und somit Bereitstellen einer kontinuierlichen Entfernung von Flüssigkeit
aus dem Bohrloch und Verhindern oder Abschwä chen der hydrostatischen Belastung
und Reibungsbelastung der Bohrung. Gemäß dieser Erfindung kann ein
verdichtetes Zusatzgas in eine erste Kammer einer Bohrung injiziert
werden, und zwar derart, wie es notwendig ist, um die gesamte Aufwärts-Gasströmungsrate
in einer zweiten Kammer der Bohrung bei oder oberhalb einer Minimum-Strömungsrate
zu halten, die notwendig ist, um Flüssigkeiten mit der Aufwärts-Gasströmung nach
oben zu befördern.
Ein ummanteltes Bohrloch mit einem Steigrohrstrang kann als zwei
Kammern aufweisend betrachtet werden, nämlich die Bohrung des Steigrohrs
und den Ringraum zwischen der äußeren Oberfläche des
Steigrohrs und dem Mantelrohr. Für
die vorliegenden Zwecke werden diese zwei Kammern ebenfalls bezeichnet
als die Injektionskammer und die Förderungskammer, und zwar abhängig von
der Funktion welcher sie bei bestimmten Ausführungsbeispielen dienen. Wie
es gezeigt werden wird, kann die vorliegende Erfindung ausgeführt werden,
wenn die Injektions- bzw. die Förderungskammer
der Ringraum bzw. die Steigrohrbohrung ist, oder umgekehrt.
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Die
Erfindung stellt eine Gasinjektions-Pipeline bereit, um das Zusatzgas
in eine ausgewählte Bohrungskammer
(d. h. die Injektionskammer) zu injizieren, und stellt ferner ein
Drosselventil (auch bezeichnet als „Choke") zum Steuern der Gasinjektionsrate
und speziell zum Aufrechterhalten einer Gasinjektionsrate, die ausreichend
ist, die Gesamtgasströmungsrate
von in der anderen Bohrungskammer (d. h. die Förderungskammer) hinaufströmendem Gas
bei oder oberhalb eines bestimmten Punktes zu halten, der unter
Bezugnahme auf eine kritische Strömungsrate festgesetzt wurde,
bereit. Genaugenommen ist die kritische Strömungsrate eine bohrungsspezifische
Gasgeschwindigkeit oberhalb welcher Flüssigkeiten nicht aus einem
aufwärts
strömenden
Gasstrom ausfallen. Jedoch kann die kritische Strömungsrate
ebenfalls mit Begriffen eines Volumenstroms basierend auf der kritischen
Gasgeschwindigkeit und dem Querschnitt der Förderungskammer ausgedrückt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die kritische Strömungsrate
für eine
bestimmte Bohrung unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren
oder Formeln bestimmt werden. Zum Zwecke der Steuerung des Betriebes
des Drosselventils wird ein „Sollwert" (d. h. die Minimalrate
des Gesamtgasstromes in der Förderungskammer)
ausgewählt. Der
Sollwert kann der kritischen Strömungsrate
entsprechen, entspricht jedoch üblicherweise
einem höheren
Wert als der kritischen Strömungsrate,
um einen Sicherheitsspielraum zur Verfügung zu stellen. Sobald die
Bohrung auf Förderung
eingestellt ist, wird eine aktuelle Gesamtgasströmungsrate in der Förderungskammer
gemessen. Wenn die gemessene Gesamtgasströmungsrate (ohne Gasinjektion)
bei oder über
dem Sollwert ist, bleibt das Drosselventil geschlossen, und kein
Gas wird in die Bohrung injiziert. Wenn jedoch die gemessene Gesamtgasströmungsrate
unter dem Sollwert ist, wird das Drosselventil geöffnet, so
dass Gas mit einer ausreichenden Rate in die Injektionskammer injiziert
wird, um die Gesamtgasströmungsrate
in der Förderungskammer auf
ein Level bei oder oberhalb des Sollwertes anzuheben.
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Das
Messen der Gasstromungsrate in der Förderungskammer kann unter Verwendung
eines beliebigen Strömungsmessgeräts vorgenommen werden.
Alternativ kann die Messung empirisch auf die Trial-and-Error-Art
durch selektive manuelle Anpassung des Drosselventils vorgenommen
werden.
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Der
Prozess des Messens der Gesamtströmungsrate und des Einstellens
des Drosselventils kann auf einer im Wesentlichen kontinuierlichen
Basis ausgeführt
werden. Alternativ kann er bei ausgewählten Zeitintervallen intermetierend
ausgeführt werden,
und ein Timer kann für
diese Zwecke verwendet werden.
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Wie
oberhalb angedeutet, kann das Drosselventil manuell gesteuert werden,
aber bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Strömungsregler
zum Anpassen des Drosselventils wie erforderlich verwendet. Der
Strömungsregler kann
ein pneumatischer Regler sein. Der Strömungsregler kann auf den wie
zuvor beschrieben bestimmten Sollwert gesetzt werden. Wenn die Gesamtströmungsrate
bei oder geringer als der Sollwert ist, justiert der Strömungsregler
das Drosselventil, um die Injektionsrate zu erhöhen, wie es notwendig ist,
um die Gesamtströmungsrate
auf ein Level oder über
ein Level des Sollwertes zu erhöhen
(d. h., so dass die Aufwärtsgeschwindig keit
des Gases in der Förderungskammer
bei oder oberhalb von VCR ist). Wenn jedoch
die gemessene Gesamtströmungsrate
bei oder über
dem Sollwert ist, gibt es kein Bedürfnis, die Gasinjektionsrate
zu justieren, da die Aufwärtsgeschwindigkeit
des Gases in der Förderungskammer hoch
genug sein sollte, um Flüssigkeiten
mit dem Gasstrom aufwärts
zu befördern,
so dass die Drosselventil-Einstellung nicht justiert werden muss. Wenn
alternativ die Gesamtströmungsrate
signifikant höher
als der Sollwert ist, kann der Strömungsregler das Drosselventil
justieren, um die Gasinjektionsrate zu vermindern, nicht jedoch
so weit, dass die Gesamtströmungsrate
unter oder zu nahe an den Sollwert gerät.
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Bei
einem bestimmten Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist der Strömungsregler
einen Computer mit einem Speicher auf, und der Sollwert kann in
dem Speicher gespeichert werden. In dem Sinne dieser Anmeldung verwendet
umfasst ein Computer beliebige Einrichtungen, die in der Lage sind,
Daten zu verarbeiten, und einen Mikroprozessor umfassen können. Der
Computer ist programmiert und angepasst, automatisch Gesamtströmungsratendaten
von einem Strömungsmessgerät zu empfangen,
die empfangene Gesamtströmungsrate
mit dem Sollwert zu vergleichen, eine Minimum-Gasinjektionsrate
zu bestimmen und dann das Drosselventil zum Erreichen der Minimum-Injektionsrate
zu justieren.
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Entsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Verfahren
zum Fördern
von Erdgas aus einer Bohrung bzw. einem Bohrloch mit einem perforierten
sich in eine unterirdische Förderungszone
in einer Förderungsformation
erstreckenden Mantelrohr, mit einem sich durch die Verrohrung bzw.
das Mantelrohr in die Förderungszone über dem
Boden des Bohrlochs erstreckenden Steigrohr- bzw. -leitungsstrang,
wobei das Mantelrohr einen Ringraum zwischen dem Steigrohr und dem
Mantelrohr definiert, und wobei der Boden sowohl des Ringraums als
auch des Mantelrohrs beide offen sind. Das Verfahren umfasst die
Schritte des Bestimmens einer Mindestgesamtgasströmungsrate für die Bohrung,
des Injizierens eines verdichteten Injektionsgases in eine Injektionskammer,
ausgewählt aus
dem Mantelrohr und dem Steigrohr, um ein Strömen eines Gasstroms aufwärts in eine
Förderungskammer,
ausgewählt
aus dem Mantelrohr und dem Steigrohr (wobei die Förderungskammer
nicht die Injektionskammer ist) zu induzieren, wobei der Gasstrom
eine Mischung des Injektionsgases und des von der Formation durch
die Perforationen des Mantelrohrs in das Bohrloch eintretenden Förderungsgases
aufweist, des Messens der tatsächlichen
Gesamtgasströmungsrate
in der Förderungskammer, des
Vergleichens der gemessenen Gesamtströmungsrate mit der Mindestgesamtströmungsrate, des
Bestimmens der Mindestgasinjektionsrate, die zum Aufrechterhalten
der Gesamtströmungsrate
bei oder über
der Mindestgesamtströmungsrate
notwendig ist, und zwar in Abhängigkeit
davon, ob und wie stark die gemessene Gesamtströmungsrate die Mindestgesamtströmungsrate übersteigt,
und des Anpassens der Gasinjektionsrate an eine Rate nicht geringer
als die Mindestgasinjektionsrate.
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Gemäß einem
anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fördern von
Erdgas aus einer Bohrung mit einem Bohrloch mit einem perforierten
sich in eine unterirdische Förderungszone
in einer Förderungsformation
erstreckenden Mantelrohr, wobei sich ein Steigrohrstrang durch das
Mantelrohr in die Förderungszone über dem
Boden des Bohrloches erstreckt, wobei das Mantelrohr einen Ringraum
zwischen dem Steigrohr und dem Mantelrohr definiert, und wobei der
Boden sowohl des Ringraumes als auch des Mantelrohrs geöffnet sind.
Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Gaskompressor,
eine Ansaugleitung bzw. einen Ansaugverteiler und eine Auslassleitung bzw.
einen Auslassverteiler, eine Upstream-Gasförderungs-Pipeline
mit einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation
mit dem oberen Ende einer Förderungskammer,
ausgewählt
aus dem Steigrohr und dem Ringrohr, und mit einem zweiten Ende in
Fluid-Kommunikation mit der Ansaugleitung des Kompressors, eine
Downstream-Gasförderungs-Pipeline mit
einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit der Auslassleitung,
eine Gasinjektions-Pipeline mit einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit
der Förderungs-Pipeline
bei einem Punkt stromab des bzw. nach dem Kompressor(s) und mit
einem zweiten Ende in Fluid-Kommunikation mit einer Injektionskammer,
ausgewählt
aus dem Steigrohr und dem Ringraum, wobei die Injektionskammer nicht
die Förderungskammer
ist, und einem Drosselventil zum Regulieren des Gassstroms in der
Injektions-Pipeline.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fördern von
Erdgas von einer Bohrung mit einer Bohrung bzw. einem Bohrloch mit
einem sich in eine unterirdische Förderungszone in einer Förderungsformation
erstreckenden Mantelrohr, wobei sich ein Steigrohrstrang durch das
Mantelrohr in die Förderungszone über dem
Boden des Bohrloches erstreckt, und wobei das Mantelrohr einen Ringraum
zwischen dem Steigrohr und dem Mantelrohr definiert, wobei der Boden
des Ringraums und des Mantelrohrs geöffnet sind, und wobei eine
Gasförderungs-Pipeline
in Fluid-Kommunikation mit dem oberen Ende einer Förderungskammer,
ausgewählt
aus dem Steigrohr und dem Ringraum, ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung
umfasst die Vorrichtung eine Gasinjektions-Pipeline mit einem ersten
Ende in Fluid-Kommunikation mit einer Quelle verdichteten Injektionsgases
und mit einem zweiten Ende in Fluid-Kommunikation mit einer Injektionskammer,
ausgewählt
aus dem Steigrohr und dem Ringraum, wobei die Injektionskammer nicht
die Förderungskammer
ist, Gasinjektionsmittel zum Pumpen von Injektionsgas durch die
Injektions-Pipeline in die Injektionskammer und ein der Injektions-Pipeline
zugeordnetes Drosselventil zum Regulieren des Gasstromes in der
Injektions-Pipeline.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung
beim Fördern
von Erdgas aus einer Bohrung mit einem Bohrloch mit einem perforierten
sich in eine unterirdische Förderungszone
in einer Förderungsformation
erstreckenden Mantelrohr, wobei sich ein Steigrohrstrang durch das
Mantelrohr in die Förderungszone über dem
Boden des Bohrloches erstreckt, und wobei das Mantelrohr einen Ringraum
zwischen dem Steigrohr und dem Mantelrohr definiert, wobei die unteren
Enden sowohl des Ringraums als auch des Mantelrohrs beide geöffnet sind
und wobei eine Gasförderungs-Pipeline
in Fluid-Kommunikation mit dem oberen Ende einer Förderungskammer,
ausgewählt aus
dem Steigrohr und dem Ringraum, ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung
umfasst die Vorrichtung eine Gasinjektions-Pipeline mit einem ersten
Ende in Fluid-Kommunikation
mit einer Quelle verdichteten Injektionsgases und mit einem zweiten
Ende in Fluid-Kommunikation mit einer Injektionskammer, ausgewählt aus
dem Steigrohr und dem Ringraum, wobei die Injektionskammer nicht
die Förderungskammer
ist, und ein der Injektions-Pipeline zugeordnetes Drosselventil
zum Regulieren des Gasstroms in der Injektions-Pipeline.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fördern von
Erdgas aus einer Bohrung mit einem Bohrloch mit einem perforierten
sich in eine unterirdische Förderungszone
in einer Förderungsformation
erstreckenden Mantelrohr, wobei sich ein Steigrohrstrang durch das Mantelrohr
in die Förderungszone über dem
Boden des Bohrloches erstreckt und wobei die unteren Enden des Ringraums
und des Mantelrohr geöffnet sind.
Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Gaskompressor
mit einem Ansaugverteiler bzw. einer Ansaugleitung und einer Auslassleitung
bzw. einem Auslassverteiler, eine Upstream-Gasförderungs-Pipeline mit einem
ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit dem oberen Ende einer Förderungskammer,
ausgewählt
aus dem Steigrohr und dem Ringraum, und mit einem zweiten Ende in
Fluid-Kommunikation
mit der Ansaugleitung des Kompressors, eine Downstream-Gasförderungs-Pipeline
mit einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit der Auslassleitung,
eine Hilfs-Pipeline mit
einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit der Förderungs-Pipeline
bei einem Punkt stromauf des bzw. vor dem Kompressor(s) und einem
zweiten Ende in Fluid-Kommunikation mit der Förderungs-Pipeline bei einem
Punkt stromab des bzw. nach dem Kompressor(s), eine Gasinjektions-Pipeline
mit einem ersten Ende in Fluid-Kommunikation mit der Hilfs-Pipeline
und mit einem zweiten Ende in Fluid-Kommunikation mit einer Injektionskammer, ausgewählt aus
dem Steigrohr und dem Ringraum, wobei die Injektionskammer nicht
die Förderungskammer
ist, ein in der Injektions-Pipeline befestigtes Drosselventil zum
Regu lieren des Gasstroms in der Injektions-Pipeline, ein erstes
in der Hilfs-Pipeline zwischen dem Punkt, bei dem die Hilfs-Pipeline mit der
Förderungs-Pipeline
vor dem Kompressors verbunden ist, und dem Punkt, bei dem die Injektions-Pipeline
mit der Hilfs-Pipeline verbunden ist, befestigtes erstes Strömungsventil,
und ein zweites in der Hilfs-Pipeline zwischen dem Punkt, bei dem
die Hilfs-Pipeline mit der Förderungs-Pipeline nach dem Kompressor
verbunden ist, und dem Punkt, bei dem die Injektions-Pipeline mit
der Hilfs-Pipeline verbunden ist, angeordnetes Strömungsventil.
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Bei
verschiedenen Ausführungsbeispielen kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
ferner ein Strömungsmessgerät zum Messen
(entweder direkt oder indirekt) von Gasströmungsraten in der Förderungskammer
sowie einen dem Strömungsmessgerät zugeordneten
Strömungsregler
umfassen, wobei der Strömungsregler
Mittel zum Betreiben des Drosselventils aufweist. Der Strömungsregler
kann pneumatisch betätigt
sein. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
kann der Strömungsregler
einen Computer mit einem Speicher enthalten, und zwar zum Empfangen
von Gasströmungsdaten
von dem Messgerät,
Vergleichen der gemessenen Gasströmungsraten mit der kritischen
Gasströmungsrate
und Bestimmen einer Minimum-Gasinjektionsrate, die zum Aufrechterhalten
der Gesamtgasströmungsrate
in der Förderungskammer
bei oder über
der kritischen Strömungsrate
notwendig ist, und zwar in Abhängigkeit
davon, ob und wie stark die gemessene Gasströmungsrate die kritische Strömungsrate übersteigt.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist
das Injektionsgas rezirkuliertes Gas von der Bohrung. Bei alternativen
Ausführungsbeispielen
kann das Injektionsgas Propan oder ein anderes, aus einer Quelle
wie z. B. einem Vorratstank für
verdichtetes Gas, bereitgestelltes Kohlenwasserstoffgas sein. Das
Injektionsgas kann ferner ein im Wesentlichen intertes Gas wie beispielsweise
Stickstoff sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben,
in welchen nu merische Bezugszeichen entsprechende Teile bezeichnen,
und in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Bohrung zum Fördern von Erdgas gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist, welches ein Fördern
von Gas das Steigrohr aufwärts
und eine Injektion von rezirkuliertem Bohrungsgas in den Ringraum
ermöglicht.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Bohrung, welche Erdgas gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung fördert,
welches das Fördern
von Gas aufwärts
in dem Ringraum und die Injektion von rezirkuliertem Bohrungsgas
in das Steigrohr ermöglicht.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer erdgasfördernden Bohrung gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel,
welches konfiguriert ist, eine Förderung
von Gas aufwärts
in dem Steigrohr und simultan in dem Ringraum zu ermöglichen.
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4 ist
eine schematische Darstellung der erdgasfördernden Bohrung gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 3, welches konfiguriert ist, eine Förderung
von Gas aufwärts
in dem Steigrohr und eine Injektion von rezirkuliertem Bohrungsgas
in den Ringraum zu ermöglichen.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer erdgasfördernden Bohrung gemäß einem
weiteren alternativen Ausführungsbeispiel,
welches konfigurierbar ist, ein Fördern von Gas aufwärts in dem Steigrohr
und gleichzeitig in dem Ringraum oder ein Fördern von Gas aufwärts in dem
Steigrohr und eine Injektion von rezirkuliertem Bohrungsgas in das Steigrohr
zu ermöglichen.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer erdgasfördernden Bohrung gemäß einem
anderen alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches eine Injektion eines Hilfsgases aus einer
anderen Quelle als der Bohrung ermöglicht.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Die
grundlegenden Elemente der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die Figuren verständlich,
wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung
allgemein durch Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Ein
Bohrloch W dringt in eine unterirdische Formation F mit Erdgas (üblicherweise
vermengt mit Wasser und Rohöl
in gewissen Verhältnissen)
ein. Das Bohrloch W ist ausgekleidet mit einem Mantelrohr bzw. einer
Verrohrung 20, welche eine Anzahl von Perforationen aufweist,
die konzeptionell durch kurze Linien 22 innerhalb einer
Förderungszone
veranschaulicht sind (entspricht allgemein dem Abschnitt der Bohrung,
welcher in die Formation F eindringt). Wie es konzeptionell durch
Pfeile 24 gezeigt ist, können Formationsflüssigkeiten
einschließlich
Gas, Öl
und Wasser durch die Perforationen 22 in das Bohrloch einströmen. Ein
Steigrohrstrang bzw. Steigleitungsstrang 30 erstreckt sich
innerhalb des Mantelrohrs 20 und endet bei einem Punkt
in der Förderungszone.
Das untere Ende des Steigrohrs 30 ist offen, so dass Flüssigkeiten
innerhalb des Bohrlochs frei in das Steigrohr 30 eintreten
können.
Ein Ringraum 32 ist zwischen dem Steigrohr 30 und
dem Mantelrohr 20 ausgebildet.
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Wie
zuvor beschrieben können
das Steigrohr 30 und der Ringraum 32 als separate
Kammern der Bohrung bzw. des Bohrlochs W betrachtet werden. Erfindungsgemäß fungiert
eine dieser Kammern als die „Förderungskammer", durch die Gas von
dem Boden des Bohrlochs W zu der Oberfläche gefördert wird, während die
andere Kammer als die „Injektionskammer" fungiert, deren
Zweck und Funktion detaillierter nachfolgend beschrieben ist. Für die Zwecke des
in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels dient das Steigrohr 30 als
die Förderungskammer
und der Ringraum 32 dient als die Injektionskammer, wohingegen
bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
das Steigrohr 30 als die Injektionskammer und der Ringraum 32 als
die Förderungskammer
fungiert. Bei den alternativen, in den 3 und 5 gezeigten
Ausführungsbeispielen (detaillierter
nachfolgend beschrieben) ist es möglich, dass sowohl das Steigrohr 30 als
auch der Ringraum 32 als Förderungskammern fungieren,
wobei es bei derartigen Situationen keine Injektionskammer als solche
gibt.
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Es
sei angemerkt, dass zum Vereinfachen der Zeichnung und des Verständnisses
der Erfindung die Figuren nicht maßstabsgetreu sind. Der Durchmesser
des Mantelrohrs 20 liegt üblicherweise in dem Bereich
von 4,5 bis 7 Inch (11,4 bis 17,8 cm) und der Durchmesser des Steigrohrs 30 liegt üblicherweise
in dem Bereich von 2,375 bis 3,5 Inch (6,0 bis 8,9 cm), während die
Bohrung W üblicherweise
hunderte oder tausende von Fuß in
den Grund eindringt. Es sei ferner angemerkt, dass die Pfeile in
den Figuren die Richtung eines Gasstroms in verschiedenen Komponenten
der Vorrichtung bezeichnen, es sei denn, es ist anderes angedeutet.
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Bei
der in 1 gezeigten Bohrungskonfiguration dient das Steigrohr 30 als
die Förderungskammer
zum Befördern
des Gases aus der Bohrung W zu einer überirdischen Förderungs-Pipeline 40,
welche einen Upstream-Abschnitt 40U und einen Downstream-Abschnitt 40D aufweist.
Das Steigrohr 30 steht in Fluid-Kommunikation mit einem
Ende des Upstream-Abschnitts 40U, und das andere Ende des Upstream-Abschnitts 40U ist
mit der Ansaugleitung bzw. dem Ansaugverteiler 42S eines
Gaskompressors 42 verbunden. Der Downstream-Abschnitt 40D der
Förderungs-Pipeline 40 ist
bei einem Ende mit der Auslassleitung bzw. dem Auslassverteiler 42D des
Kompressors 42 verbunden und setzt sich von dort fort zu
einer (nicht gezeigten) Gasbearbeitungseinrichtung. Eine Gasinjektions-Pipeline 16 zum
Abtrennen von Förderungsgas
aus der Förderungs-Pipeline 40 zur
Injektion in die Injektionskammer (d. h. den Ringraum 32 in 1)
ist bei einem Ende bei einem Punkt X verbunden mit dem Downstream-Abschnitt 40D der
Förderungspipeline 40,
und bei dem anderen Ende mit dem oberen Abschnitt der Injektionskammer.
Ferner ist ein Drosselventil (oder „Choke") 12 bereitgestellt, welches
zum Regulieren des Gasstroms von der Förderungs-Pipeline 40 in
die Injektions-Pipeline 16 und die Injektionskammer betreibbar
ist. Das Drosselventil 12 kann von jedem beliebigen Typ
sein. Bei einem sehr einfachen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
kann es sich bei dem Drosselventil 12 um einen von Hand
betätigten Typ
handeln, welcher manuell zum Erreichen der gewünschten Gasinjektionsraten
justiert werden kann, und zwar unter Verwendung von Trial-und-Error-Verfahren,
wie es notwendig oder angebracht sein kann. Mit Übung kann ein erfahrener Bediener
eine ausreichende praktische Erfahrung entwickeln, um zu bestimmen,
wie das Drosselventil 12 zum Erreichen einer stabilen Gasströmung in
der Förderungskammer justiert
werden muss, ohne tatsächlich
die Minimum-Gasinjektionsrate
oder Strömungsrate
in der Förderungskammer
zu quantifizieren. Wahlweise kann es sich bei dem Drosselventil 12 um
ein automatisches Drosselventil handeln, beispielsweise um ein Kimray® Model
2200 Strömungsregelventil.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch
wird ein Strömungsregler 50 zum
Bedienen des Drosselventils 12 bereitgestellt. Es ist ferner
ein Strömungsmessgerät 14 bereitgestellt,
welches zum Messen der Gesamtgasströmungsrate aufwärts in der
Förderungskammer
angepasst ist, und zum Kommunizieren dieser Informationen an den
Strömungsregler 50.
Der Strömungsregler 50 kann
ein pneumatischer Regler beliebiger Art sein, beispielsweise ein
FisherTM Model 4194 Differenzdruckregler.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
eine kritische Gasströmungsrate
bestimmt. Die kritische Gasströmungsrate,
welche in Begriffen von entweder der Gasgeschwindigkeit oder der
Volumenströmung
ausgedrückt
werden kann, ist ein einer minimalen Geschwindigkeit VCR entsprechender Paramter,
der durch ein in der Förderungskammer aufwärts strömenden Gasstrom
beibehalten werden muss (d. h. in dem Steigrohr 30 in 1),
um Formationsflüssigkeiten
mit dem Gasstrom nach oben zu tragen (d. h. durch Geschwindigkeits-induzierte
Strömung).
Dieser Parameter wird gemäß etablierten Verfahren
und Formeln unter Beachtung einer Vielzahl quantitativ bestimmbarer
Faktoren in Bezug auf die Konstruktion der Bohrung und der Charakteristika der
Formationen, aus welcher die Bohrung fördert, bestimmt. Eine Minimum-Gesamtströmungsrate (oder „Sollwert") wird dann ausgewählt, und
zwar basierend auf der berechneten kritischen Strömungsrate,
und ein Strömungsregler 50 wird
entsprechend eingestellt. Der ausgewählte Sollwert ist vorzugsweise
geringfügig
höher als
die kalkulierte kritische Rate, um einen angemessenen Sicherheitsspielraum
bereitzustellen, aber ebenfalls vorzugsweise nicht signifikant höher als
die kritische Rate, um die Reibungsbelastung in der Förderungskammer
zu minimieren.
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Wenn
die von dem Messgerät 14 gemessene
Gesamtströmungsrate
kleiner als der Sollwert ist, justiert der Strömungsregler 50 das
Drosselventil 12, um die Gasinjektionsrate zu erhöhen, wenn
und falls dies zum Erhöhen
der Gesamtströmungsrate
auf ein Level bei oder oberhalb des Sollwertes notwendig ist. Wenn
die Gesamtströmungsrate
bei oder oberhalb des Sollwertes liegt, gibt es kein Bedürfnis das
Drosselventil 12 zu justieren. Der Strömungsregler 50 kann
derart angepasst sein, dass wenn die Gesamtgasströmung beträchtlich
höher als
der Sollwert ist, der Strömungsregler 50 das
Drosselventil 12 justiert, um die Gasinjektionsrate zu
vermindern und somit die Gasmenge zu minimieren, die durch Injektion
in der Bohrung rezirkuliert wird und die Gasmenge zu maximieren,
die zur Verarbeitung und zum Verkauf verfügbar ist.
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Bei
einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist
der Strömungsregler 50 einen
Computer mit einem Mikroprozessor (konzeptionell veranschaulicht durch
Bezugszeichen 60) und einen Speicher (konzeptionell veranschaulicht
durch Bezugszeichen 62) auf. Der Strömungsregler 50 hat
ferner eine Kommunikationsverbindung mit dem Messgerät (konzeptionell
veranschaulicht durch Bezugszeichen 52) zum Empfangen von
Gasströmungsmesswertdaten
von dem Messgerät 14.
Die Messgerätkommunikationsverbindung 52 kann
eine verdrahtete oder drahtlose elektronische Verbindung und einen
Messwandler aufweisen. Der Strömungsregler 50 weist
ferner eine Drosselventil-Steuerungsverbindung
(konzeptionell veranschaulicht durch Bezugszeichen 54)
zum Kommunizieren eines Steuerungssignals von dem Computer 60 zu
Drosselventil-Steuerungsmittel (nicht gezeigt) auf, welche das Drosselventil 12 gemäß dem Steuerungssignal
von dem Computer betätigen.
Die Drosselventil-Steuerungsverbindung 54 kann
eine mechanische Verbindung aufweisen, und kann eine verdrahtete
oder drahtlose elektronische Verbindung aufweisen.
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Bei
Verwendung dieses Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung wird der Sollwert in dem Speicher 62 gespeichert.
Der Computer 60 empfängt
von dem Messgerät 40 (über die
Messgerätkommunikationssverbindung 52)
ein Signal, welches der gemessenen Gesamtgasströmungsrate in der Förderungskammer
entspricht, und unter Verwendung von in den Computer 60 programmierter
Software wird dieser Wert mit dem Sollwert verglichen. Der Computer 60 berechnet
dann eine Minimum-Injektionsrate, bei welcher Hilfsgas in die Injektionskammer
injiziert werden muss, oder bis zu welcher die Injektionsrate erhöht werden
muss, um die Gesamtströmungsrate
bei oder über
dem Sollwert zu halten. Diese Kalkulation berücksichtigt die aktuelle Gasinjektionsrate
(welche gleich 0 wäre
wenn kein Gas zu dieser Zeit injiziert wird). Wenn die gemessene
Gesamtgasströmung unter
dem Sollwert ist, gibt der Computer über die Drosselventil-Steuerungsverbindung 54 ein
Steuerungssignal an die Drosselventil-Steuerungsmittel, welche wiederum
das Drosselventil 12 zum Liefern von Injektionsgas mit
der kalkulierten Minimum-Injektionsrate
in die Injektions-Pipeline 16, und somit in die Injektionskammer
der Bohrung (d. h. den Ringraum 32 in 1),
justieren. Wenn die gemessene Gesamtgasströmung dem Sollwert entspricht
oder diesen übersteigt,
ist, streng genommen, keine Justierung des Drosselventils 12 notwendig.
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Der
Computer 60 kann jedoch programmiert sein, die Injektionsrate
zu vermindern, wenn sie signifikant höher als der Sollwert ist, um
die Gasmenge zu minimieren, die in die Bohrung rezirkuliert wird, wodurch
sowohl die Gasmenge, die für
eine Bearbeitung und einen Verkauf verfügbar ist, gesteigert wird, als
auch die Reibungsbelastung minimiert wird. Tatsächlich können Situationen auftreten,
in welchen es effektiv eine „negative" Gasinjektionsrate
gibt, d. h. bei welchen statt einer Injektion von Gas abwärts in die
Bohrung durch eine ausgewählte
Injektionskammer Gas sowohl durch das Steigrohr 30 als
auch den Ringraum 32 an die Oberfläche strömt, wie es beispielsweise gemäß dem alternativen
Ausführungsbeispiel
in 3 veranschaulicht ist. Diese Situation kann auftreten,
wenn Formationsdrücke
so groß sind,
dass die Aufwärts- Gasgeschwindigkeit
in der ausgewählten
Förderungskammer
nicht nur hoch genug ist, die Geschwindigkeits-induzierte Strömungsart
aufrecht zu erhalten, sondern so hoch ist, dass sich eine überhöhte Reibungsbelastung
in der Förderungskammer
entwickelt. Bei diesem Szenario würde eine Gasförderung
optimiert durch Fördern
von Gas aufwärts
in beiden Kammern, und somit reduzieren der Gasgeschwindigkeiten
und der resultierenden Reibungsbelastung (vorausgesetzt natürlich, dass die
Gasgeschwindigkeit – welche
natürlich
geringer ist als wenn lediglich durch eine Kammer gefördert – zu jedem
Zeitpunkt in zumindest einer der Kammern oberhalb VCR verbleibt,
d. h. so dass es stets eine stabile Strömung in zumindest einer Kammer
gibt).
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
die Vorrichtung im Allgemeinen ähnlich
zu der in 1 gezeigten, jedoch mit der
Hinzufügung
einer Hilfs-Pipeline 18, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen
einem Punkt Y bei dem Upstream-Abschnitt 40U der
Förderungs-Pipeline 40 und
einem Punkt X' bei
dem Downstream-Abschnitt 40D herstellt. Die Injektions-Pipeline 16 ist
in Fluid-Kommunikation mit dem oberen Abschnitt des Ringraums 32 und
einem Punkt Z entlang der Länge
der Hilfs-Pipeline 18. Das Drosselventil 12 ist
bei einem ausgewählten
Punkt entlang der Länge
der Injektions-Pipeline 16 befestigt. Ein erstes Strömungsventil 19A ist zwischen
den Punkten Y und Z in der Hilfs-Pipeline 18 befestigt,
und ein zweites Strömungsventil 19B ist zwischen
den Punkten X' und
Z in der Hilfs-Pipeline 18 befestigt. Wenn, wie es in 3 gezeigt
ist, das erste Strömungsventil 19A geöffnet ist
und das zweite Strömungsventil 19B geschlossen
ist, kann Gas von dem Ringraum 32 durch die Injektions-Pipeline 16 (als
solche nicht benutzt) und durch die Hilfs-Pipeline 18 dann
in den Upstream-Abschnitt 40U der Förderungs-Pipeline 40 strömen. Auf
diese Weise vermischt sich bei Punkt Y stromauf des Kompressors 40 die
Gasströmung
von dem Ringraum 32 mit der Gasströmung von dem Steigrohr 30 und
es gibt keine Gasströmung
in dem Abschnitt der Hilfs-Pipeline 18 zwischen den Punkten
X' und Z (schraffiert
in 3). Bei diesem Betriebsverfahren kann das Drosselventil 12 zum
Steuern der Rate der Gasströmung
aufwärts in
dem Ringraum 32 verwendet werden.
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Sollten
sich die Betriebsbedingungen derart ändern, dass es wünschenswert
wird, Gas lediglich durch das Steigrohr 30 zu fördern und
Gas in den Ringraum 32 zu injizieren, kann dies einfach
durch Schließen
des ersten Strömungsventils 19A und Öffnen des
zweiten Strömungsventils 19B erreicht
werden, wie es in 4 gezeigt ist. Wenn die Strömungsventile
so konfiguriert sind, ist der Betrieb der Bohrung im Wesentlichen
der gleiche, wie er zuvor in dem Kontext des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispieles
beschrieben wurde, wobei es keine Gasströmung in dem Abschnitt der Hilfs-Pipeline 18 zwischen
den Punkten Y und Z gibt (gezeigt schraffiert in 4).
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Wie
es in 5 veranschaulicht ist, kann die Vorrichtung des
Ausführungsbeispiels
gemäß 2 entsprechend
angepasst werden, mit dem Zusatz einer Hilfs-Pipeline 18 und
von Strömungsventilen 19A und 19B. 5 zeigt
das Strömungsventil 19A in
der geöffneten
Stellung und das Strömungsventil 19B in der
geschlossenen Stellung, wobei das Gas aufwärts in sowohl der Steigleitung 30 als
auch dem Mantelrohr 32 gefördert wird. Es ist ersichtlich,
dass wenn Ventil 19A geschlossen und das Strömungsventil 19B geöffnet ist,
der Betrieb der Bohrung im Wesentlichen der gleiche ist, wie er
zuvor und im Zusammenhang mit dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde.
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Alternativ
kann es in einigen Fällen
angebracht sein, die Reibungsbelastung zu vermindern, indem die
Funktionen des Steigrohrs 30 und des Mantelrohrs 32 vertauscht
werden. In einer Situation beispielsweise, bei welcher das Steigrohr 30 anfänglich als
die Förderungskammer
dient (wie in 1) und der Strömungsquerschnitt
des Steigrohrs 30 erheblich geringer als der des Ringraums 32 ist,
ist es wahrscheinlicher, dass sich eine erheblichere Reibungsbelastung
in dem Steigrohr 30 als in dem Ringraum 32 entwickelt.
In einem solchen Falle kann ein Umschalten der Förderung auf den Ringraum 32 das Problem
lösen,
vorausgesetzt, dass die Geometrie des Bohrloches derart ist, dass
die Gasgeschwindigkeit aufwärts
in dem Ringraum hoch genug verbleibt, um eine Geschwindigkeits-induzierte
Strömung
aufrecht zu erhalten. Wenn natürlich
die Geschwindigkeit unter natürlichen
Bedingungen nicht ausreichend ist, kann es möglich sein, diese Bedingung
durch Injizieren von Gas abwärts
in dem Steigrohr 30 gemäß dem in 2 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel einzustellen,
um die Gasgeschwindigkeit in dem Ringraum 32 zu erhöhen.
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Wie
zuvor beschrieben, veranschaulichen die 1 und 2 alternative
Konfigurationen der Bohrungskomponenten, bei welchen die Förderungskammer
das Steigrohr 30 und die Injektionskammer der Ringraum 32 und
umgekehrt ist. Jedoch sind bei beiden Konfigurationen die Komponenten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 und
der Betrieb davon im Wesentlichen gleich. Die Entscheidung, eine Konfiguration
bevorzugt gegenüber
der anderen zu implementieren, hängt
im Allgemeinen von einer Anzahl von variablen Faktoren mit Bezug
auf die speziellen Charakteristika der fraglichen Bohrung ab.
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Obwohl
das Strömungsmessgerät 14 in
den Figuren als nach von dem Kompressor 42 angeordnet gezeigt
ist, ist ersichtlich, dass andere Ausführungsbeispiele möglich sind,
bei welchen das Strömungsmessgerät 14 bei
einem Punkt vor dem Kompressor 42 angeordnet ist, ohne
von dem Betriebsprinzip und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Entsprechend kann das Drosselventil 12, obwohl in 1 und 2 als
in der Injektions-Pipeline 16 angeordnet
gezeigt, anderswo in dem System mit ähnlicher Funktion und ähnlichem
Effekt angeordnet sein. Um ein Beispiel zu geben, es kann bei solchen
Konfigurationen der Vorrichtung wünschenswert und nützlich sein,
das Drosselventil 12 bei der Verbindungsstelle zwischen
der Injektions-Pipeline 16 und der Förderungs-Pipeline 40 anzuordnen (Punkt
X in den 1 und 2). Bei
anderen Situationen kann es wünschenswert
sein, das Drosselventil 12 irgendwo in der Förderungs-Pipeline 40 hinter
Punkt X anzuordnen. Bei nicht dargestellten alternativen Konfigurationen
der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiele
wäre das
Drosselventil 12 nach Punkt X angeordnet, mit dem Strömungsmessgerät 14 hinter
dem Drosselventil. Bei diesen Konfigurationen könnte das Strö mungsmessgerät 14 ein „Verkaufs-Messgerät" sein, welches zum Messen
der „Netto-Strömung" von Förderungsgas (oder „Verkaufsgas") zu der Bearbeitungseinrichtung verwendet
wird. Die Gasinjektionsrate kann dann durch Regulieren der Strömung des
Verkaufsgases gesteuert werden, d. h. die volumetrische Injektionsrate
wäre gleich
der Strömungsrate
des die Auslassleitung 42D des Kompressors 42 verlassenden
Gases abzüglich
der Netto-Gasströmungsrate.
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Bei
weiteren nicht veranschaulichten Varianten der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiele
ist ein Absperrventil 46 in dem Downstream-Abschnitt 42D der
Förderungs-Pipeline 40 nach
Punkt X angeordnet. Wenn der Sammeldruck (gathering pressure) in
dem System (d. h. der Druck in dem Downstream-Abschnitt 40D)
geringer als der Injektionsdruck ist (d. h. der Druck in der Injektions-Pipeline 16,
wo diese mit der Bohrung W verbunden ist), ist es unmöglich, Gas
in die Bohrung zu injizieren. In dieser Situation kann das Absperrventil verwendet
werden, um die Strömungsrate
des Verkaufsgases zu begrenzen und somit den Sammeldruck zu erhöhen. Wenn
der Sammeldruck auf ein Level über
dem Injektionsdruck gestiegen ist, kann Gas dann durch entsprechende
Justierung des Drosselventils 12 in die Bohrung W injiziert
werden.
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6 veranschaulicht
ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei welchem das Injektionsgas von einer separaten
Gasquelle (konzeptionell bezeichnet mit Bezugszeichen 70)
bereitgestellt wird, anstatt durch Rezirkulation von Förderungsgas
aus der Bohrung W bereitgestellt zu werden. Um ein Beispiel zu geben,
das Injektionsgas kann von einem verdichteten Speichertank bereitgestellt
werden. Das Injektionsgas kann ein Kohlenwasserstoff wie beispielsweise
Propan sein, oder ein im Wesentlichen intertes Gas wie beispielsweise
Stickstoff. Bei solchen alternativen Ausführungsbeispielen wird die Injektions-Pipeline 16 von
dem Speichertank (oder einer anderen Gasquelle) zu der Injektionskammer
der Bohrung W verlaufen und das Drosselventil 12 würde in Verbindung
mit der Injektions-Pipeline
installiert.
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Bei
bestimmten Situationen kann die Bohrung W flüssigkeitsbeladen sein, wenn
es gewünscht ist,
die vorliegende Erfindung anzuwenden. Dies kann den zusätzlichen
vorbereitenden Schritt des Entfernens sämtlicher oder eines wesentlichen
Teils der Flüssigkeiten
aus dem Bohrloch bedingen, bevor das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit optimaler Wirkung verwendet werden können. Es gibt viele bekannte Wege,
Flüssigkeiten
aus einem Bohrloch zu entfernen (beispielsweise Swabbing). Wenn
jedoch die Charakteristika (beispielsweise Formationsdruck und -Porösität) der Förderungsformation
geeignet sind, umfasst ein Verfahren, das effizient mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendet werden kann, ein Schließen der Förderungskammer und Injizieren von
Gas in die Injektionskammer bei einem Druck, der ausreichend größer als
der Formationsdruck ist, so dass die Flüssigkeiten durch die Perforationen 22 in
der Auskleidung 20 zurück
in die Formation gezwungen werden. Alternativ kann für diesen
Zweck Gas in beide Kammern abwärts
injiziert werden (diese Alternative würde natürlich eine entsprechend mit Ventilen
versehene Verbindung zwischen der Injektions-Pipeline 16 und
der Förderungskammer
bedingen).
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Wie
zuvor hier beschrieben, ist es wünschenswert,
den Strömungsdruck
beim Bohrlochfuß zu
minimieren, um die Gasgewinnung und Strömungsraten zu optimieren und
im Idealfall wäre
der Strömungsdruck
bei dem Bohrlochfuß negativ.
Jedoch würden
negative Drücke
in einer Gasleitung ein inhärentes
Problem darstellen, da jedes Leck in der Leitung den Zutritt von
Luft ermöglichen
würde,
was das Risiko einer Explosion bedingt, sollte die Luft/Gas-Mischung
einer Zündquelle
ausgesetzt sein. Um die Vorteile von negativen Gasdrücken zu erhalten
während
Explosionsgefahren vermieden werden, umfasst ein alternatives Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einen Sauerstoffsensor 44, der in der Förderungs-Pipeline 40 befestigt
ist. Der Sauerstoffsensor 44 ist angepasst, die Gegenwart
von Sauerstoff in der Förderungs-Pipeline 40 zu
erfassen, und den Kompressor 42 sofort bei dem Erfassen
von Sauerstoff abzuschalten. Dieses Ausführungsbeispiel vereinfacht
sicher die Verwendung einer hohen Kompressoransaugung zum Induzieren
von negativen Strömungsdrücken beim
Bohrlochfuß.
Wie es in den Figuren gezeigt ist, ist der Sauerstoffsensor 44 vorzugsweise vor
dem Kompressor 42 angeordnet, wo der Gasdruck und die Temperatur
erheblich geringer als nach dem Kompressor 42 sind, wodurch
das Risiko einer Eigenentzündung
im Falle eines Zutritts von Sauerstoff in die Förderungs-Pipeline 40 minimiert
bzw. vermieden wird.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Anwendungen
sind für
den Fachmann offensichtlich. Der primäre Vorteil ist, dass Drücke in der
Förderungskammer
reduziert werden können
und bei im Wesentlichen konstanten Leveln gehalten werden können, während die
Gasströmungsraten
in der Förderungskammer
ebenfalls im Wesentlichen konstant und über der kritischen Rate gehalten werden.
Die Erfindung vereinfacht somit eine stabile Strömung selbst bei Förderungsraten
so gering wie ein mfc/d (1000 Kubikfuß pro Tag/28 m3 pro
Tag). Die Netto-Förderungsrate
bei einer Bohrung (d. h. die Gasströmung, die für eine Verarbeitung und den
Verkauf verfügbar
ist) ist die Differenz zwischen der Gesamtgasströmungsrate (in der Förderungskammer) und
der Injektionsrate. Daher kann eine stabile Strömung bei derart geringen Raten
mit der vorliegenden Erfindung einfach erreicht werden (was unter
Verwendung bekannter Techniken schwierig oder unmöglich ist),
indem die Gasmenge gesteuert wird, die durch die Injektion rezirkuliert
wird, um die Gesamtströmungsrate
bei oder über
der kritischen Rate zu halten.
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Ein
beiläufiger
Vorteil der Erfindung ist, dass Gas von der Bohrung erwärmt wird,
wenn es durch den Kompressor strömt,
so dass die Injektion und Zirkulation dieses erwärmten Gases durch die Bohrung hilft,
die Injektion von Methanol, Glykol oder anderen Frostschutzchemikalien
zum Verhindern eines Zufrierens der Bohrung zu reduzieren oder zu
vermeiden. Ferner verhindert, vermindert und entfernt die Injektion
von heißem
Gas ein Ausbilden von Wachs in dem Mantelrohr und dem Steigrohr.
Die Vorteile der Erfindung können
unter Verwendung bekannter Verfahren zum Reduzieren des Flüssigkeitsinhalts
in dem in der Förderungskammer
hinaufströmendem Gas,
wie beispielsweise durch Verwendung des Free-Cycle Plunger Lift-Verfahrens und des
Soap-Injection-Verfahrens, erhöht
werden.
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Für den Fachmann
ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
werden können,
und das sämtliche dieser
Modifikationen in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen sollen.
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Bei
diesem Patentdokument wird das Wort „aufweisend" auf eine nicht einschränkende Weise verwendet,
um aufzuzeigen, dass Gegenstände,
die diesem Wort folgen, beinhaltet sind, das aber Gegenstände, die
nicht speziell erwähnt
sind, nicht ausgeschlossen sind. Eine Bezugnahme auf ein Element durch
den unbestimmten Artikel „ein" schließt nicht die
Möglichkeit
aus, dass mehr als eines dieser Elemente zugegen ist, soweit der
Kontext nicht eindeutig erfordert, dass es ein und lediglich ein
solches Element gibt.