DE602005002626T2

DE602005002626T2 - Verfahren und stellgliedvorrichtung

Info

Publication number: DE602005002626T2
Application number: DE602005002626T
Authority: DE
Inventors: Haavard Aakre
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2025-02-12
Also published as: NO20040774D0; CN1922385A; RU2358103C2; NO20040774L; CA2555717C; EP1718842B1; CA2555717A1; EP1718842A1; ATE374305T1; CN1922385B; NO321438B1; US20070256840A1; DE602005002626D1; BRPI0507799A; RU2006133544A; BRPI0507799B1; WO2005080750A1; US7819196B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung in Verbindung mit einem Stellglied, insbesondere einem Druckstellglied, das dazu ausgebildet ist, in Verbindung mit Ableitungsrohren zur Förderung von Öl und/oder Gas in einem Öl- und/oder Gassammelbecken benutzt zu werden.
Ableitungsrohre des obigen Typs sind üblicherweise in eine Anzahl von Abschnitten mit einer oder mehreren Einströmungsbegrenzungseinrichtungen unterteilt, die das Einströmen in das Ableitungsrohr regulieren.
Die Patentanmeldungen US Nr. 4 821 801 , 4 858 691 und 4 577 691 und die Patentanmeldung GB Nr. 2169018 beschreiben Einrichtungen des Standes der Technik zur Absaugung von Öl oder Gas in langen, waagrechten und senkrechten Bohrlöchern. Diese Einrichtungen des Standes der Technik umfassen ein perforiertes Ableitungsrohr mit beispielsweise einem Filter zum Zurückhalten des Sandes um das Rohr herum. Ein bedeutender Nachteil der Einrichtungen des Standes der Technik in Verbindung mit Öl und/oder Gasförderung in hochdurchlässigen geologischen Lagerstätten ist, dass der Druck in dem Ableitungsrohr als eine Folge der Fließreibung innerhalb des Rohres exponentiell in der stromaufwärts verlaufenden Richtung zunimmt. Da der Druckunterschied zwischen dem Sammelbecken und dem Ableitungsrohr als Folge daraus stromaufwärts abnimmt, wird dementsprechend die aus dem Sammelbecken in das Ableitungsrohr einströmende Menge an Öl und/oder Gas ebenfalls abnehmen. Die gesamte Öl und/oder Gasförderung wird daher mit solch einem Lösungskonzept niedrig sein. Bei dünnen Ölbereichen und hoher Durchlässigkeit in der geologischen Lagerstätte besteht ein großes Risiko des Einsaugens (engl.; „coning"), d. h. einem Einfließen von unerwünschtem Wasser oder Gas in das Ableitungsrohr in dem stromabwärts gelegenen Bereich, in dem die Ge schwindigkeit des Ölflusses aus dem Sammelbecken in das Rohr am größten ist. Um dieses Einsaugen zu vermeiden, muss die Förderung daher weiter verringert werden.
Eine etwas höhere Förderung als mit den obigen Lösungen des Standes der Technik wird erreicht, indem die Stinger-Methode verwendet wird, welche in der norwegischen Patentanmeldung Nr. 902544 diskutiert wird. Diese Methode beruht auf zwei Ableitungsrohren, von denen das äußere perforiert und ein inneres Rohr (Stinger), das sich in das äußere Rohr bis zu einer erwünschten Position hin erstreckt, nicht perforiert ist. Das Druckprofil und somit die Ausbeute der Stinger-Methode ist etwas besser als bei anderen Verfahren des Standes der Technik. Bei dünnen Ölbereichen mit hoher Durchlässigkeit kann jedoch mit dieser Methode ebenfalls ein Einsaugen von unerwünschtem Wasser oder Gas auftreten, was zu einer verminderten Ausbeute führt.
World Oil, Band 212, Nr. 11 (11/91), Seiten 23–78 beschreibt ein Verfahren bei dem ein Ableitungsrohr in Abschnitte mit einer oder mehreren Einströmungsbegrenzungseinrichtungen in Form von verstellbaren Muffen oder Drosselvorrichtungen unterteilt wird. Jedoch betrifft diese Publikation hauptsächlich die Einströmungssteuerung zur Drosselung des Einströmens aus stromaufwärts gelegenen Bereich in das Rohr, um das Einsaugen von Wasser und Gas zu verhindern.
WO-A-9208875 zeigt ein waagrechtes Steigrohr, das eine Anzahl von Förderbereichen aufweist, von denen jeder mit Mischkammern verbunden ist, die einen größeren Innendurchmesser aufweisen als die Förderbereiche. Die Förderbereiche enthalten ein externes perforiertes Rohr, das als Filter betrachtet werden kann. Jedoch ist die Aufeinanderfolge von Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern unglücklich, da sie Strömungsturbulenzen durch das Rohr erzeugen und die Verwendung von Ausrüstung verhindern, welche üblicherweise mittels in das Loch hinunterragende Zugmaschinen oder Rohrwendelsystemen eingeführt wird.
EP 1 050 338 A zeigt ein Stellglied welches zwei Kammern mit Flüssigkeiten umfasst, die unterschiedliche osmotische Drücke ausbilden. Die Technik zum Bohren von waagrechten Bohrlöchern war bereits 1920 bekannt, jedoch gibt es auch heute noch viele, die dieselbe als Pioniertechnik ansehen. In den letzten 20 Jahren hat eine kontinuierliche Entwicklungsarbeit stattgefunden, um waagrechte Bohrlöcher in einer sicheren, effektiven Art und Weise zu bohren. Der derzeitige Stand der Technik ist, dass die Bohrsicherheit hoch ist und die Kosten ungefähr 50% höher als bei senkrechten Bohrlöchern sind, aber waagrechte Bohrlöcher fördern in Abhängigkeit von Charakteristika des Sammelbeckens die drei- bis viermalige Menge.
Es wurde nachgewiesen, dass waagrechte Bohrlöcher eine wirtschaftliche Bedingung sind zum Ausbeuten von Öl aus geologischen Lagerstätten in denen der Ölbereich beispielsweise dünn ist, die Durchlässigkeit hoch und Einsaugen von unerwünschtem Wasser oder Gas oft auftritt. Es wird erwartet, dass waagrechte Bohrlöcher in Zukunft sogar wichtiger für die Ausbeutung von kleinen und in finanzieller Hinsicht marginalen Öl- oder Gasfeldern sein werden.
Das der Anmelderin eigene Patent EP 0 588 421 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung des Druckprofils in dem Ableitungsrohr über das was aus den obigen Lösungen bekannt ist hinaus, indem Beschränkungen eingeführt werden, die die Druckdifferenz zwischen dem Sammelbecken und dem ringförmigen Raum außerhalb des Ableitungsrohres beschränken und dadurch das Druckprofil entlang des Bohrlochs unmittelbar an der Außenseite des Ableitungsrohres ausgleichen. Dies wird bewerkstelligt, indem die Einströmungsbegrenzungseinrichtungen für jeden Rohrabschnitt so angeordnet sind, dass ihre Einströmöffnungen mit einer Ringkammer zwischen der geologischen Lagerstätte und dem Ableitungsrohr oder einer Ringkammer zwischen einem Filter und dem Ableitungsrohr verbunden sind und wobei die Ausströmöffnung mit dem Strömungsmodul des Ableitungsrohrs verbunden ist. Dieses Lösungskonzept umfasst Einströmungsbegrenzungsvorrichtungen mit einer festgelegten Einstellung (festgelegter Durchfluss), was ein Nachteil ist.
In dem Maße wie sich die Bohrtechnik entwickelte, sind auch die Anforderungen an die Ableitungstechniken für die Sammelbecken gestiegen. Die derzeitige Ableitungstechnologie nach dem Stand der Technik hat keine zufriedenstellenden Lösungen für eine kontrollierte, immer an vorhandene Wassereinströmungen aus dem Sammelbecken angepasste Ableitung aus dem Sammelbecken.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lösungskonzept dar, das eine derartige Beherrschung liefert, bei der die Einströmung für jeden Abschnitt oder Bereich des Ableitungsrohrs automatisch bezüglich der Menge an einfließendem Wasser eingestellt wird, wodurch die Wasserförderung auf einem minimalen Level gehalten wird.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Bedienen des Stellglieds eine in der Flüssigkeitsströmung angeordnete osmotische Zelle verwendet wird, wobei die erforderliche Kraft und Bewegung für das Stellglied zum Antreiben oder Einstellen eines Ventils oder einer Einströmungssteuerungsvorrichtung erreicht werden, indem der osmotische Druckunterschied zwischen der Lösung in der Zelle und dem, bezüglich der Zelle, externen Flüssigkeitsstrom oder Flüssigkeitssammelbecken, wie in dem beigefügten Anspruch 1 angegeben, genutzt wird.
Der der Vorrichtung in Verbindung mit dem Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung zugehörige unabhängige Anspruch ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine osmotische Zelle umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie in der Flüssigkeitsströmung angeordnet ist, wobei die notwendige Kraft und Bewegung für das Stellglied zum Antreiben oder Einstellen eines Ventils oder einer Einströmungssteuerungsvorrichtung erreicht werden, indem der osmotische Druckunterschied zwischen der Lösung in der Zelle und dem, bezüglich der Zelle, externen Flüssigkeitsstrom oder Flüssigkeitssammelbecken benutzt wird, wie im beigefügten Anspruch 4 angegeben.
Die abhängigen Ansprüche 2–3 und 5–9 geben vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung an.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein Schemadiagramm einer Membranzelle zeigt, die zwei Lösungen trennt und welches das Prinzip der vorliegenden Erfindung angibt,
2 ein Schemadiagramm eines Lösungskonzepts zeigt, bei dem ein Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Einströmungsbegrenzungsvorrichtung oder einer Ventileinrichtung in einem Ableitungsrohr zur Ausbeutung von Öl und Gas aus Lagerstätten (ein Bohrloch) unterhalb der Erdoberfläche verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass der osmotische Druckunterschied in einer Zelle als „Antriebsmechanismus" oder Antriebseinrichtung für ein Stellglied verwendet wird. Genauer gesagt basiert die vorliegende Erfindung auf einer osmotischen Zelle, welche verwendet wird, um das Stellglied zu betreiben. Die osmotische Zelle ist in der Flüssigkeitsströmung angeordnet, wobei die erforderliche Kraft und Bewegung für das Stellglied, um beispielsweise ein Ventil oder eine Einströmungssteuerungsvorrichtung anzutreiben oder einzustellen, er reicht werden, indem der osmotische Druckunterschied zwischen der Lösung in der Zelle und dem bezüglich der Zelle externen Flüssigkeitsstrom benutzt wird.
Das grundsätzliche Verfahren zum Betrieb einer Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie in 1 gezeigt mit einem „geschlossenen" Behältnis mit zwei Kammern 2, 4, bei dem eine der Wände aus einer halbdurchlässigen Membran 3 besteht, veranschaulicht werden. Die halbdurchlässige Membran 3 ist bezüglich der Lösung, zweckdienlicherweise eine Wasser/Salzlösung, welche sich in einer Kammer 2 befindet, durchlässig, aber undurchlässig bezüglich des gelösten Mediums, zweckdienlicherweise ein Salzmedium. Das Wasser kann sich daher frei von Kammer 2 in der Zelle durch die Membran 3 hindurch zu dem Wasser oder einer Wasserlösung mit einem niedrigeren Salzgehalt in der anderen Kammer 4 bewegen. Der Transport von Wasser durch die Membran hindurch wird eine Druckdifferenz über die Membran hinweg bewirken. Dies wird als osmotischer Druckunterschied bezeichnet. Die dicke Linie in jeder der Kammern 5, 6 bezeichnet die Flüssigkeitsspiegel in diesen.
Der osmotische Druck kann mittels klassischer thermodynamischer Gleichungen, in denen ein Gleichgewicht über die Membran angenommen wird, definiert werden. Das chemische Potenzial der Lösung wird unter der Annahme isothermer Bedingungen auf jeder Seite der Membran das gleiche sein, wenn das Gleichgewicht erreicht ist. Mit Bezug auf 1 wird das chemische Potenzial für die zwei Phasen in den Kammern 2 bzw. 4 gegeben sein durch: μi,1 = μoi,1 + RTlnai, 1 + ViP1 (1) μi,2 = μoi,2 + RTlnai,2 + ViP2 (2) wobei R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur, V das molare Volumen, P der Druck und a die Konzentration der Lösung ist. Die Moleküle der Lösung in der verdünnten Phase haben ein höheres (negativeres) chemisches Potenzial als die Moleküle in der konzentrierten Phase. Dieses chemische Ungleichgewicht bewirkt einen Fluss von Molekülen der Lösung (Wasser) von der weniger konzentrierten Phase zu der mehr konzentrierten Phase. Dieser Fluss dauert an bis ein osmotisches Gleichgewicht erreicht wurde und μi,1 = μi,2 (3)
All die Parameter in dem Ausdruck für das chemische Potenzial (obige Formeln 1 und 2) können verändert werden, beispielsweise die Temperatur, die Konzentration und der Druck. Mit anderen Worten wird mit Bezug auf eine Wasser/Salzlösung das Wasser sich rasch zu der mehr konzentrierten Seite bewegen um die Lösung zu verdünnen, während das Salz rasch versuchen wird, sich in die andere Richtung zu bewegen um zu versuchen, die Konzentration zu erhöhen. Der Transport des Salzes wird nur stattfinden, wenn die Membran nicht eine perfekt halbdurchlässige Membran ist. Durch Kombinieren der Formeln (1), (2) und (3) erhalten wir das Folgende: RT (ln ai,2 – lna i,1) = (P1 – P2 )Vi = ∆π Vi (4)
Der hydrodynamische Druckunterschied (P₁ – P₂) wird als der osmotische Druckunterschied Δπ = π₁ – π₂ bezeichnet. Wenn nur eine reine Lösung (Wasser) in Phase 2 (a_i _, ₂ = 1 in Kammer 4) verwendet wird, wird Gleichung (4), der Druck:
Wie oben angegeben, zeigt 2 ein Schemadiagramm eines Lösungskonzepts bei der ein Stellglied 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Ableitungsrohr 8 zur Förderung von Öl oder Gas aus Lagerstätten (ein Bohrloch, nicht gezeigt) unterhalb der Erdoberfläche verwendet wird. In dem hier gezeigten Beispiel, ist das Stellglied ein integriertes Teil eines Ventils oder einer Einströmungsbeschränkungsvorrichtung in dem Ableitungsrohr.
Wie in 2 gezeigt, besteht das Stellglied 10 aus einem Gehäuse 7 mit einer internen Osmosezelle 9. Das Gehäuse 7 mit der Zelle 9 ist innerhalb des und befestigt an dem Rohr 8 genau gegenüberliegend einem Loch 11 angeordnet. Öl, Gas und/oder Wasser sind dazu ausgebildet, von der Lagerstätte in das Rohr über das Loch 11, an der Zelle 9 vorbei und weiter über Öffnungen oder Löcher 12 in dem Gehäuse an einer Schließplatte oder Ähnlichem 13 vorbei und in das Rohr 8 zu fließen. Die Zelle 9 wiederum besteht aus einem Hohlkörper oder einer Kammer deren Endseite, welche der Rohrwand des Rohrs 8 zugewandt ist, aus einer halbdurchlässigen Membran 14 besteht, während die Wand auf der gegenüberliegenden Seite aus einer flexiblen, undurchlässigen Membran 15 besteht. Die Schließplatte 13, die den Löchern 12 gegenüberliegend angeordnet ist, ist an der flexiblen Membran 15 befestigt. Innerhalb des Hohlraums ist die Zelle 9 mit einer Wasser/Salzlösung versehen und Salzblöcke 16 sind vorgesehen um die Lösung zu jeder Zeit gesättigt zu halten.
Das Stellglied mit der Zelle 9 arbeitet wie folgt. Wenn nur Öl und/oder Gas an der Membran 14 vorbeiströmen, wird die flexible Membran 15 mit der Schließplatte 13 nach innen gedrückt und die Flüssigkeit kann zwischen den Löchern 12 und der Schließplatte (offen) durchströmen. Wenn Wasser zusammen mit dem Öl/Gas an der Membran vorbeizufließen beginnt, wird das Wasser allmählich durch die Membran 14 in die Kammer gelangen, wodurch bewirkt wird, dass das Volumen der Lösung innerhalb der Kammer ansteigt und die flexible Membran mit der Platte 13 sich nach außen bewegt und allmählich den Fluss durch die Löcher 12 sperrt. Wenn viel Wasser vorhanden ist, beispielsweise in dem Fall des Einsaugens von Wasser, wie in der Einleitung erwähnt, wird die flexible Membran mit der Platte sich vollständig nach außen bewegen und den Durchfluss vollständig absperren. Auf diese Weise kann das Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, das Einströmen von Öl und/oder Gas teilweise oder vollständig abzuriegeln, in Abhängigkeit von der Menge des beigefügten Wassers.
Man beachte, dass die vorliegende Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, nicht auf das oben gezeigte Beispiel beschränkt ist. Beispielsweise kann anstelle der flexiblen Membran eine Zylinder/Kolbeneinrichtung, in der der Kolben die Schließplatte bewegt, verwendet werden. Oder ein Nadel/Düse-Lösungskonzept, bei dem die Nadel durch eine flexible Membran oder einen Kolben bewegt wird, kann anstelle eines Loch/Platte-Lösungskonzepts 12, 13 verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist auch nicht darauf beschränkt, in Verbindung mit der Förderung von Öl und/oder Gas wie oben beschrieben verwendet zu werden. Sie kann in jeder anderen Situation verwendet werden, in der Flüssigkeiten oder Lösungen vorliegen, bei denen das Osmoseprinzip verwendet werden kann.
Ansonsten kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft verwendet werden in Verbindung mit einer Einströmungsbegrenzungseinrichtung wie sie in dem der Anmelderin eigenen EP Patent Nr. 0 588 421 gezeigt ist.

Claims

Verfahren zum Bedienen eines Stellglieds (7) zur Verwendung in Verbindung mit einem Flüssigkeitsstrom oder einem Flüssigkeitssammelbehälter, insbesondere eines Stellglieds, das derart ausgebildet ist, dass es in Verbindung mit einem Ableitungsrohr (8) zur Förderung von Öl und/oder Gas in einem Öl- und/oder Gassammelbecken benutzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine osmotische Zelle (9) zum Bedienen des Stellglieds (10) benutzt wird, die in der Flüssigkeitsströmung angeordnet ist, wobei die notwendige Kraft und Bewegung für das Stellglied zum Antreiben oder Einstellen eines Ventils oder einer Einströmungssteuerungsvorrichtung (10) erreicht werden, indem der osmotische Druckunterschied zwischen der Lösung in der Zelle (9) und dem, bezüglich der Zelle, externen Flüssigkeitsstrom/Flüssigkeitssammelbecken benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasser- bzw. Salzlösung als Lösung in der Zelle benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (7) dazu benutzt wird, ein Ventil (13, 7) zu betätigen, dass die Einströmung von Flüssigkeit durch die Einströmungsöffnungen in das Ableitungsrohr (8) reguliert.
Eine Stellgliedvorrichtung (7) zur Verwendung in Verbindung mit einem Flüssigkeitsstrom, insbesondere ein Stellglied, das derart ausgebildet ist, dass es in Verbindung mit einem Ableitungsrohr (8) zur Förderung von Öl und/oder Gas in einem Öl- und/oder Gassammelbecken benutzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (10) eine osmotische Zelle (9) umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie in der Flüssigkeitsströmung angeordnet ist, wobei die notwendige Kraft und Bewegung für das Stellglied zum Antreiben oder Einstellen eines Ventils oder einer Einströmungssteuerungsvorrichtung (10) erreicht werden, indem der osmotische Druckunterschied zwischen der Lösung in der Zelle (9) und dem, bezüglich der Zelle, externen Flüssigkeitsstrom/Flüssigkeitssammelbecken benutzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung in der Zelle eine Wasser- bzw. Salzlösung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (10) ein integrierter Teil in einem Ventil oder in einer Einströmungssteuerungsvorrichtung ist, wobei die Zelle (9) in einem Gehäuse (7) angeordnet ist, das mit Anbindung zu einem Loch (11) in der Wand des Rohrs an der Ableitungsrohrwand (8) befestigt ist, wobei Flüssigkeit von der Lagerstätte außerhalb des Ableitungsrohrs ausgebildet ist, um durch das Loch/die Löcher (11), weiter durch das Gehäuse (7) und durch Öffnungen (12) darin zu strömen, wobei eine Ventilplatte (13) derart ausgebildet ist, dass sie die Öffnungen (12) mit Hilfe der Zelle (9) öffnen bzw. schließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (13) derart ausgebildet ist, dass sie mit Hilfe einer flexiblen Membran (5) bewegt werden kann, die die gesamte oder einen Teil einer Zellenwand (9) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (13) derart ausgebildet ist, dass sie mit einem Kolben bewegt werden kann und die Zelle aus einer Kolben- bzw. Zylinderanordnung besteht, in der eine Wand in dem Zellgehäuse als sich bewegender Kolben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Salzblöcke (16) in der Zelle vorgesehen sind.