DE69908420T2

DE69908420T2 - Methode zur entfernung kondensierbarer bestandteile aus erdgas

Info

Publication number: DE69908420T2
Application number: DE69908420T
Authority: DE
Inventors: Antonie Cornelis TJEENK WILLINK; Olgar Andre VAN BERLO
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2019-12-30
Also published as: MY123253A; DZ2982A1; CN1334897A; WO2000040835A1; CA2357635A1; CA2357635C; BR9916718A; JO2225B1; EA200100736A1; ATE241757T1; EP1141520B1; EP1141520A1; NZ512604A; AU750936B2; DK1141520T3; NO20013262L; NO20013262D0; AU2434700A; CN1280522C; EG22030A

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von kondensierbaren Bestandteilen aus einem Erdgasstrom und auf ein Bohrloch-Ausrüstungssystem zur Förderung von Gas aus einer Untergrundformation, bei welchem das Verfahren angewendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erdgas, das aus einer Untergrund- oder Unterwasser-Gasförderformation (nachfolgend Untergrundformation bezeichnet) erzeugt wird, erfordert die Trennung von Komponenten, die normalerweise flüssig sind oder die relativ hohe Kondensationstemperaturen aufweisen. Diese Komponenten, die in den Ansprüchen und in der Beschreibung kollektiv mit dem Ausdruck „kondensierbare Komponenten" bezeichnet werden, umfassen Wasser, Propan, Butan, Pentan, Propylen, Ethylen, Acetylen und andere, wie Kohlendioxide, Schwefelwasserstoffe, Stickstoffgas u.dgl. Typischerweise wird der Gasstrom an der Oberfläche stromabwärts eines Bohrlochkopfes behandelt, der mit der gaserzeugenden Untergrundformation über ein Hauptbohrloch verbunden ist, das eine Verrohrung aufweist, die sich von dem Bohrlochkopf nach unten erstreckt.
Dies ist nicht sehr kosteneffektiv, insbesondere für multilaterale Bohrlöcher (d. h. Bohrloch-Ausrüstungssysteme bzw. Abschlußsysteme, die ein Bohrlochsystem mit mehreren Zweigen umfassen, welche das Reservoir einer Förderformation mit einem oder mehreren anderen Reservoiren verbinden), wobei das Erdgas und/oder die kondensierbaren Bestandteile oder ein Teil von beiden aus einer Formation in die andere oder innerhalb der Formation von einer Reservoirzone in die andere reinjiziert werden. Dies geschieht beispielsweise, um ein neues Bohrloch zu stimulieren oder ein bestehendes Bohrloch wieder in Gang zu bringen; oder um Erdgas oder kondensierbare Bestandteile für eine spätere Verwendung zu lagern etc.
Abscheider, die zum Absenken der Taupunkte der Gase wirksam sind, erfordern im allgemeinen eine komplexe Ausrüstung und Instrumentierung, wie gekühlte Absorptionsöle oder Glykolabsorbierer. Solche Arbeitsvorgänge sind im allgemeinen zu komplex, um an einem Bohrlochkopf vorgenommen zu werden, wie an Bohrlochköpfen, die am Meeresboden vorgesehen sind, und zu teuer, um an einzelnen Bohrlochköpfen in einem gaserzeugenden Feld angeordnet zu werden.
Bohrlochabscheider zum Entfernen von Wasser aus Gas, während dieses gefördert wird, sind beispielsweise aus der US-A-5,444,684 bekannt. Die Vorrichtung verwendet schwimmende Kugeln, die beispielsweise hochsteigen und einen Strömungsweg blockieren, wenn ein Wasserniveau in dem Bohrloch zu hoch wird, und dann beim Druckaufbau des Gases, welches den Wasserspiegel nach unten drückt, die Förderung von Gas gestatten, das frei von flüssigem Wasser ist. Diese Vorrichtung ist aber nur befähigt, flüssiges Wasser aus dem geförderten Gas herauszuhalten. Sie ist nicht befähigt, entweder kondensierbare Bestandteile oder Wasser aus dem geförderten Gas zu entfernen.
Die US-A-5,794,697 offenbart ebenfalls einen Bohrlochabscheider zum Entfernen von Gas aus einem Gemisch von Flüssigkeiten und Gas, die in dem Bohrloch gefördert werden. Dieses Patent konzentriert sich auf die Komprimierung des Gases im Bohrloch und das Wiedereinführen des Gases in eine Gaskappe oberhalb des Öls, welches in der Formation. verbleibt. Ein Abscheider ist gezeigt und beschrieben, welcher den Fluiden eine Verwirbelungsbewegung erteilt und dann das Gas aus der Mitte des Wirbels entfernt. Dieser Abscheider senkt aber ebenfalls nicht die Taupunkttemperatur des Gases (d. h. er entfernt nicht die kondensierbaren Bestandteile), sondern trennt nur existierende Phasen.
Das Abscheideverfahren und der Schwerkraftabscheider gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 sind aus der Internationalen Patentanmeldung WO 95/09970 bekannt. Der bekannte Abscheider umfaßt einen Zyklon, in welchem das erzeugte Wasser von dem erzeugten Gas getrennt wird und Wasserdampf aus dem Gas in einer separaten Hochdruckmembrane abgeschieden wird.
Es wäre erwünscht, einen einfacheren Abscheider zur Verfügung zu haben, um kondensierbare Bestandteile und/oder Wasser aus einem Erdgasstrom stromabwärts eines Bohrloch-Drosselventils zu entfernen, d. h. bevor es an die Oberfläche tritt oder in Untergrundeinrichtungen mit typischerweise geringeren Druckverhältnissen in der Größenordnung von 15 Mpa (15 MN/m²) oder weniger eintritt. Der erste Grund hiefür ist, daß ein höherer Druckabfall für das Abscheiden stromaufwärts des Bohrloch-Drosselventils verfügbar ist, wodurch eine bessere Verwendung der verfügbaren potentiellen Energie erfolgt, die ansonsten in dem Bohrloch-Drosselventil dissipiert wird. Der zweite Grund besteht darin, daß beim Hochströmen des Gases im Bohrloch dieses durch die Wärmeübertragung an die seichteren Formationen, welche das Bohrloch umgeben, und durch adiabatische Expansion des Gases, während es in dem Bohrloch strömt, gekühlt wird. Wenn das Gas abkühlt, können die kondensierbaren Bestandteile und/oder Wasser sodann aus dem vorher gesättigten Gasstrom kondensieren. Die kondensierten Flüssigkeiten in einem Gasförderbohrloch könnten viele Probleme verursachen. Die gesonderte flüssige Phase könnte den statischen Kopf innerhalb des Bohrloches beträchtlich erhöhen und dadurch den Bohrlochkopfdruck und/oder die Gasförderung reduzieren. Abhängig von den Strömungsbedingungen, die sich daraus ergeben, könnten sich die Flüssigkeiten aufbauen, bis der Boden des Bohrloches einem beträchtlichen zusätzlichen Flüssigkeitskopf ausgesetzt ist. Es könnte sich auch Wasser mit Kohlenwasserstoffen und/oder Schwefelwasserstoffen zur Bildung von Hydraten in dem Bohrloch kombinieren. Diese Hydrate könnten das Bohrloch verlegen. Um dies zu verhindern, ist es üblich, Alkohole oder Glykole in die Gasförderbohrlöcher zu injizieren, um das Verlegen mit festen Hydraten zu verhindern. Diese Injektion ist relativ teuer und ergibt außerdem mehr Flüssigkeiten in dem Bohrloch. Ein Überlaufen dieser Flüssigkeiten kann ein Umweltproblem darstellen, weil diese von Natur aus mit Wasser mischbar sind.
Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen existieren bereits, um Komponenten aus gasförmigen oder anderen Fluiden abzuscheiden. Beispiele von konventionellen Abscheidevorrichtungen umfassen Destilliersäulen, Filter und Membranen, Absetztanks, Zentrifugen, elektrostatische Ausfälleinrichtungen, Trockner, Kühler, Zyklone, Wirbelrohr-Abscheider und Adsorbierer. Zusätzlich sind im Stand der Technik verschiedene Schwerkraftabscheider beschrieben, die mit Überschalldüsen ausgestattet sind.
Die JP-A-02,017,921 bezieht sich auf das Abscheiden eines gasförmigen Gemisches durch die Verwendung einer Überschallströmung. Die Vorrichtung umfaßt einen Verwirbeler, der stromaufwärts einer Überschalldüse positioniert ist. Der verwirbelte Fluidstrom verläuft dann durch eine axial symmetrische Expansionsdüse, um feine Teilchen zu bilden. Der Wirbel wird über eine längere axiale Strecke aufrechterhalten, wodurch ein großer Druckabfall erzeugt wird.
Die US-A-3,559,373 bezieht sich auf einen Überschall-Stromabscheider mit einem Hochdruckgaseinlaß, einem rechteckig geformten Hals und einem U-förmig geformten Kanal mit Rechteckquerschnitt. Der Kanal umfaßt eine äußere gekrümmte durchlässige Wand. Ein Gasstrom wird dem Gaseinlaß mit Unterschallgeschwindigkeit zugeführt. Das Gas konvergiert durch den Hals und expandiert in den Kanal, wodurch die Geschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit erhöht wird. Die Expansion des Stromes in dem Überschallbereich resultiert in einer Tröpfchenkoaleszierung, und die größeren Tröpfchen wandern durch die äußere durchlässige Wand und werden in einer Kammer gesammelt.
Das EP-A-0,496,128 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden eines Gases aus einem Gasgemisch. Die Vorrichtung umfaßt einen Zylinder, welcher zu einer Düse konvergiert und dann in eine Verwirbelungszone divergiert. Gas tritt in eine Einlaßöffnung des Zylinders mit Unterschallgeschwindigkeit ein und strömt durch den konvergierenden Abschnitt der Düse. Die Strömung expandiert aus dem konvergierenden Abschnitt in den divergierenden Abschnitt des Zylinders mit Überschallgeschwindigkeit. Ein Paar von deltaförmigen Platten erteilt dem Überschallstrom eine Wirbelbewegung. Die Kombination aus Überschallgeschwindigkeiten und Verwirbelung trägt zum Kondensieren und Abscheiden einer kondensierten Komponente aus den gasförmigen Komponenten des Stromes bei. Ein Auslaßrohr ist zentral innerhalb des Zylinders positioniert, um die gasförmigen Komponenten des Stromes mit Überschallgeschwindigkeit abzugeben. Die flüssigen Komponenten wandern weiter bis zu einem zweiten divergierenden Abschnitt, in welchem die Geschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit abfällt, und durch einen Ventilator, und verlassen den Zylinder schließlich durch einen zweiten Auslaß.
Die WO 99/01194 beschreibt ein ähnliches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Entfernen einer ausgewählten gasförmigen Komponente aus einem Fluidstrom, der eine Vielzahl von gasförmigen Komponenten enthält. Diese Vorrichtung ist mit einem Schockströmungsauslöser stromabwärts der Sammelzone ausgestattet, um die axiale Geschwindigkeit des Stromes auf Unterschallgeschwindigkeit zu verringern. Die Anwendung einer Schockwelle resultiert auf diese Weise in einem wirksamen Abscheiden der geformten Teilchen.
Diese Druckschriften beschreiben verschiedene Überschall-Trägheitsabscheider. Keiner beschreibt jedoch oder legt ihre Verwendung stromaufwärts eines Bohrlochkopf-Drosselventils eines Bohrloch-Ausrüstungssystems und/oder anstelle des Bohrloch-Drosselventils nahe.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen kondensierbarer Bestandteile aus einem Erdgasstrom stromaufwärts eines Bohrlochkopf-Drosselventils geschaffen, welches mit einer Untergrundformation verbunden ist, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft auch ein Bohrloch-Ausrüstungssystem zur Förderung von Gas aus einer Untergrundformation, entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Überschall-Trägsheitsabscheider, auf die hier Bezug genommen wird, erfordern einen vorwiegend gasförmigen Strom (d. h. einen Strom, der weniger als 10 Gew.-% entweder an Feststoffen oder an Flüssigkeiten enthält) mit ausreichendem Druck, damit er auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, wenn er sich durch den konvergierenden-divergierenden Teil einer Lavaldüse bewegt. Drücke im Bohrloch und vor dem Bohrloch-Drosselventil können in der gleichen Größenordnung wie in der Untergrundformation sein, und sind normalerweise mehr als aufreichend. Das Verfahren kann somit in einem Bohrloch eines einseitigen Schachtes angewendet werden; es kann in dem Hauptbohrloch oder in einem oder mehreren Zweigbohrlöchern eines multilateralen Schachtes angewendet werden, oder statt des Drosselventils eines Bohrlochkopfes. Das Verfahren kann an der Oberfläche, aber auch unter der Oberfläche oder unter Wasser verwendet werden.
Es versteht sich, daß bei Verwendung eines Überschall-Trägheitsabscheider statt eines Drosselventils Erdgas auf elegante Weise von kondensierbaren Bestandteilen gleichzeitig mit der Druckverringerung auf eine Druckhöhe befreit wird, die für das Verteilernetz erforderlich ist.
Eine der vielen attraktiven Vorteile der vorliegenden Erfindung betrifft das Minimum an oder sogar den Wegfall von bewegten Teilen in dem Überschall-Trägheitsabscheider, so daß dieser an Stellen verwendet werden kann, die normalerweise eine Fernsteuerung erfordern. Der Überschall-Trägheitsabscheider ist vorzugsweise von dem in der EP-A-0,496,128 beschriebenen Typ, d. h. bei welchem der Überschallstrom Tröpfchen und/oder Teilchen enthält und zu einer Verwirbelungsbewegung gezwungen wird, wodurch die Tröpfchen und/oder Teilchen zu einem radial äußeren Abschnitt einer Sammelzone in dem Strom strömen, gefolgt vom Abziehen dieser Tröpfchen und/oder Teilchen in einer Überschallsammelzone.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch den Übergang von Überschall- zu Unterschallströmung stromaufwärts der Abscheidung von Tröpfchen und/oder Teilchen aus der Sammelzone eine Schockwelle verursacht. Es hat sich gezeigt, daß die Abscheidewirksamkeit signifikant verbessert wird, wenn das Sammeln der Teilchen in der Sammelzone hinter der Schockwelle stattfindet, d. h. in einer Unterschallströmung statt in einer Überschallströmung. Es wird vermutet, daß dies deshalb der Fall ist, weil die Schockwelle eine wesentliche Menge an kinetischer Energie aus dem Strom dissipiert und dadurch die Axialkomponente der Fluidgeschwindigkeit stark reduziert, während die Tangentialkomponente (welche durch die Verwirbelungsmittel verursacht wird) im wesentlichen unverändert bleibt. Als Ergebnis ist die Dichtezahl der Teilchen im radial äußeren Abschnitt der Sammelzone signifikant höher als irgendwo in der Leitung, in welcher die Strömung mit Überschallgeschwindigkeit strömt. Es wird angenommen, daß dieser Effekt durch die stark reduziert axiale Fluidgeschwindigkeit verursacht wird, und dadurch gibt es eine verringerte Tendenz, daß Teilchen von einem zentralen „Kern" der Strömung mitgerissen werden, wo das Fluid mit einer höheren Axialgeschwindigkeit strömt als nahe der Wand der Leitung. Somit wird in dem Unterschallströmungsbereich den Zentrifugalkräften, die auf die kondensierten Teilchen einwirken, nicht zu einem großen Teil von der Mitreißwirkung des zentralen „Kernes" des Stromes entgegenwirkt, so daß die Teilchen in dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone agglomerieren können, von welcher sie abgezogen werden.
Vorzugsweise wird die Schockwelle erzeugt, indem der Fluidstrom gezwungen wird, durch einen Diffusor zu fließen. Ein geeigneter Diffusor ist ein Überschalldiffusor. Ein Diffusor. kann beispielsweise divergierendes Volumen oder konvergierendes und sodann divergierendes Volumen haben.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Sammelzone dem Auslaßende des Diffusors benachbart angeordnet.
Die vorliegende Erfindung kann in Kombination mit anderen Operationen zum Trocknen des Fluidstromes oder vor konventionellen Abscheidern praktiziert werden, um die Größe und/oder Kapazität des letzteren zu reduzieren. Es kann auch entweder der Flüssigkeiten enthaltende Strom aus der Sammelzone oder der Strom, aus welchem die Flüssigkeiten abgeschieden worden sind, einem zusätzlichen Abscheideschritt unterworfen werden, beispielsweise in einem Trockner oder Abscheider.
Vorteilhaft kann jegliche gasförmige Fraktion, die gemeinsam mit den kondensierbaren Bestandteilen abgeschieden worden ist, z. B. aus dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone im Falle eines Überschall-Trägsheitsabscheiders von dem in der EP-A-0,496,128 oder in der WO99/011994 beschriebenen Typ, zum Einlaß zurück zirkuliert werden, vorzugsweise unter Verwendung eines Induktors, um den Druck wieder auf den Druck des Einlaßstromes zu erhöhen.
Eine andere Alternative in der Praxis der vorliegenden Erfindung besteht darin, die kondensierbaren Bestandteile einem Flüssigkeits-Flüssigkeitsabscheider zuzuführen, in welchem beispielsweise eine flüssige Kohlenwasserstoffphase von der wäßrigen Phase isoliert wird. Die flüssige Wasserphase könnte beispielsweise in die gleiche Formation, in einer seichteren oder tieferen Reservoirzone, oder in eine andere Formation reinjiziert werden. Die flüssige Kohlenwasserstoffphase könnte entweder mit den Gasen statt anstelle der Gase oder gesondert von den Gasen gefördert werden. Ein Reinjizieren der flüssigen Kohlenwasserstoffphase, z. B. für die spätere Förderung, ist auch eine Option.
Zweckmäßig umfassen die Mittel, mit welchen der Strom auf Überschallgeschwindigkeit gebracht wird, einen lavalartigen Einlaß der Leitung, in welchem die kleinste Querschnittsströmungsfläche des Diffusors vorzugsweise größer als die kleinste Querschnittsströmungsfläche des lavalartigen Einlasses ist.
Die vorliegende Erfindung kann auch dazu verwendet werden, das von den kondensierbaren Bestandteilen innerhalb des Bohrloches getrennte Gas zu reinjizieren. Beispielsweise, wenn multiple Reservoire (beispielsweise gestapelter Reservoire oder verschiedener Reservoire, die von verschiedenen Bohrlöchern eines multilateralen Schachtes durchdrungen sind) vorhanden sind und es dann erwünscht ist, nur Kondensate aus dem Gas zu erzeugen.
Die Gase können reinjiziert werden, um ein Entflammen zu verhindern oder den Reservoirdruck aufrechtzuerhalten. Ein Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung könnte kondensierbare Bestandteile an Fluiden aus dem Gas entfernen, und das Gas könnte dann in das gleiche Bohrloch reinjiziert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispieles des Abscheiders, der sich für die Praxis der vorliegenden Erfindung eignet.
2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung, die sich für die Praxis der vorliegenden Erfindung eignet.
3 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Bohrloches eines Bohrloch-Ausrüstungssystems.
4 zeigt schematisch eine Vorrichtung, mit der demonstriert werden soll, wie die Vorrichtung in der Praxis der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Die 5A und 5B zeigen schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Bohrlochkopf eines Bohrloch-Ausrüstungssystems.
6 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Flüssigkeitsstrom aus dem Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem Flüssigkeits-Flüssigkeitsabscheider geleitet wird, und eine wäßrige Phase aus der Kohlenwasserstoffphase getrennt wird, und die wäßrige Phase in eine Formation reinjiziert wird.
7 ist eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, bei welchem Kondensat erzeugt und Gas in eine Formation reinjiziert wird.
BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
In 1 ist eine Leitung in Form eines offenendigen rohrförmigen Gehäuses 1 gezeigt. Ein Fluideinlaß 3 ist an einem Ende des Gehäuses vorgesehen, ein erster Auslaß 5 für mit Flüssigkeit beladenes Fluid nahe dem anderen Ende des Gehäuses, und ein zweiter Auslaß 7 für im wesentlichen flüssigkeitsfreies Fluid am anderen Ende des Gehäuses. Die Strömungsrichtung in der Vorrichtung 1 verläuft vom Einlaß 3 zu dem ersten und dem zweiten Auslaß 5 bzw. 7. Der Einlaß 3 ist ein Beschleunigungsabschnitt, der eine Lavaldüse enthält, mit einem Längsschnitt von konvergierender-divergierender Form in Strömungsrichtung, um einem Fluidstrom, der über dem Einlaß 3 in das Gehäuse einfließt, Überschallgeschwindigkeit zu verleihen. Das Gehäuse 1 ist ferner mit einem primären zylindrischen Teil 9 und einem Diffusor 11 versehen, wobei der primäre zylindrische Teil 9 zwischen dem Einlaß 3 und dem Diffusor 11 angeordnet ist. Einer oder mehrere (z. B. vier) deltaförmige Flügel 15 ragen von der Innenfläche des primären zylindrischen Teiles 9 radial nach innen, wobei jeder Flügel 15 unter einem vorbestimmten Winkel zur Strömungsrichtung in dem Gehäuse angeordnet ist, um dem mit Überschallgeschwindigkeit durch den primären zylindrischen Teil 9 des Gehäuses strömenden Fluid eine Verwirbelungsbewegung zu erteilen.
Der Diffusor 11 hat einen Längsschnitt mit konvergierender-divergierender Gestalt in Strömungsrichtung, wobei er einen Diffusoreinlaß 16 und einen Diffusorauslaß 19 definiert. Die kleinste Querschnittsströmungsfläche des Diffusors ist größer als die kleinste Querschnittsströmungsströmungsfläche des lavalartigen Einlasses 3.
Das Gehäuse 1 umfaßt ferner einen sekundären zylindrischen Teil 17 mit einer größeren Strömungsfläche als der primäre zylindrische Teil 9, der stromabwärts des Diffusors 11 in Form einer Fortsetzung des Diffusors 11 angeordnet ist. Der sekundäre zylindrische Teil 17 ist mit Längsauslaßschlitzen 18 für Flüssigkeit versehen, welche Schlitze 18 in einem geeigneten Abstand vom Diffusorauslaß 19 liegen.
Eine Auslaßkammer 21 umschließt den sekundären zylindrischen Teil 17, und ist mit dem vorerwähnten ersten Auslaß 5 für einen Strom konzentrierter Flüssigkeiten versehen.
Der sekundäre zylindrische Teil 17 mündet in den vorerwähnten zweiten Auslaß 7, aus dem im wesentlichen Gas austritt.
Der Normalbetrieb der Vorrichtung 1 wird nun für das Ausführungsbeispiel unter Anwendung einer Unterschallabscheidung erläutert.
Ein Strom, der Mikropartikel enthält, wird dem lavalartigen Einlaß 3 zugeführt. Sobald der Strom durch den Einlaß 3 strömt, wird der Strom auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Als Ergebnis der starken Geschwindigkeitserhöhung des Stromes können die Temperatur und der Druck des Stromes auf einen Wert unterhalb des Kondensationspunktes der schwereren gasförmigen Komponenten des Stromes (beispielsweise Wasserdämpfen) abnehmen, die dadurch kondensieren, um eine Vielzahl von flüssigen Teilchen zu bilden. Wenn der Strom entlang der deltaförmigen Flügel 15 strömt, wird dem Strom eine Verwirbelungsbewegung (schematisch durch die Spirale 22 angedeutet) erteilt, wobei die Flüssigkeitsteilchen radial nach außen gerichteten Zentrifugalkräften ausgesetzt werden. Wenn der Strom in den Diffusor 11 eintritt, wird nahe dem stromabwärtigen Auslaß 19 des Diffusors 11 eine Schockwelle erzeugt. Die Schockwelle dissipiert eine wesentliche Menge an kinetischer Energie des Stromes, wodurch hauptsächlich die Axialkomponente der Fluidgeschwindigkeit vermindert wird. Infolge der starken Verminderung der Axialkomponente der Fluidgeschwindigkeit strömt der zentrale Teil des Stromes (oder „Kern") mit einer verringerten Axialgeschwindigkeit. Dies führt zu einer verringerten Tendenz der Feststoffe und der kondensierten Teilchen, durch den zentralen Teil des Stromes mitgerissen zu werden, der in dem sekundären zylindrischen Teil 17 strömt. Die kondensierten Teilchen können deshalb in einem radial äußeren Abschnitt einer Sammelzone des Stromes im sekundären zylindrischen Teil 17 agglomerieren. Die agglomerierten Teilchen bilden eine Flüssigkeitsschicht, die aus der Sammelzone über die Auslaßschlitze 18, die Auslaßkammer 21 und den ersten Auslaß 5 für im wesentlichen Flüssigkeit abgezogen wird. Es liegt jedoch auch im Bereich dieser Erfindung, die kondensierten Teilchen bei Überschallgeschwindigkeit ohne die stromaufwärtige Schockwelle zu entfernen.
Der Strom, aus welchem die kondensierbaren Dämpfe entfernt sind, wird durch den zweiten Auslaß 7 für im wesentlichen flüssigkeitsfreies Gas abgegeben.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung gezeigt. Diese Vorrichtung hat ein offenendiges rohrartiges Gehäuse 23 mit einem lavalartigen Fluideinlaß 25 an einem Ende und einem ersten Auslaß 27 für einen Strom an dem anderen Ende, der im wesentlichen Feststoffe und irgendwelche kondensierte Flüssigkeit enthält und aus dem Gehäuse austritt. Die Strömungsrichtung für Fluid in der Vorrichtung ist durch den Pfeil 30 angezeigt. Das Gehäuse hat vom Einlaß 25 zum Flüssigkeitsauslaß 27 einen primären, im wesentlichen zylindrischen Teil 33, einen divergierenden Diffusor 35, einen sekundären zylindrischen Teil 37 und einen divergierenden Teil 39. Ein deltaförmiger Flügel 41 ragt in dem primären zylindrischen Teil 33 radial nach innen, wobei der Flügel 41 unter einem vorbestimmten Winkel zur Strömungsrichtung im Gehäuse angeordnet ist, um dem mit Überschallgeschwindigkeit durch das Gehäuse 23 strömenden Fluid eine Verwirbelungsbewegung zu erteilen. Ein rohrförmiger zweiter Auslaß 43 für im wesentlichen Gas erstreckt sich durch den ersten Auslaß 27 koaxial in das Gehäuse und hat eine Einlaßöffnung 45 am stromabwärtigen Ende des sekundären zylindrischen Teiles 37. Der Auslaß 43 kann innen mit einem geraden (nicht gezeigt), z. B. flügelartigen Geradrichter zum Überführen der verwirbelten Strömung des Gases in eine gerade Strömung versehen sein.
Der Normalbetrieb des zweiten Ausführungsbeispieles ist im wesentlichen ähnlich dem Normalbetrieb des ersten Ausführungsbeispieles. Ein verwirbelter Strom mit Überschallgeschwindigkeit tritt in dem primären zylindrischen Teil 33 auf, und eine Schockwelle tritt nahe dem Übergang des Diffusors 35 in dem sekundären zylindrischen Teil 37 auf, wenn überhaupt. Eine Unterschallströmung tritt auf, wenn ein Diffusor in dem sekundären zylindrischen Teil 37 verwendet wird. Der die Feststoffteilchen und irgendwelche kondensierten Flüssigkeiten enthaltende Strom wird durch den ersten Auslaß 27 abgegeben, und das getrocknete Gas wird durch den zweiten Auslaß 43 abgegeben, wobei der verwirbelte Strom des Gases durch den Geradrichter in einen geraden Strom übergeführt wird.
In der vorstehenden detaillierten Beschreibung haben das Gehäuse, der primäre zylindrische Teil, der Diffusor und der sekundäre zylindrische Teil kreisförmigen Querschnitt. Für diese Teile kann auch irgendein anderer geeigneter Querschnitt gewählt werden. Auch können der primäre und der sekundäre Teil alternativ andere als zylindrische Gestalt haben, beispielsweise kegelstumpfförmige Gestalt. Außerdem kann der Diffusor jede andere geeignete Gestalt haben, beispielsweise ohne einen konvergierenden Teil (wie in 2 gezeigt), speziell für Anwendungen bei Überschallfluidgeschwindigkeiten.
Statt daß jeder Flügel unter einem feststehenden Winkel relativ zur Axialrichtung des Gehäuses angeordnet ist, kann der Flügel unter einem sich verändernden Winkel zur Strömungsrichtung angeordnet werden, vorzugsweise in Kombination mit einer spiralförmigen Gestalt des Flügels. Ein ähnliches Ergebnis kann dadurch erhalten werden, daß flache Flügel entlang eines Pfades mit zunehmendem Winkel zur Achse der ursprünglichen Strömungsrichtung angeordnet werden.
Außerdem kann jeder Flügel mit einer angehobenen Flügelspitze versehen sein (die auch als kleiner Flügel bezeichnet wird).
Statt daß der Diffusor eine divergierende Gestalt hat (2), kann der Diffusor alternativ einen divergierenden Abschnitt haben, gefolgt von einem konvergierenden Abschnitt, gesehen in der Strömungsrichtung. Ein Vorteil einer solchen divergierenden-konvergierenden Gestalt des Diffusors besteht darin, daß eine geringere Fluidtemperaturzunahme im Diffusor auftritt.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Bohrloch gezeigt. Eine Formation, aus welcher Kohlenwasserstoffe 301 gefördert werden, ist unterhalb einer Schicht 302 vorgesehen und von einem Bohrloch 303 durchdrungen. Das Bohrloch stellt eine Verbindung von der Formation durch Perforationen 305 her, die als mit Sand 306 gepackt dargestellt sind, um ein Einfallen der Formation in die Perforationen zu verhindern. Eine Auskleidung 307 ist in dem Bohrloch angeordnet und durch Zement 308 festgelegt, der durch Zirkulation vom Inneren des Gehäuses und zur Außenseite eingebracht wird, um eine Abstützung zu bilden. Auf den Zement folgt ein Zementstopfen 309, der am Boden der Auskleidung bleibt und durch eine Lippe 310 gefangen wird, die am Bodensegment der Auskleidung für diesen Zweck vorgesehen ist.
Gas, das aus der Formation strömt, wird durch den Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung über eine Dichtungseinrichtung 311. gezwungen, die das Bohrloch im Bereich der fördernden Formation wirksam isoliert. Gas aus der gaserzeugenden Formation strömt durch die Einlaß-Lavaldüse 312, wo Überschallgeschwindigkeiten erzeugt werden, und der Flügel 313 erteilt dem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gasstrom eine Verwirbelung. Ein ausreichend langer Strömungsweg 314 wird in dem Überschallströmungsbereich geschaffen. Ein Diffusorabschnitt 315, falls ein solcher vorgesehen ist, erzeugt eine Schallschockwelle, vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts der Abscheidung der Flüssigkeiten aus dem radial äußeren Abschnitt der Dämpfe, die in einem Wirbelrohr 316 aufgefangen und durch eine Förderverrohrung 317 zur Oberfläche geleitet werden. Der Strom aus dem radial äußeren Abschnitt eines Teiles des Sammelabschnittes 318 wird zur Außenseite des Förderrohres durch ein ringförmiges Volumen zwischen der Auskleidung 307 und der Förderverrohrung 317 über einen tangentialen Auslaß 319 geleitet. Der tangentiale Auslaß kann dazu beitragen, Flüssigkeiten von den Dämpfen in dem flüssigen Strom abzuscheiden. Obzwar der aus dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone abgezogene Strom ursprünglich flüssig ist, kann eine beträchtliche Verdampfung eintreten, wenn das Gas in der durch den Diffusor erzeugten Schockwelle erneut komprimiert wird. Die Flüssigkeit könnte aber ausreichend konzentriert sein, so daß sogar dieser Temperaturanstieg nicht alle kondensierbaren Bestandteile in dem Strom verdampft. Eine typische Saugkolbenpumpe oder eine elektrische Bohrlochpumpe 320 ist dargestellt, um das flüssige Wasser, das zur Dichtungseinrichtung 311 zurückgefallen ist, zu entfernen. Ein Reinjizieren in die Formation ist ebenfalls möglich, sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase, möglicherweise mit Hilfe von elektrischen Tauchpumpen, falls dies durch die Druckbedingungen in der Formation oder im Falle multilateraler Bohrlöcher erforderlich ist.
Der mit Wasser und/oder schweren Kohlenwasserstoffen konzentrierte Strom hat vorzugsweise eine solche Zusammensetzung, daß ein Zusatz von Komponenten zur Verhinderung der Bildung von Hydraten nicht erforderlich ist. Selbst wenn eine Hydratunterdrückung erwünscht ist, wird die Menge an Hydratunterdrückungsmitteln beträchtlich reduziert sein, weil nur ein kleineres Fluidvolumen behandelt werden muß.
Unter Bezugnahme auf 5A ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch an einem Unterwasserbohrlochkopf gezeigt. Ein Unterwasserbohrloch 501 in einem Wasserkörper 513 ist mit einer Auskleidung 502, mit Perforationen 503, die eine Verbindung aus der Formation 512 zum Inneren des Bohrloches 504 herstellen, gezeigt. Eine typische Bohrlochkopfausrüstung 505 ist schematisch gezeigt. Der Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung 506 scheidet einen hauptsächlich flüssigen Strom 507 von einem trockenen Strom von Dämpfen 508 ab. Die Temperaturen am Meeresboden 509 nähern sich Gefriertemperaturen, und die Bildung von Hydraten entlang der Meeresbodenrohrleitungen ist deshalb ein beträchtliches Problem. Die vorliegende Erfindung schafft ein einfaches Dehydrierungssystem, das mit geringer Wartung auskommt und billig ist. Die abgeschiedenen Flüssigkeiten können mit einem Hydratunterdrückungszusatz 510 durch kontrollierte Einspritzung 511 versehen werden.
Unter Bezugnahme auf 5B ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, mit einem Bohrloch 550, das an einer Oberfläche 551 angeordnet ist. Das Bohrloch ist mit einer Auskleidung 554 ausgekleidet, die mit Perforationen 555 versehen ist. Eine typische Bohrlochkopfausrüstung kann bei 552 vorgesehen sein. Ein Flüssigkeits-Dampfabscheider 553 ist mit einem Flüssigkeitsauslaß 556 und einem Niveausteuersystem 557 versehen. Ein Dampfauslaß aus dem Flüssigkeits-Dampfabscheider 563 wird zu dem Dehydrator gemäß der vorliegenden Erfindung 558 geleitet. Die Dämpfe aus dem Auslaß 559 des Abscheiders gemäß der vor liegenden Erfindung sind trockenes Gas 560 mit einem Taupunkt, der niedriger als der Taupunkt der Fördergase ist. Die Flüssigkeiten aus dem Abscheidet gemäß der vorliegenden Erfindung 564 können Dämpfe enthalten, die gesättigt sein werden und deshalb zu einem zweiten Flüssigkeits-Dampfabscheider 561 geleitet werden. Die Flüssigkeiten aus diesem zweiten Abscheidet 562 können mit Flüssigkeiten aus dem ersten Abscheidet kombiniert oder separat zur Oberflächenausrüstung geleitet werden. Alternativ können die Flüssigkeiten aus dem zweiten Abscheidet in eine Formation zur wirksamen Lagerung reinjiziert werden. Die Flüssigkeiten aus dem zweiten Abscheidet können zu einem höheren Druckreservoir gepumpt werden, das über ein anderes Bohrloch eines multilateralen Schachtes angeschlossen werden kann, oder durch den verfügbaren Druckabfall zu einer Niederdruckformation strömen. Die Flüssigkeiten aus dem zweiten Abscheider können, falls eine Reinjizierung erwünscht ist, gesammelt und dann je reinjiziert werden, oder die Reinjizierung kann in das Bohrloch erfolgen, aus dem das Gas gefördert wird.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei welchem ein Abscheidet 601 innerhalb eines Bohrloches 602 angeordnet ist, das in einer kohlenwasserstoffördernden Formation eingeführt ist. Das Bohrloch ist mit einer Auskleidung 604 ausgekleidet, die mit Zement 605 einzementiert ist, mit einem Zementschuh 606. Eine Dichtung 607 isoliert den fördernden Teil des Bohrloches, wobei das Fördergas in einen Einlaß 608 des Abscheiders gemäß der vorliegenden Erfindung gezwungen wird. Ein Flügel 609 verursacht eine Wirbelbewegung der Überschallgase, die durch die Lavaldüse 610 geströmt sind, und kondensierbare Bestandteile werden gesammelt und treten aus dem Abscheidet aus einem Flüssigkeitsauslaß 611 aus. Flüssigkeiten aus dem Flüssigkeitsauslaß strömen zu einem Flüssigkeits-Flüssigkeitsabscheider 612. Der Flüssigkeits-Flüssigkeitsabscheider kann von irgendeiner bekannten Art sein. Die Flüssigkeiten werden in eine Kohlen wasserstoffphase getrennt, die einem Bohrlochkopf 613 an der Oberfläche 614 durch eine Verrohrung 618, wie ein gewickeltes Rohr, zugeführt wird. Eine flüssige wäßrige Phase 615 wird durch die Perforationen 616 einer Formation zugeführt. Ein zweiter Satz von Dichtungen 619 ist zur Isolierung eines Abschnittes des Bohrloches zum Reinjizieren der wäßrigen Phase gezeigt. Dampf aus den kondensierbaren Bestandteilen, einschließlich Wasser, ist entfernt und durch die Förderverrohrung 617 zum Bohrlochkopf geleitet worden, wo das geförderte Gas 620 und die erzeugten Kohlenwasserstoffflüssigkeiten 621 gesondert gesammelt werden.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ein Bohrloch 701 mit einer Auskleidung 714 gezeigt, die durch Perforationen 702 perforiert ist. Zement 703 sichert die Auskleidung in einer Formation 704, aus welcher Kohlenwasserstoffe gefördert werden, wobei der Zement entlang des Gehäuses durch den Druck hinter einem Zementschuh 715 nach unten gepreßt worden ist. Die Kohlenwasserstoffe werden durch einen Abscheider 705 der vorliegenden Erfindung gezwungen. Der Abscheider gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Flüssigkeitsauslaß 706 und einen Dampfauslaß 707. Der Flüssigkeitauslaß steht in Verbindung mit einem Förderrohr 708. Der Dampfauslaß steht mit einem Segment des Volumens innerhalb der Auskleidung 709 in Verbindung, das in Verbindung mit einer zweiten Formation 710 steht, in welche die Dämpfe durch mehrere Perforationen 711 reinjiziert werden. Das Segment des Volumens innerhalb der Auskleidung, das in Verbindung mit der zweiten Formation steht, ist durch eine obere Dichtung 712 und eine untere Dichtung 713 isoliert.
Nicht gezeigt ist die Anwendung der Erfindung, wie sie unter Bezugnahme auf die 6 oder 7 beschrieben worden ist, in einem Bohrlochsystem mit mehreren Zweigen. Wenn sie in einem mehrzweigigen Bohrlochsystem verwendet wird, wird die Vorrichtung vorzugsweise am Verbindungspunkt der Bohrlöcher einge setzt. Bei einer solchen Anordnung kann der oder ein Teil der kondensierbaren Bestandteile, oder statt dessen der oder ein Teil des behandelten Gasstromes über das Zweigbohrloch entweder zu einer anderen Formation oder einer anderen Reservoirzone geleitet werden. Ein solches System würde beispielsweise verwendet werden, um zu vermeiden, daß Wasser zur Oberflächegefördert wird, was eine weitere Behandlung erforderlich machen würde. Die Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, um Gas zu einer Reservoirzone zu leiten, die zur Aufrechterhaltung von Druck oder als Untergrundgaslager verwendet wird.
Die Verwirbelungsmittel können am Einlaflteil der Leitung statt stromabwärts des Einlaßteiles angeordnet sein.
BEISPIEL
Eine Testvorrichtung gemäfl der vorliegenden Erfindung wurde vorbereitet und zum Trennen von Wasserdampf und Luft bei Umgebungsbedingungen eingesetzt. Offensichtlich können im Falle, daß die Vorrichtung als Untergrundvorrichtung, als Unterwasservorrichtung oder an einem Bohrlochkopf eingesetzt wird, unterschiedliche Temperaturen, Drücke und Machzahlen auftreten. Dem Fachmann bereitet es aber keine Schwierigkeit, die notwendigen Anpassungen vorzunehmen. Auf 4 wird zur allgemeinen Konfiguration der Vorrichtung Bezug genommen.
Bei diesem Beispiel wurde Luft 425 auf einen Druck von 140 KPa (1,4 bar (a)) mittels eines Gebläses 401 zur Erzeugung von Druckluft 426 gebracht. Hinter dem Gebläse wurde die Luft durch einen in einem Gefäß 418 angeordneten Flügelkühler 402 auf etwa 25 bis 30°C gekühlt, und Wasser 419 wurde in den Dampfraum unterhalb des Kühlers 420 gesprüht, um sicherzustellen, daß sich die Luft nahe der Wassersättigung befand (RV = 90%). Diese wassergesättigte Luft 427 wurde einem Flüssigkeits-Dampfabscheider zugeführt, in welchem das Wasser mit einer geringen Menge an mitgerissener Luft in einen feuchten Strom 421 abgeschieden wurde, der entlang des flüssigen Stromes und trockener Luft 422 strömte.
Bei diesem Beispiel war die Vorrichtung mit rohrförmigen Strömungskanälen versehen, obzwar die gleichen Ergebnisse mit rechteckigen oder asymmetrischen Leitungsquerschnitten erzielt werden können. Deshalb werden nachfolgend die Durchmesser der Vorrichtungen angegeben, und es wird immer auf den Innendurchmesser Bezug genommen.
Die typischen Einlaßbedingungen stellen sich wie folgt dar:

1. Massenstromdurchsatz: 1,2 kg/s
2. Einlaßdruck: 140 KPa (1.400 mbar (a))
3. Einlaßtemperatur: 25°C
4. Einlaßfeuchtigkeit: 90%

Die Vorrichtung kondensierte den Wasserdampf, was einen Sprühstrom mit einer großen Anzahl von Wassertröpfchen ergab. Die Endtemperatur und der Enddruck in der Überschallzone 428 betrugen –28°C und 68 KPa (680 mbar (a)), was in einer Wasserdampffraktion resultierte, die vernachlässigbar klein war.
Der Düsenhalsdurchmesser 404 betrug 70 mm. Der Einlaßdurchmesser 405 betrug 300 mm, obzwar dieser Wert für die Arbeitsweise der Vorrichtung nicht signifikant ist. Der Düsenauslaßdurchmesser 400 betrug 80 mm, um Überschallströmungsbedingungen zu erzielen; typischerweise betrug die entsprechende Machzahl M = 1,15.
Die Längen der Düse werden durch die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt, die für diesen Fall 19.000 K/s beträgt. Der Fachmann kann die Druck- und Temperaturprofile für den Strom durch die Vorrichtung und somit die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt die Tröpfchengrößenver teilung. Ein Absenken des Wertes der Abkühlungsgeschwindigkeit resultiert in einer größeren durchschnittlichen Tröpfchengröße.
Die Längen der Düse betrugen:
L1, 406: 700 mm: vom Düseneinlaß zum Düsenhals
L2, 407: 800 mm: vom Düsenhals zum Düsenauslaß
Um die Reibungsverluste zu vermindern, war die Wandrauhigkeit klein, vorzugsweise 1 Mikron oder weniger.
Abhängig von der Anwendung kann irgendein starres Material für die Düsenvorrichtung verwendet werden, sofern die vorerwähnten Entwurfsparameter respektiert werden.
Das Wirbelrohr 408 wurde zwischen dem Düsenauslaß und dem Diffusor eingeschaltet. In dem Wirbelrohr war ein flügelartiger Verwirbelungsvorrichtungseinbau 409 vorhanden. An der Kante dieses Einbaus wurde ein Wirbel an der oberen (Unterdruck-) Seite erzeugt und von der Fläche abgelöst, vorzugsweise an der Unterkante. Die Flügelwurzelsehne dieser flügelartigen Platte war an der Innenwand des Wirbelrohres befestigt.
Der Einlaßdurchmesser des Wirbelrohres 400 betrug 80 mm. In diesem Fall war das Wirbelrohr leicht konisch; der Durchmesser erhöhte sich linear auf 84 mm (423) über eine Länge von etwa der Sehnenlänge des Flügels.
Hinter dem konischen Abschnitt des Wirbelrohres 410 war der Wirbelrohr-Durchmesser konstant 84 mm über eine Länge, auf welcher die Tröpfchen auf der Innenwand (Abscheidelänge) abgelagert wurden. Diese beiden Längen waren:
L3, 410: 300 mm: vom Flügelscheitel zur Flügelhinterkante
L4, 412: 300 mm: von der Flügelhinterkante zum Diffusor
Die Größe des Flügeleinbaus hängt von der bevorzugten Zirkulation oder der integralen Wirbelbildung ab. Diese Zirkulation ist typischerweise 16 m2/s, was zu einer Flügelsehnenlänge von 300 mm, einer Flügelspannweite an der Hinterkante von 60 mm und einem Anstellwinkel der Flügelsehne zur Achse des Rohres von 8° führt. Der Neigungswinkel der Stirnkante (senkrecht zur Strömung) betrug 87°, und der Neigungswinkel der Hinterkante betrug 40°. Die Kanten der Flügel waren scharf. Die Ebene des Flügels war flach, und sein Profil war extrem schlank. Die Dicke des Flügels betrug etwa 4 mm an der Wurzel. Der Flügel war unter einem Winkel von 8° zur Achse des Rohres angestellt.
In dem Drainageabschnitt wurde das Abziehen der Flüssigkeiten aus dem Wirbelrohr erreicht. Der Drainageabschnitt ist kein scharf unterschiedener Abschnitt, sondern ein integraler Teil des Wirbelrohres, wobei beispielsweise Schlitze, poröse Materialien, Löcher in der Wirbelrohrwand verwendet werden; oder er ist, wie 4 zeigt, ein integraler Teil des Diffusors mittels einer Wirbelleitung 413 (einer koaxialen Leitung). Bei diesem Beispiel wurde die Wirbelleitung (koaxiale Leitung) zentral in der Leitung hinter der Schockwelle angeordnet, die direkt hinter dem Wirbelrohr in dem ersten Diffusorteil 414 vorhanden war.
Die. Größe des Wirbelrohres hängt vom Durchmesserverhältnis zwischen dem Diffusordurchmesser an der Stelle 424 (90 mm an dem Einlaß) und dem Wirbelrohr-Einlaßdurchmesser an dem Punkt 425 (85 mm an dem Einlaß) ab. Der Querschnittsflächenunterschied zwischen den beiden letzteren beeinflußt die minimale Strömung, die aus dem Flüssigkeiten enthaltenden Hauptstrom abgezogen wird. In diesem Fall betrug die minimale Strömung 10% der Hauptströmung, d. h. 0,12 kg/s. Die Diffusorlänge 433 betrug 1.500 mm.
In dem Diffusor wurde die verbleibende kinetische Energie des Stromes in potentielle Energie transformiert (Erhöhung des statischen Druckes). Es ist erwünscht, eine Grenzschichtablösung zu vermeiden, die zu einem Strömungsabriß und zu einer geringen Wirksamkeit führen würde. Deshalb sollte der halbe Divergenzwinkel des Diffusors bei dem vorliegenden Testaufbau vorzugsweise weniger als 5° betragen, und in diesem Fall wurden 4° verwendet. Der Diffusor-Einlaßdurchmesser war der gleiche wie der Wirbelrohr-Einlaßdurchmesser (85 mm). Der Auslaßdurchmesser 415 des Diffusors betrug 300 mm, und die trockene Luft an diesem Punkt befand sich auf etwa Atmosphärendruck. Die Leistung dieser Vorrichtung wurde durch zwei Feuchtigkeitsfühler gemessen (nach dem kapazitiven Prinzip: Hersteller „Vaisala"), von denen einer am Lufteinlaß 416 und der andere am Trockenluftauslaß 417 vorgesehen war, wobei beide hinsichtlich Temperatur und Druck korrigiert waren. Die typischen Werte der Einlaßwasserfraktionen betrugen 18–20 g Wasserdampf pro kg Trockenluft. Typische Werte des Auslaßwassers waren 13–15 g pro kg Trockenluft. Dies kann in einer Abscheidewirksamkeit von etwa 25% des am Einlaß entfernten Wasserdampfes ausgedrückt werden. Dies entspricht auch der Abscheidung von kondensierten Flüssigkeiten in dem Überschallbereich, weil der größte Anteil des flüssigen Wassers, das in dem Einlaßstrom vorhanden war, an diesem Punkt kondensierte.

Claims

Verfahren zum Entfernen von kondensierbaren Bestandteilen aus einem Erdgasstrom stromaufwärts eines Bohrlochkopf-Drosselventils (505, 552), das mit einer Untergrundformation (301, 603, 704) in Verbindung steht, unter Verwendung eines Bohrloch-Trägheitsabscheiders, in welchem Tröpfchen und/oder Teilchen aus den Gasen abgeschieden werden, und das Gas, aus welchem die kondensierbaren Bestandteile entfernt worden sind, gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist: (A) Veranlassen, daß der Erdgasstrom mit Überschallgeschwindigkeit durch einen Trägheitsabscheider strömt, der eine Leitung (1, 23, 314) mit einem Beschleunigungsabschnitt (3, 25, 312) aufweist, in welchem der Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei seine Abkühlung auf eine Temperatur bewirkt wird, die unterhalb einer Temperatur liegt, bei welcher die kondensierbaren Bestandteile zu kondensieren beginnen, wobei sie gesonderte Tröpfchen und/oder Teilchen bilden; und (B) Transportieren des Gases und/oder der kondensierten Bestandteile zu einem Bohrlochkopf (505, 552) und/oder Reinjizieren in die Untergrundformation (301, 603, 704), aus der sie gefördert worden sind, oder in eine andere Formation (710), wobei Vorsorge getroffen wird, daß nicht das gesamte gesammelte Gas und die kondensierbaren Bestandteile in die gleiche Reservoirzone der gleichen Formation (301, 603, 704) reinjiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Verwirbelungsabschnitt (15, 41, 313, 409) dem Überschallstrom des Flu ids eine Verwirbelungsbewegung erteilt, wodurch die flüssigen Tröpfchen zu einem radial äußeren Abschnitt einer Samrelzone (11, 37, 318) in dem Strom fließen, gefolgt von einem Unterschall- oder Überschallabziehen der Flüssigkeiten aus dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone (11, 37, 318) in einen Auslaßstrom.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Verwirbelungsbewegung, welche dem Überschallstrom des Fluids aufgezwungen wird, bewirkt, daß die kondensierbaren Bestandteile zu einem radial äußeren Abschnitt einer Sammelzone (11, 37, 318) in dem Strom fließen, gefolgt von einem Abziehen der kondensierbaren Bestandteile bei Unterschall- oder Überschallbedingungen aus dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone (11, 37, 318) in einen Auslaßstrom.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Schockwelle erzeugt wird, indem der Fluidstrom durch einen Diffusor (11, 315) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Transportieren der Gase, aus welchen die kondensierbaren Bestandteile entfernt worden sind, zu einem Bohrlochkopf (505, 552) oder einer anderen Reservoirzone durch eine Förderverrohrung (317, 617) erreicht wird, und die kondensierbaren Bestandteile oder ein Teil der kondensierbaren Bestandteile durch einen anderen Strömungsweg (618, 708) zur Oberfläche transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Wasser aus dem Gas als Kondensierbare Komponente entfernt wird.
Bohrloch-Ausrüstungssystem für die Förderung von Gas aus einer Untergrundformation mit einem Bohrlochkopf (505, 552), einem Bohrloch, das eine Verrohrung (317, 617) ent hält, die sich vom Bohrlochkopf (505, 552) in das Bohrloch erstreckt, und einem Überschall-Trägheitsabscheider mit gegebenenfalls einem Verwirbelungsabschnitt (15, 41, 313, 409), welcher dem Gas eine Verwirbelungsbewegung erteilt; und einer Sammelzone (7, 43, 316), in welcher ein Gasstrom, der eine reduzierte Menge an kondensierbaren Bestandteilen enthält, gesammelt wird; dadurch gekennzeichnet, dsß der Überschall-Trägheitsabscheider einen Beschleunigungsabschnitt aufweist, in welchem im Gebrauch das Gas aus der Untergrundformation (301, 603, 704) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und die kondensierbaren Bestandteile kondensiert werden.
Bohrloch-Ausrüstungssystem nach Anspruch 7, mit einem Überschall-Trägheitsabscheider in einem Bohrloch.
Bohrloch-Ausrüstungssystem nach Anspruch 7, mit einem Überschall-Trägheitsabscheider am Bohrlochkopf.
Bohrloch-Ausrüstungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, mit einem Bohrlochsystem mit mehreren Zweigen, welche das Reservoir der Förderformation mit einem oder mehreren anderen Reservoiren verbinden.
Bohrloch-Ausrüstungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ferner eine oder mehrere Tauchpumpen aufweist.
Bohrloch-Ausrüstungssystem nach Anspruch 7, in welchem die Sammelzone (43, 316) zum Sammeln des Gasstromes, der eine reduzierte Menge an kondensierbaren Bestandteilen enthält, durch einen zweiten Auslafl (43, 316) gebildet wird, der sich koaxial durch einen ersten Auslafl (27, 318, 319) für kondensierbare Bestandteile in das rohrförmige Gehäuse (23) des Überschall-Trägheitsabscheiders erstreckt.