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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und System zum Trennen und Injizieren von Gas in einem Bohrloch,
und insbesondere ein Verfahren und System zum Trennen und Injizieren
von Gas in einem Bohrloch zum Erhöhen der Ölförderung aus Ölbohrungen,
die ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern
durch ein Bohrloch fördern, das
eine ölführende Lagerstätte durchdringt,
die eine ölführende Zone
und einen gewählten
Injektionsbereich enthält.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Bei zahlreichen Ölfeldern umfaßt die ölführende Lagerstätte einen
Gaskappenbereich und eine ölführende Zone.
Viele dieser Felder fördern
ein Gemisch aus Öl
und Gas, wobei sich das Gas-Öl-Verhältnis (GÖV) mit zunehmenden
Alter des Felds erhöht.
Dies ist ein Ergebnis zahlreicher Faktoren, die dem Fachmann wohlbekannt
sind. Normalerweise wird das Gemisch aus Gas und Öl an der
Oberfläche in
einen Ölanteil
und in einen Gasanteil getrennt. Der Gasanteil kann als Erdgasprodukt
verkauft, zum Aufrechterhalten des Drucks in der Gaskappe injiziert werden
oder ähnliches.
Des weiteren liegen viele dieser Felder in Gegenden der Welt, in
denen es schwierig ist, das Gas wirtschaftlich zum Absatzmarkt zu transportieren,
daher erhält
das Injizieren des Gases seine Verfügbarkeit als zukünftige Ressource
und hält
den Druck in der Gaskappe aufrecht.
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Ölbohrungen
in solchen Feldern können
Gemische mit einem GÖV
von mehr als 10.000 Standardkubikfuß pro Standardbarrel (SCF/STB)
fördern. In
solchen Fällen
kann das Gemisch weniger als 1% Flüssigkeitsanteile pro Volumen
in der Quelle betragen. Typischerweise ist ein GÖV von 800 bis 2.500 SCF/STB
mehr als ausreichend, um das Öl
als Gas-Öl-Gemisch
an die Oberfläche
zu befördern. Normalerweise
ist das Öl
als fein verteilte Tröpfchen oder
als Ölnebel
in dem auf diese Weise geförderten Gas
verteilt. Bei vielen solcher Ölbohrungen
kann neben dem Öl
Wasser gefördert
werden. Der hier verwendete Begriff "Öl" bezieht sich auf
Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten,
die aus einer Lagerstätte
gefördert
werden. Die Oberflächeneinrichtungen
zum Trennen und Rückführen des
Gases in die Gaskappe müssen
naheliegenderweise eine beträchtliche
Kapazität
aufweisen, wenn solche Gemische gefördert werden, um ausreichend
Gas in die Gaskappe oder andere erschöpfte Lagerstätten zurückzuführen, um die Ölförderung
aufrechtzuerhalten.
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Typischerweise sammeln in solchen
Feldern Sammelleitungen die Flüssigkeiten
in gemeinsamen Leitungen, die anschließend zu den Produktionseinrichtungen
oder ähnlichem
weitergeleitet werden, in denen Rohöl, Kondensat und andere Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
getrennt und als Rohöl
transportiert werden. Aus dem Gasstrom werden dann Erdgasflüssigkeiten
gewonnen und optional mit dem Rohöl und Kondensat kombiniert.
Optional kann ein mischbares Lösungsmittel,
das Kohlendioxid, Stickstoff und ein Gemisch aus leichten Kohlenwasserstoffen
umfaßt,
wie sie im Gasstrom enthalten sind, zu einer erhöhten Ölgewinnung oder ähnlichem
verwendet werden. Der restliche Gasstrom wird anschließend zu
einem Verdichter weitergeleitet, wo er für die Injektion verdichtet
wird. Das verdichtete Gas wird durch Injektionsbohrungen, einen
ringförmigen Raum
einer Förderbohrung
oder ähnliches
in die Gaskappe injiziert.
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Zweifellos ist die Größe der Oberflächenapparatur,
die für
die Verarbeitung des Gemischs aus Gas und Öl erforderlich ist, beachtlich
und kann wegen Kapazitätsbegrenzungen
hinsichtlich der Verarbeitungsmöglichkeit
des geförderten
Gases zu einem einschränkenden
Faktor für
die Ölmenge
werden, die aus der Lagerstätte
gefördert
werden kann.
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Im US-Patent 5,431,228 "Down Hole Gas-Liquid
Separator for Wells",
erteilt am 11. Juli 1995 an Weingarten et al. und der Atlantic Richfield
Company zugewiesen, wird offenbart, daß ein Bohrabscheider im Bohrloch
zum Trennen eines Gas- und Flüssigkeitsstroms
zur separaten Gewinnung an der Oberfläche verwendet werden kann.
Ein gasförmiger
Anteil des Stroms wird durch einen ringförmigen Raum in der Bohrung
aufgenommen, während
die Flüssigkeiten
durch eine Förderleitung
aufgenommen werden.
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In SPE 30637 "New Design for Compact Liquid-Gas Partial
Separation: Down Hole and Surface Installations for Artificial Lift
Applications" von
Weingarten et al. ist offenbart, daß Bohrabscheider, wie im US-Patent
5,431,228 offenbart, für
Installationen zur Gas/Flüssigkeitstrennung
im Bohrloch und an der Oberfläche
verwendet werden können.
Während
solche Trennungen, wie erläutert,
insbesondere nützlich sind
bei Anwendungen für
eine künstliche
oder Lagerstätten-Gasdruckerhöhung und ähnliches,
wird die gesamte Gas- und Flüssigkeitsmenge
immer noch, wie offenbart, an der Oberfläche zur Verarbeitung gewonnen.
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Dementsprechend kann die Oberflächenapparatur
für die
Gasverarbeitung immer noch eine beträchtliche Einschränkung der Ölmenge bedeuten, die
aus einer unterirdischen Lagerstätte
gefördert werden
kann, in der Öl
als Gemisch aus Gas und Flüssigkeiten
vorliegt.
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Eine gleichzeitig anstehende Anmeldung, Seriennummer
08/_,_[ARCO-25,104, DP 50-06-1733A] mit dem Titel "Method and System
for Separating and Injecting Gas in a Wellbore", die am 24. Februar 1998 eingereicht
wurde, offenbart den Antrieb einer Turbine mit Fördermedien, das Trennen von
Gas von einem mit Öl
angereicherten Gemisch aus Öl
und Gas, die Verdichtung des Gases mit einem von der Turbine angetriebenen
Verdichter und das Zurückinjizieren
des Gases in die Lagerstätte. Obwohl
ein solches System die Verarbeitungsapparatur an der Oberfläche entlastet,
sind die Turbinenschaufeln anfällig
für Beschädigungen
durch Festkörper
und Flüssigkeiten,
die in einigen Lagerstätten vorkommen,
und können
daher periodische Instandsetzungen zum Beseitigen dieser Schäden benötigen.
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Dementsprechend wurde eine kontinuierliche
Suche hinsichtlich der Entwicklung von Systemen durchgeführt, mit
denen größere Ölmengen
aus unterirdischen Lagerstätten
gefördert
werden können,
in denen neben Öl
und Gas Flüssigkeiten und/oder
Festkörper
vorkommen, die Turbinenschaufeln beschädigen können.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde festgestellt, daß größere Mengen
von Öl
aus einer Ölbohrung,
die ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern
enthält,
durch ein Bohrloch gefördert
werden können,
das eine ölführende Lagerstätte durchdringt,
die eine ölführende Zone
und einen gewählten
Injektionsbereich enthält,
wobei von dem Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern
in der Ölquelle
mindestens ein Anteil des Öls und
des Gases getrennt werden, um einen getrennten Gas/Öl-Anteil
und einen ersten Anteil eines ölangereicherten
Gemischs zu bilden; der erste Anteil des ölangereicherten Gemischs durch
eine Umgehungsleitung mit einem Auslaß in Fördermedienverbindung mit einer
Oberfläche
geleitet wird, so daß der
erste Anteil des ölangereicherten
Gemischs eine Turbine in der Ölbohrung
umgeht; die Turbine mit dem getrennten Gas/Öl-Anteil angetrieben wird;
ein Verdichter in der Ölbohrung
von der Turbine angetrieben wird; von dem getrennten Gas/Öl-Anteil
in der Ölbohrung
mindestens ein Anteil des Gases getrennt wird, um ein getrenntes
Gas und einen zweiten Anteil des ölangereicherten Gemischs zu
erzeugen; das getrennte Gas mit dem Verdichter auf einen Druck verdichtet
wird, der höher
als der Druck im gewählten
Injektionsbereich ist, um ein verdichtetes Gas zu erzeugen; das
verdichtete Gas in den gewählten
Injektionsbereich injiziert wird; und mindestens ein größerer Anteil
des ersten Anteils des ölangereicherten Gemischs
und ein zweiter Anteil des ölangereicherten
Gemischs gewonnen wird.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt des weiteren
ein System zum Erhöhen
der Ölförderung
aus einer Ölbohrung,
die ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern
enthält,
durch ein Bohrloch, das eine ölführende Lagerstätte durchdringt,
die eine ölführende Zone
und einen gewählten
Injektionsbereich enthält,
wobei das System einen ersten Abscheider umfaßt, der im Bohrloch in Fördermedienverbindung
mit der Lagerstätte
positioniert ist; eine im Bohrloch positionierte Umgehungsleitung,
wobei die Umgehungsleitung einen Einlaß und einen Auslaß aufweist,
der Einlaß eine
Fördermedienverbindung mit
einem Auslaß für ein ölangereichertes
Gemisch aus dem ersten Abscheider aufweist, und der Auslaß eine Fördermedienverbindung
mit einer Oberfläche aufweist;
eine im Bohrloch positionierte Turbine, wobei die Turbine einen
Einlaß in
Fördermedienverbindung
mit einem Gasauslaß vom
ersten Abscheider aufweist; einen zweiten im Bohrloch positionierten Abscheider,
wobei der zweite Abscheider einen Einlaß in Fördermedienverbindung mit einem
Auslaß von
der Turbine aufweist und einen Auslaß für das ölangereicherte Gemisch in Fördermedienverbindung
mit einer Oberfläche
besitzt; und einen im Bohrloch positionierten Verdichter, der zum
Antrieb mit der Turbine verbunden ist und einen Einlaß in Fördermedienverbindung
mit einem Gasauslaß vom
zweiten Abscheider und einen Auslaß für das verdichtete Gas in Fördermedienverbindung
mit dem gewählten
Injektionsbereich aufweist.
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Eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfaßt
ein Verfahren zum Erhöhen
der Ölförderung
aus einer Ölbohrung,
die ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern enthält, durch
ein Bohrloch, das eine ölführende Lagerstätte durchdringt,
die eine ölführende Zone
und einen gewählten
Injektionsbereich enthält,
wobei von dem Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern
in der Ölbohrung
mindestens ein Anteil des Gases getrennt wird, um ein erstes getrenntes
Gas und ein ölangereichertes
Gemisch zu bilden; von dem ölangereicherten
Gemisch in der Ölbohrung mindestens
ein Anteil des Gases getrennt wird, um ein zweites getrenntes Gas
zu bilden; mindestens ein Anteil des ölangereicherten Gemischs durch
eine Umgehungsleitung mit einem Auslaß in Fördermedienverbindung mit einer
Oberfläche
geleitet wird, so daß mindestens
ein Anteil des ölangereicherten
Gemischs eine Turbine in der Ölbohrung
umgeht; die Turbine mit dem zweiten getrennten Gas angetrieben wird;
ein Verdichter in der Ölbohrung
von der Turbine angetrieben wird, um das erste getrennte Gas auf
einen Druck zu verdichten, der höher
als der Druck im gewählten
Injektionsbereich ist, um ein verdichtetes Gas zu erzeugen; das
verdichtete Gas in den gewählten
Injektionsbereich injiziert wird; und mindestens ein größerer Anteil
des ölangereicherten
Gemischs gewonnen wird.
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Die alternative Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
des weiteren ein System zum Erhöhen der Ölförderung
aus einer Ölbohrung,
die ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern enthält, durch
ein Bohrloch, das eine Formation durchdringt, die eine ölführende Zone
und einen gewählten
Injektionsbereich enthält,
wobei das System einen Abscheider umfaßt, der im Bohrloch in einer Fördermedienverbindung
mit der Lagerstätte
positioniert ist; eine erste im Bohrloch positionierte Umgehungsleitung,
wobei die Umgehungsleitung einen Einlaß in Fördermedienverbindung mit einem
Auslaß für ein ölangereichertes
Gemisch aus dem Abscheider aufweist, wobei die erste Umgehungsleitung
so konfiguriert ist, daß sie
das durchfließende
Fördermedium
in eine erste Fließrichtung
und in eine zweite Fließrichtung
leitet; eine zweite im Bohrloch positionierte Umgehungsleitung,
wobei die zweite Umgehungsleitung einen Einlaß in Fördermedienverbindung mit einem
ersten Auslaß von
der ersten Umgehungsleitung aufweist, der Einlaß der zweiten Umgehungsleitung
im wesentlichen auf die erste Fließrichtung ausgerichtet ist,
wobei die zweite Umgehungsleitung einen Auslaß für das ölangereicherte Gemisch in Fördermedienverbindung
mit einer Oberfläche
aufweist; eine im Bohrloch positionierte Turbine, wobei die Turbine
einen Einlaß in
Fördermedienverbindung
mit einem zweiten Auslaß von
der ersten Umgehungsleitung aufweist; und einen im Bohrloch positionierten
Verdichter, der zum Antrieb mit der Turbine verbunden ist und einen
Einlaß in
Fördermedienverbindung
mit einem Gasauslaß vom
Abscheider und einen Auslaß für das verdichtete
Gas in Fördermedienverbindung
mit dem gewählten
Injektionsbereich aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Prinzipskizze einer Förderbohrung,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung für
die Förderung
eines ölangereicherten
Gemischs aus Öl, Gas,
Wasser und/oder Festkörpern
aus einer unterirdischen Lagerstätte
konfiguriert ist.
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2 ist
ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines inneren Abschnitts
eines Röhrenglieds
des Systems aus 1.
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3 ist
eine Vergrößerung eines
Abschnitts der Ausführungsform
aus 2.
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3A zeigt
einen Abschnitt einer alternativen Ausführungsform der in 2 dargestellten Ausführungsform.
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3B–3D zeigen Querschnittsansichten der
Ausführungsform
aus 3A jeweils entlang
der Linien 3B-3B, 3C-3C und 3D-3D in 3A.
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4 ist
ein schematischer Querschnitt einer alternativen Ausführungsform
eines inneren Abschnitts eines Röhrenglieds
des Systems aus 1.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei der Erläuterung der Figuren werden durchgehend
die gleichen Zeichen für
die Bezugnahme auf gleiche oder ähnliche
Komponenten verwendet. Aus Prägnanzgründen wurden
gewisse Komponenten der Bohrungen, die für den eigentlichen Betrieb
der Bohrungen notwendig sind, nicht erläutert.
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In 1 ist
eine Förderbohrung 10 in
einem (nicht dargestellten) Bohrloch positioniert, die sich von
einer Oberfläche 12 durch
eine obere Erdschicht 14 zu einer ölführenden Lagerstätte 16 erstreckt.
Die Förderbohrung 10 umfaßt einen
ersten Futterrohrabschnitt 18, einen zweiten Futterrohrabschnitt 20 und einen
dritten Futterrohrabschnitt 22. Die Futterrohre weisen
eine abnehmende Größe auf und
können mehr
oder weniger als drei Futterrohrabschnitte umfassen. Die Verwendung
solcher Futterrohrabschnitte ist dem Fachmann hinsichtlich der Verrohrung
von Ölbohrungen
wohlbekannt. Obwohl die Förderbohrung 10 als
Bohrung gezeigt ist, die sich vertikal in die Lagerstätte 16 erstreckt,
kann sie alternativ auch gekrümmt
sein, um sich winklig in die Lagerstätte zu erstrecken, oder einen
Abschnitt umfassen, der sich horizontal in die Lagerstätte erstreckt.
Diese Variationen sind dem Fachmann bei der Förderung von Öl aus unterirdischen
Lagerstätten
wohlbekannt.
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Die Ölbohrung 10 umfaßt des weiteren
einen Rohrstrang, der hier als Förderrohrleitung 26 für die Förderung
von Fördermedien
aus der Bohrung 10 bezeichnet wird. Die Förderrohrleitung 26 erstreckt sich
von einem Bohrlochkopf 28, der schematisch als Ventil dargestellt
ist, nach unten zur Lagerstätte 16. Der
Bohrlochkopf 28 enthält
die notwendigen Ventile und ähnliches
zum Steuern des Fördermedienflusses
in und aus Ölbohrung 10,
Förderrohrleitung 26 und ähnlichem.
Ein Einfachschieber 30 ist positioniert, um den Fördermedienfluß in den
ringförmigen Raum
zwischen dem Äußeren der
Förderrohrleitung 26 und
dem Inneren der Futterrohrabschnitte 20 und 22 über dem
Einfachschieber 30 zu verhindern.
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Ein Röhrenglied 32 ist in
einer dem Fachmann bekannten Art in einem unteren Ende 26a der Förderrohrleitung 26 positioniert.
Die Positionierung solcher Röhrenglieder
mittels Seilarbeit- oder Wickelrohrtechnik ist dem Fachmann bekannt
und wird nicht erläutert.
Das Röhrenglied 32 wird
mit zwei Einfachschiebern 34 und 36 oder Nippeln
mit Blockierdornen in seiner Position gesichert, die so positioniert
sind, daß ein
Fließen
von Fördermedien
zwischen dem Röhrenglied 32 und
der Förderrohrleitung 26 bzw. dem
dritten Futterrohrabschnitt 22 verhindert wird. Das Röhrenglied 32 umfaßt einen
Einlaß 32a zur
Aufnahme eines Fördermedienstroms
und einen oberen Auslaß 32b und
einen unteren Auslaß 32c zum
Abfließen
von Fördermedienströmen. Ein
ringförmiger Raum 38 ist
seitlich zwischen dem Röhrenglied 32 und
dem dritten Futterrohrabschnitt 22 und der Länge nach
zwischen den Einfachschiebern 30 und 34 und dem
Einfachschieber 36 gebildet.
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Die Lagerstätte 16 umfaßt einen
gewählten Injektionsbereich 40 und
eine unter dem Injektionsbereich 40 liegende ölführende Zone 42.
Der gewählte
Injektionsbereich 40 kann ein Gaskappenbereich, eine wasserhaltige
Zone, ein Abschnitt der ölführenden
Zone 42, ein erschöpfter
Abschnitt der Lagerstätte 16 oder ähnliches
sein. Obwohl die ölführende Zone 42 in 1 als unter dem Injektionsbereich 40 liegend
dargestellt ist, kann die ölführende Zone 42 alternativ
auch über
dem Injektionsbereich 40 liegen. Der Druck in der Lagerstätte 16 wird
durch Gas im Injektionsbereich 40 aufrechterhalten, und
dementsprechend ist es bei solchen Feldern wünschenswert, während der
Förderung
von Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
aus der Lagerstätte 16 den
Druck im Injektionsbereich durch Einpressen von Gas in den Injektionsbereich
aufrechtzuerhalten. Der Lagerstättendruck
kann mit Wasserinjektion, Gasinjektion oder beidem aufrechterhalten
werden. Die Injektion von Gas erfordert die Eliminierung der Flüssigkeiten aus
dem Gas, das Verdichten des Gases und das Zurückinjizieren des Gases in den
Injektionsbereich 40. Typischerweise erhöht sich
das GÖV
der aus Lagerstätten,
wie beispielsweise der ölführenden
Lagerstätte 16,
gewonnenen Öl-
und Gasgemische, wenn Öl
aus der Lagerstätte
abgezogen wird.
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Der dritte Futterrohrabschnitt 22 ist
mit Perforationen 44 versehen, um eine Fördermedienverbindung
zwischen dem ringförmigen
Raum 38 und dem gewählten
Injektionsbereich 40 bereitzustellen. Der dritte Futterrohrabschnitt 22 ist
des weiteren mit Perforationen 46 versehen, um eine Fördermedienverbindung
zwischen dem Inneren des dritten Futterrohrabschnitts 22 und
der ölführenden
Zone 42 bereitzustellen. Die dargestellte Bohrung 10 erzeugt
unter dem Lagerstättendruck
Fördermedien
und benötigt
keine Pumpe. Wie nachstehend noch im Detail beschrieben wird, können Fördermedien
von der ölführenden
Zone 42, wie schematisch durch die Pfeile 50 angegeben,
in den Einlaß 32a des
Röhrenglieds 32 fließen. Ein
Teil der Fördermedien
fließt
aus dem Röhrenglied 32 nach
oben durch den Auslaß 32b in die
Förderrohrleitung 26 ab,
wie durch einen Pfeil 52 schematisch angegeben ist, und
durch den Bohrlochkopf 28 zur (nicht dargestellten) verarbeitenden
Apparatur an der Oberfläche 12.
Ein restlicher Anteil der Fördermedien,
der durch den Einlaß 32a in
das Röhrenglied 32 gelangt,
fließt über den
Auslaß 32c nach außen in den
gewählten
Injektionsbereich 40 ab, wie dies von den Pfeilen 54 schematisch
angegeben ist. Die Aufteilung des Fördermedienflusses zwischen den
Auslässen 32b und 32c wird
im Inneren des Röhrenglieds 32 unter
Verwendung von Funktionen der vorliegenden Erfindung erreicht, wie
nachstehend unter Bezugnahme auf die 2–4 beschrieben wird.
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In 2 ist
ein Querschnitt einer inneren Ausführungsform des Röhrenglieds 32 schematisch dargestellt.
Wie dort gezeigt, ist ein Bohrlochabscheider 60, wie beispielsweise
ein (in 2 dargestellter) Bohrabscheider,
ein Zyklonabscheider oder ein Rotations-Zentrifugenabscheider oder ähnliches
in einem unteren Abschnitt 62 des Röhrenglieds 32 positioniert.
Bohrabscheider sind ausführlicher
offenbart und erläutert
im US-Patent 5,431,228, "Down
Hole Gas Liquid Separator for Wells", erteilt am 11. Juli 1995 an Jean S.
Weingarten et al., und in "New
Design for Compact-Liquid Gas Partial Separation: Down Hole and
Surface Installations for Artificial Lift Applications", Jean S. Weingarten
et al., SPE 30637, eingereicht zwischen 22. und 25. Oktober 1995,
wobei beide Verweise hiermit in ihrer Gesamtheit als Referenz aufgenommen
werden. Es wird davon ausgegangen, daß diese Abscheider dem Fachmann
bekannt sind und effektiv sind beim Trennen zumindest eines größeren Anteils
des Gases von einem fließenden
Strom von Flüssigkeiten
(z. B. Öl
und Wasser), Festkörpern
und Gas, indem das Fördermediengemisch
veranlaßt
wird, um einen kreisförmigen
Pfad zu fließen,
wodurch die schwereren Phasen, d. h. die Flüssigkeiten und/oder Festkörper durch
die Zentrifugalkraft durch einen Auslaß 64 nach außen und durch
eine ringförmige
Umgehungsleitung 66 nach oben gezwungen werden. Die Umgehungsleitung 66 ist
so konfiguriert, daß sie
Fördermedien
durch das Röhrenglied 32 nach
oben trägt,
wie durch die Pfeile 65 angegeben ist, so daß die Fördermedien
die Schaufeln einer im folgenden beschriebenen Turbine umgehen.
Die Umgehungsleitung 66 umfaßt Auslässe 67, durch die
solche Fördermedien
zum oberen Auslaß 32b und
nach oben in die Förderrohrleitung 26 ablaufen,
wie nachstehend beschrieben. Die leichteren Phasen des Gemischs,
d. h. die Gase, werden im Abscheider von den schwereren Phasen weg
nach innen verschoben. Eine Einlaßleitung 68, die für die Aufnahme
von Gas konfiguriert ist, das im Abscheider 60 getrennt
wurde, ist über
einem kegelförmigen
Glied 70 so gebildet, daß sich der Durchgang 68 verengt,
so daß sich
die Geschwindigkeit des Gases erhöht, wenn vom Abscheider 60 aufgenommenes
Gas durch sie nach oben fließt,
wie von den Pfeilen 72 angegeben.
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Wie in 3 durch
die Pfeile 72 schematisch dargestellt, ist die Einlaßleitung 68 so
konfiguriert, daß sie
einen darin aufgenommenen Fördermedienstrom
durch eine Richtungsänderung
um 90° um eine
Schulter 70a des kegelförmigen
Glieds 70 leitet, damit sie radial in eine Vielzahl geeigneter
Turbinenschaufelräder 74 gelangen,
(von denen nur zwei dargestellt sind), die an einer Welle 76 montiert
sind, um eine geeignete Turbine zu bilden. Die Welle 76 ist
im Röhrenglied 32 drehbar
jeweils auf geeigneten oberen und unteren Lagern 78 und 80 montiert,
so daß sich
die Welle 76 drehen kann, wenn die Schaufelräder 74 mit
Fördermedien
beaufschlagt werden, die aus der Leitung 68 aufgenommen
wurden. Obwohl die Turbine mit den Schaufeln 74 und der
Welle 76 in 3 als
Radialturbine dargestellt ist, kann jede beliebige verschiedener
Arten von Radial- oder Axialturbinen in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, wie beispielsweise Turbinen-Expander, Hydraulikturbinen,
zweiphasige Turbinen und ähnliches. Es
wird davon ausgegangen, daß Turbinen-Expander,
Hydraulikturbinen und zweiphasige Turbinen dem Fachmann bekannt
sind und effektiv sind, einen Strom von Fördermedien aufzunehmen und
aus dem aufgenommenen Fördermedienstrom
ein Drehmoment zu erzeugen, das auf die Welle ausgeübt wird, wobei
solch ein Strom von Fördermedien
vorwiegend jeweils Gase, Flüssigkeiten
und Gemische aus Gasen und Flüssigkeiten
umfaßt.
Insbesondere zweiphasige Turbinen sind im US-Patent 5,385,446 mit dem
Titel "Hybrid Two-Phase
Turbine" ausführlicher offenbart
und erläutert,
das am 31. Januar 1995 Lance G. Hays erteilt wurde, wobei der Verweis
hiermit in seiner Gesamtheit als Referenz aufgenommen wird.
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Wie in 2 dargestellt,
ist eine Leitung 82 konfiguriert, um aus den Turbinenschaufeln 74 abfließende Fördermedien
zu einem oberen Abscheider 84 zu befördern, der in einem oberen
Abschnitt 86 des Röhrenglieds 32 positioniert
ist. Der Abscheider 84 ist in 2 als ein Bohrabscheider dargestellt, kann
aber wie der Abscheider 60 einen Zyklonabscheider, einen
Rotations- Zentrifugalabscheider
oder ähnliches
umfassen, der für
die Trennung der schwereren von leichteren Fördermedienphasen effektiv ist. Der
Abscheider 84 umfaßt
eine zentrale Rückführleitung 88 mit
einem oder mehreren Gaseinlässen 90, (von
denen hier zwei dargestellt sind), für die Aufnahme der leichteren
Phasen, die im wesentlichen Gase umfassen, die von schwereren Fördermedien
getrennt wurden, die im wesentlichen ein ölangereichertes Gemisch aus Öl, Wasser,
Gas und/oder Festkörpern
umfassen. Die zentrale Rückführleitung 88 ist
hohl und am oberen Ende dicht verschlossen und ist daher effektiv,
um den Fluß der
getrennten, durch die Einlässe 90 aufgenommenen
Gase in eine Abwärtsrichtung
zu einem Gasauslaß 92 der
zentralen Rückführleitung 88 zu
zwingen, die unter Bezugnahme auf 3 im
folgenden ausführlicher
beschrieben wird.
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Wie des weiteren in 3 dargestellt, ist die zentrale Rückführleitung 88 so
konfiguriert, daß sie einen
Strom von getrenntem Gas, den sie aufgenommen hat, nach unten durch
den Gasauslaß 92,
wie dies schematisch durch einen Pfeil 94 angegeben ist, zu
einer Vielzahl von geeigneten Verdichterlaufradschaufeln 96 leitet,
(von denen nur zwei dargestellt sind), die an einem Rotor 98 befestigt
sind, der an der Turbinenwelle 76 befestigt ist. Die am
Rotor 98 befestigten Schaufeln 96 bilden einen
Gasverdichter, der über
die Turbinenwelle 76 angetrieben wird. Obwohl der Gasverdichter
als Radialverdichter dargestellt ist, kann dies jeder beliebige
geeignete Verdichter sein, wie beispielsweise ein Axial-, Radial-
oder Axial-Radial-Verdichter oder ähnliches, der zum Antrieb mit der
Turbinenwelle 76 verbunden ist. Ein ringförmiger Diffusordurchgang 100 (oder
alternativ eine Vielzahl von diskreten Diffusordurchgängen 100)
ist konfiguriert, um das verdichtete Gas von den Verdichterschaufeln 96 zu
einer Vielzahl von Abfließauslässen 32c zu
befördern,
(von denen nur zwei dargestellt sind), wie dies schematisch durch
die Pfeile 54 angegeben ist, und um das Gas so zu verteilen,
daß der Druck
des Gases beim Abfließen
durch die Abfließauslässe 32c erhöht wird.
Rückschlagventile 102 sind
optional über
den Abfließauslässen 32c positioniert,
um Fördermedien
darin zu hindern, aus der (in 3 nicht
dargestellten) Lagerstätte 16 in
die Verdichterlaufradschaufeln 96 zu fließen.
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Im Betrieb des in den 1–3 dargestellten Systems
fließt
ein Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern,
wie von den Pfeilen 50 in 1 schematisch
angegeben, von der ölführenden Zone 42 durch
die Perforationen 46 und durch den Einlaß 32a des
Röhrenglieds 32.
Wie des weiteren in 2 dargestellt,
fließt
das Gemisch durch den Einlaß 32a zum
Abscheider 60. Der Abscheider 60 trennt die schwereren
Phasen, die im wesentlichen Öl
und Wasser umfassen, von den leichteren Phasen, die im wesentlichen Öl und Gas
umfassen, wobei ein erstes ölangereichertes
Gemisch und ein getrennter Gas/Öl-Anteil
erzeugt werden. Das erste ölangereicherte
Gemisch fließt
durch den Auslaß 64 in
die ringförmige
Umgehungsleitung 66 und in ihr nach oben, wie von den Pfeilen 65 angegeben,
durch die Öffnungen 67 in
die Förderrohrleitung 26 (1), wie von den Pfeilen 52 angegeben,
und durch den Bohrlochkopf 28 (1) zu den anschließenden (nicht dargestellten)
Verarbeitungseinrichtungen. Der getrennte Gas/Öl-Anteil fließt zu der
und durch die Einlaßleitung 68.
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Wie in 3 dargestellt,
fließt
der getrennte Gas/Öl-Anteil
durch die Einlaßleitung 68 und
um das kegelförmige
Glied 70. Der Durchgang 68 verengt sich, wenn
der Gas/Öl-Anteil
hindurchfließt,
und demzufolge erhöht
sich die Geschwindigkeit des Gas/Öl-Anteils, bis er die Turbinenlaufradschaufeln 74 beaufschlagt.
Wenn der Gas/Öl-Anteil
die Turbinenlaufradschaufeln 74 beaufschlagt, wird eine Drehbewegung
auf die Turbinenlaufradschaufeln 74, die Welle 76,
den Rotor 98 und die Verdichterlaufradschaufeln 96 übertragen.
Danach, wenn der Gas/Öl-Anteil
durch die Turbinenlaufradschaufeln 74 fließt, nehmen
Druck und Temperatur des Gas/Öl-Anteils
ab, wodurch im nachstehend erläuterten
oberen Abscheider 84 die Trennung von zusätzlichen
Mengen von Flüssigkeiten
aus den Fördermedien
erleichtert wird. Wie von den Pfeilen 104 schematisch angegeben,
fließt
der Gas/Öl-Anteil
anschließend
von den Laufradschaufeln 74 durch die Leitung 82 nach
oben in und durch den oberen Abscheider 84 (2).
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Bezugnehmend auf 2 fließt der Gas/Öl-Anteil, wenn er durch den
oberen Abscheider 84 fließt, in einem kreisförmigen Pfad,
wodurch die schwereren Phasen des Gas/Öl-Anteils durch die Zentrifugalkraft
nach außen
gezwungen werden und ein zweites ölangereichertes Gemisch bilden.
Das zweite ölangereicherte
Gemisch fließt
an den Einlässen 90 vorbei
nach oben, wie von einem Pfeil 106 schematisch angegeben,
und in die Förderrohrleitung 26,
wo es sich mit dem ersten ölangereicherten Gemisch
zu einem ölangereicherten
Gemisch verbindet, das zur Oberfläche 12 fließt und durch
den Bohrlochkopf 28 gewonnen wird und zur weiteren Trennung
von Gas und Flüssigkeit
weitergeleitet wird und ähnliches
(nicht dargestellt). Das aus dem gebildeten ölangereicherten Gemisch gewonnene
Gas kann dann durch eine Injektionsbohrung eingepreßt werden,
zu einem Gasprodukt verarbeitet werden, oder ähnliches.
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Die schwereren Phasen des Gas/Öl-Anteils, die
im oberen Abscheider 84 durch die Zentrifugalkraft nach
außen
gezwungen werden, verdrängen die
leichteren Phasen, die im wesentlichen aus Gas bestehen, nach innen
auf die zentrale Rückführleitung 88 zu.
Das nach innen verdrängte
Gas wird durch den Gaseinlaß 90 der
zentralen Rückführleitung 88 aufgenommen,
wie durch einen Pfeil 108 schematisch angegeben ist, und
wird durch die Leitung 88 nach unten geleitet, wie durch
den Pfeil 94 schematisch angegeben ist.
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Bezugnehmend auf 3, fließt das getrennte Gas in der
zentralen Rückführleitung 88 durch
einen Gasauslaß 92 zu
der Vielzahl von Verdichterlaufradschaufeln 96. Wenn das
getrennte Gas durch die Verdichterlaufradschaufeln 96 fließt, treibt die
Turbinenwelle 76 den Rotor 98 und die Schaufeln 96 zum
Verdichten des Gases an. Das verdichtete Gas gelangt dann in den
Durchgang 100 und verteilt sich, wenn es sich zu den Abfließauslässen 32c und durch
die Rückschlagventile 102 bewegt,
wie von den Pfeilen 54 schematisch angegeben wird, wodurch
sich der Druck des Gases weiter erhöht, bis der Druck des Gases
den Gasdruck im gewählten
Injektionsbereich 40 überschreitet.
Wie durch den Pfeil 54 in 1 schematisch
dargestellt ist, gelangt das Gas durch den Abfließauslaß 32c in
den ringförmigen Raum 38,
durch die Perforationen 44 und in den gewählten Injektionsbereich 40 der
Lagerstätte 16.
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Die Ausführungsform der 1–3 kann auf mehrere verschiedene
Arten konfiguriert und geändert
werden, die für
den Fachmann nach Prüfung
der vorhergehenden Beschreibung naheliegend und wünschenswert
wären.
Beispielsweise kann die Ausführungsform
der 1–3 so konfiguriert sein, daß die Turbinenschaufeln 74 vom
zweiten ölangereicherten
Gemisch angetrieben werden, das vom oberen Abscheider 84 fließt, schematisch
gekennzeichnet durch den Pfeil 106 (2), und nicht durch den in 2 dargestellten Gas/Öl-Anteil.
Die Abscheider 60 und 84, die Turbinenschaufeln 74 und
die Verdichterschaufeln 96 können ebenfalls in einer Reihe
von Konfigurationen angeordnet sein. Beispielsweise können die
Turbinenschaufeln 74 und die Verdichterschaufeln 96 oberhalb
des oberen Abscheiders 84 positioniert sein.
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Die 3A–3D zeigen einen Abschnitt
einer alternativen Ausführungsform
des in den 1–3 dargestellten Systems,
in dem eine Innenwandoberfläche 31 des
Röhrenglieds 32 mit
Rillen 33 versehen ist, die sich spiralförmig nach
oben winden und am Auslaß 64 enden,
wobei dieser Auslaß über dem
Abscheider positioniert ist, wie in 3A dargestellt. Wie
in den Querschnittsansichten der 3B–3D dargestellt, werden die
Rillen 33 im Umfang enger und radial tiefer, wenn sie sich
spiralförmig
nach oben winden, um die schwereren Phasen zu sammeln, die vom Abscheider 64 getrennt
wurden, und die gesammelten schwereren Phasen in Kanälen in den
Auslaß 64 zu
führen.
Der Betrieb der alternativen, in den 3B–3D dargestellten Ausführungsform
ist ansonsten im wesentlichen dem der in den 1–3 gezeigten Ausführungsform ähnlich.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform des Inneren des
Röhrenglieds 32.
Wie hier dargestellt, umfaßt
ein Bohrlochabscheider 60 ein hohles, zentrales Fließrohr 110,
das mindestens einen Gaseinlaß 112 für die Aufnahme
des Gases in das Innere des zentralen Fließrohrs 110 umfaßt, wie
nachstehend beschrieben. Der Abscheider 60 ist effektiv
für die
Trennung von mindestens einem größeren Anteil
des Gases von einem fließenden
Strom, der im wesentlichen Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörper
umfaßt,
indem er den Strom veranlaßt,
um einen kreisförmigen
Pfad zu fließen,
wodurch die schwereren Phasen durch die Zentrifugalkraft nach außen und
als erstes ölangereichertes
Gemisch durch eine erste ringförmige
Umgehungsleitung 114 nach oben gezwungen werden. Die erste (Verdichter-)Umgehungsleitung 114 ist
so konfiguriert, daß das ölangereicherte
Gemisch, unter Umgehung der Verdichterschaufeln 96, durch
das Röhrenglied 32 zu
einer zweiten (Turbinen-)Umgehungsleitung 116 und einer
Turbineneinlaßleitung 118 befördert wird.
Die zweite Umgehungsleitung 116 ist im wesentlichen auf
die vertikale Richtung des Flusses des ersten ölangereicherten Gemischs in
der ersten Umgehungsleitung 114 ausgerichtet und umfaßt einen
Auslaß 116a zum
Abfließen
eines zweiten ölangereicherten
Gemischs in die Förderrohrleitung 26, so
daß dieses
Gemisch die Turbinenlaufradschaufeln 74 umgeht. Der Durchgang 118 ist
so konfiguriert, daß ein
Strom, der im wesentlichen aus Gas besteht, das aus der ringförmigen Leitung 114 über eine
Richtungsänderung
von 90° aufgenommen
wurde, radial in die Vielzahl von Turbinenlaufradschaufeln 74 gelangt,
(von denen nur zwei dargestellt sind), die auf der Welle 76 montiert
sind. Die Welle ist im Röhrenglied 32 drehbar
montiert, um die Drehbewegung auf den Rotor 98 und die
Verdichterschaufeln 96 zu übertragen.
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Das zentrale Fließrohr 110 ist so konfiguriert, daß das getrennte
Gas, das durch die Gaseinlässe 112 aufgenommen
wird, zu der Vielzahl von Verdichterlaufradschaufeln 96,
(von denen nur zwei dargestellt sind), befördert wird, die am Rotor 98 befestigt sind.
Der ringförmige
Diffusordurchgang 100 (oder alternativ eine Vielzahl von
diskreten Diffusordurchgängen 100)
ist konfiguriert, um das verdichtete Gas von den Verdichterschaufeln 96 zu
den Abfließauslässen 32c zu
befördern,
wie von den Pfeilen 54 schematisch dargestellt wird, und
um das Gas so zu verteilen, daß sich
der Druck des Gases erhöht, wenn
es durch die Abfließauslässe 32c abfließt. Die Rückschlagventile 102 sind
optional über
den Abfließauslässen 32c positioniert,
um zu verhindern, daß Fördermedien
aus der Lagerstätte 16 (1) in die Verdichterschaufeln 96 fließen.
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Im Betrieb des in 4 dargestellten Systems fließt ein Gemisch
aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern,
wie von den Pfeilen 50 in 1 angegeben,
von der ölführenden
Zone 42 durch die Perforationen 46 und durch den
Einlaß 32a des
Röhrenglieds 32.
Wie des weiteren in 4 dargestellt,
fließen
Fördermedien
durch den Einlaß 32a zum
Abscheider 60. Der Abscheider 60 trennt die schwereren
Phasen, die im wesentlichen aus Öl
und Wasser bestehen, von den leichteren Phasen, die im wesentlichen
aus Gas bestehen, und erzeugt dadurch ein erstes ölangereichertes
Gemisch und ein erstes getrenntes Gas. Das erste ölangereicherte Gemisch
fließt
durch die erste Umgehungsleitung 114 nach oben, wie von
den Pfeilen 120 schematisch angegeben wird. Die schwereren
Phasen des ersten ölangereicherten
Gemischflusses fließen
weiterhin nach oben durch die zweite Umgehungsleitung 116 und
durch den Auslaß 116a,
wie von den Pfeilen 122 schematisch angegeben wird, und
durch den Auslaß 32b in
die Förderrohrleitung 26 (1), wie von den Pfeilen 52 schematisch
angegeben wird, und durch den Bohrlochkopf 28 (1) zu den anschließenden (nicht
gezeigten) Verarbeitungseinrichtungen. Die leichteren Phasen des
ersten ölangereicherten
Gemischs, die im wesentlichen ein zweites getrenntes Gas umfassen,
werden von den schwereren Phasen verdrängt und fließen durch
eine Richtungsänderung von
90°, um
radial in die Vielzahl von Turbinenlaufradschaufeln 74 (von
denen nur zwei dargestellt sind) zu gelangen. Wenn das zweite getrennte
Gas durch die Turbinenschaufeln 74 fließt, wird die Drehbewegung auf
die Turbinenschaufeln, die Welle 76, den Rotor 98 und
die Verdichterschaufeln 96 übertragen. Das Gas fließt von den
Turbinenschaufeln 74 durch den Auslaß 32b nach oben ab
und verbindet sich mit dem zweiten ölangereicherten Gemisch zu
einem ölangereicherten
Gemisch, das zur Oberfläche 12 fließt und durch
den Bohrlochkopf 28 gewonnen wird und zur weiteren Trennung
von Gas und Flüssigkeit weitergeleitet
wird und ähnliches
(nicht dargestellt). Das aus dem gebildeten ölangereicherten Gemisch gewonnene
Gas kann dann durch eine Injektionsbohrung eingepreßt werden,
zu einem Gasprodukt verarbeitet werden, oder ähnliches.
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Wie von den Pfeilen 124 schematisch
angegeben, fließt
das getrennte Gas, das vom Abscheider 60 erzeugt wird,
in den Einlaß 112 und
durch das zentrale Fließrohr 110 nach
oben zu den Verdichterlaufradschaufeln 96. Wenn das getrennte
Gas durch die Verdichterlaufradschaufeln 96 fließt, treibt
die Turbinenwelle 76 den Rotor 98 und die Schaufeln 96 zum
Verdichten des Gases an. Das verdichtete Gas gelangt dann in den
Durchgang 100 und verteilt sich, wenn es sich zu den Abfließauslässen 32c und
durch die Rückschlagventile 102 bewegt,
wie von den Pfeilen 54 schematisch angegeben wird, wodurch
sich der Druck des Gases weiter erhöht, bis der Druck des Gases
den Gasdruck im gewählten Injektionsbereich 40 überschreitet.
Wie durch einen Pfeil 54 in 1 schematisch
dargestellt ist, gelangt das Gas durch den Abfließauslaß 32c in
den ringförmigen
Raum 38, durch die Perforationen 44 und in den
gewählten
Injektionsbereich 40 der Lagerstätte 16.
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Durch den Einsatz der in den 1–4 dargestellten
Systeme werden Flüssigkeiten
und Festkörper,
welche die Schaufeln einer Turbine im Bohrloch beschädigen können, von
einem Strom von Fördermedien
getrennt und durch mindestens eine Umgehungsleitung geleitet, so
daß sie
die Schaufeln der Turbine nicht beschädigen. Die Turbine wird im
wesentlichen von Gasen angetrieben, die von den geförderten
Fördermedien
getrennt wurden, und benötigt
daher weniger Instandsetzungen als erforderlich wäre, wenn
die beschädigenden
Fördermedien
nicht so geleitet würden,
daß die
Turbine umgangen wird.
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Des weiteren wird ein Anteil des
Gases aus dem Öl/Gas-Gemisch
entfernt und in das Bohrloch injiziert, ohne daß dazu der getrennte Gasanteil
zur Verarbeitung an die Oberfläche
geleitet werden muß. Diese
Eliminierung eines beträchtlichen
Anteils des Gases im Bohrloch entlastet die Oberflächenapparatur,
da ein geringeres Gasvolumen an die Oberfläche gefördert wird. Zahlreiche Felder
weisen GÖV-Werte bis
zu 25.000 SCF/STB auf. GÖV-Werte
zwischen 1.000 und 4.000 SCF/STB sind im allgemeinen mehr als ausreichend,
um die geförderten
Flüssigkeiten
an die Oberfläche
zu befördern.
Eine beträchtliche
Menge des Gases kann somit eliminiert und ohne Beeinträchtigung
des Förderprozesses
in das Bohrloch injiziert werden. Damit wird die Ölmenge beträchtlich erhöht, die
aus Lagerstätten
gewonnen werden kann, in denen Gas und Öl in einem Gemisch vorliegen, und
die durch die an der Oberfläche
verfügbare
Gasverarbeitungskapazität
Einschränkungen
unterliegen.
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Des weiteren wird durch den Einsatz
des Verfahrens und der Einrichtung der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die in den 1–3 dargestellt ist, das gesamte
Gemisch aus Öl,
Wasser, Gas und/oder Festkörpern,
das aus der Lagerstätte 16 durch
den Einlaß 32a in
das Röhrenglied 32 fließt, für den Antrieb
der Turbinenschaufeln 74 verwendet, um Leistung für die Gasverdichterschaufeln 96 bereitzustellen.
Wenn das gesamte Gemisch durch die Turbine fließt, sinken auch Temperatur
und Druck des gesamten Gemischs. Infolgedessen werden zusätzliche
Kohlenwasserstoffkomponenten des Gemischs aus Öl und Gas für die Trennung im Abscheider 84 verdichtet
und können
an der Oberfläche 12 als
Flüssigkeiten
gewonnen werden.
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Die Investitionskosten für die Installation
des Systems der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Bohrungen
zum Reduzieren des aus einem Feld geförderten Gases sind wesentlich
geringer als die Kosten der Bereitstellung von zusätzlichen
Abscheider- und Verdichterapparaturen an der Oberfläche. Außerdem ist
kein Treibgas für
den Antrieb der Verdichterapparatur erforderlich, da der Druck der
fließenden
Fördermedien
zu diesem Zweck verwendet werden kann. Des weiteren wird die Injektion
gewählter
Gasmengen aus einzelnen Bohrungen in eine Bohrloch-Gaskappe ermöglicht,
wenn die Ölförderung
aus diesen Bohrungen aus Gründen
der Kapazität
der Leitungen eingeschränkt
worden war, welche die geförderten
Fördermedien
von der Bohrung oder der Verarbeitungsapparatur wegtransportieren, wodurch
für diese
Bohrungen eine erhöhte
Förderung
ermöglicht
wird. Dadurch können
auch gewisse Lagerstätten,
bei denen eine Förderung
bisher unwirtschaftlich war, aufgrund der Möglichkeit, das Gas in die Bohrung
zu injizieren, für
die Förderung
wirtschaftlich werden.